上承式混凝土箱型拱橋施工精度控制及誤差分析

摘 要：本文對上承式鋼筋混凝土拱橋在施工過程中有效控制問題進(jìn)行探討，分別介紹了我國現(xiàn)存的三種按照操作原理劃分的施工控制方法，即開環(huán)控制法、反饋控制法、自適應(yīng)控制法。同時(shí)對施工控制影響誤差因素，調(diào)整誤差的辦法進(jìn)行了歸類分析，對施工精度控制相關(guān)問題進(jìn)行論述分析。

關(guān)鍵詞：箱型拱橋;施工控制;誤差分析

引 言

在大跨徑鋼筋混凝土拱橋的施工過程中，拱架一旦成型，其拱架頂面線形與標(biāo)高基本上不能改變，這不僅要求在施工前期對拱架預(yù)拱度及其設(shè)置方式作出較準(zhǔn)確的預(yù)測，并且在拱架逐漸成型過程中需要指定一套科學(xué)的方法對拱架與先期形成的拱肋的結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行重點(diǎn)的監(jiān)測與控制。因此對施工精度的控制和誤差的分析有著重大的意義。

一、施工控制主要方法

我國現(xiàn)存的施工控制方法以操作原理大致可劃分為3類，即開環(huán)控制法、反饋控制法及自適應(yīng)控制法。每種方法的詳細(xì)介紹如下：

（一）開環(huán)控制法

開環(huán)控制法不根據(jù)施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)來改變施工的參數(shù)，而是根據(jù)橋梁施工之前的理想成橋狀態(tài)來求得各個(gè)施工階段的主梁的索力和。因此，這個(gè)方法是單向性的施工控制方法，除此以外，還不能對橋梁施工過程中的誤差采取相關(guān)的控制和修正措施。正裝分析法、倒裝分析法、無應(yīng)力狀態(tài)法和零彎矩法都應(yīng)該歸類在開環(huán)控制方法當(dāng)中。

（二）反饋控制方法

反饋控制方法又稱為閉環(huán)控制法，如參數(shù)識別法。該法是一種籠統(tǒng)的誤差分析方法，它將各種誤差放在一起進(jìn)行打包處理，并不能分析產(chǎn)生誤差的具體原因。這種方法首先通過誤差的反饋計(jì)算來確定糾正誤差的措施和控制量的大小，再來對施工產(chǎn)生的誤差進(jìn)行及時(shí)地糾正，整個(gè)反饋控制過程形是一個(gè)完整的閉環(huán)過程。

（三）自適應(yīng)控制

在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)上加一個(gè)自動辨識系統(tǒng)，就形成了一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)[1]。這種方法一直被認(rèn)為是一種最為合理的施工控制辦法，它可以保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與模擬計(jì)算結(jié)果的誤差較小，該方法首先將已測得誤差輸入到參數(shù)辨識算法系統(tǒng)中去，進(jìn)一步調(diào)節(jié)計(jì)算模型的參數(shù)設(shè)置，最后實(shí)現(xiàn)模型的輸出結(jié)果和工程實(shí)測結(jié)果的一致。在通過上述方法獲得修正后的模型參數(shù)之后，便可以重新預(yù)測各個(gè)施工階段的理想施工狀態(tài)，并且采用反饋控制的方法來實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的控制。通過實(shí)現(xiàn)幾個(gè)工況的反復(fù)辨識和調(diào)整后，就可以大致實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)的相一致，便可以以此為基礎(chǔ)對施工狀態(tài)實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。

二、上承式箱型拱橋施工誤差影響因素

影響鋼筋混凝土箱型拱橋施工精度的因素涉及范圍較廣泛，其中主要包括設(shè)計(jì)參數(shù)誤差、施工工藝誤差、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型誤差、施工監(jiān)測誤差、施工管理質(zhì)量等方面，各種影響因素的詳細(xì)分析如下：

（一）設(shè)計(jì)參數(shù)誤差

在鋼筋混凝土箱型拱橋施工中，設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對結(jié)構(gòu)狀態(tài)（內(nèi)力和變形）會造成不同結(jié)果的影響，對于鋼筋混凝土箱型拱橋，設(shè)計(jì)參數(shù)誤差主要包含結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)誤差、結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸誤差、材料特性參數(shù)誤差、與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)誤差、荷載參數(shù)誤差。

（二）施工工藝誤差

鋼筋混凝土箱型拱橋的施工包含了拱箱節(jié)段的預(yù)制、預(yù)制拱箱的架設(shè)、澆筑拱上立柱和橋面空心板架設(shè)四個(gè)主要的施工階段，施工誤差在這些施工階段中的主要體現(xiàn)有：拱箱預(yù)制誤差、拱圈線形安裝誤差、拱上立柱的澆筑誤差、橋面板預(yù)制構(gòu)的制作誤差以及橋面系線形的施工誤差等。除此以外，施工臨時(shí)荷載是相對來說較為穩(wěn)定的量值，但也存在著如在已建成結(jié)構(gòu)上堆放建材等會引起臨時(shí)荷載較大的誤差的行為，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)都需要加以一定考慮。

（三）施工監(jiān)測誤差

由于測量方法、測量儀器選擇、儀器安裝、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境情況等因素引起的誤差統(tǒng)稱為施工監(jiān)測誤差。[2]施工監(jiān)測誤差一方面可能造成結(jié)構(gòu)狀態(tài)、實(shí)際參數(shù)、與設(shè)計(jì)或控制值吻合較好的假象，同時(shí)也有可能造成將本來較好的狀態(tài)破壞得更差的情況，因此將測量誤差控制在有效范圍內(nèi)對施工控制極為重要。

（四）結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型誤差

在實(shí)際結(jié)構(gòu)分析中，需要對實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度上的簡化，以便建立計(jì)算模型。這種簡化使得模型與實(shí)際工程之間存在不可避免的誤差，這些簡化包括了各種條件假定、邊界條件處理、模型化精度等。在施工控制中，需要對必要的簡化進(jìn)行專門的試驗(yàn)研究，力求將計(jì)算模型誤差所產(chǎn)生的影響降到最低程度。

（五）施工管理質(zhì)量誤差

由于施工控制的對象是橋梁施工本身，是否做好施工管理直接影響到橋梁施工質(zhì)量、進(jìn)度等。尤其是若施工進(jìn)度不按計(jì)劃進(jìn)行，將會給施工控制帶來一定困難。

三、調(diào)整誤差的方法

通過對上述誤差的列舉分析，可從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對計(jì)算精度的提高：

（一）有限元模擬的情況應(yīng)該盡量與實(shí)際施工的情況接近，設(shè)計(jì)參數(shù)的取值盡量接近實(shí)際值;除此以外，溫度應(yīng)采取年平均溫度，再根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，避免在極端情況下測量;精確定性結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的選擇，對于空間拱橋應(yīng)選用三維模型;

（二）采用參數(shù)識別系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算參數(shù)的識別、修正;

（三）確定適用的施工誤差容許指標(biāo)，針對溪工溝大橋的具體情況，確定施工過程中單片拱箱軸線的平面誤差為±10mm、單片拱箱頭處的標(biāo)高誤差為±33mm、相鄰兩片拱箱頂板間高差 30mm;

（四）對施工過程進(jìn)行嚴(yán)格的管理，確保測量的精準(zhǔn)操作。嚴(yán)禁在橋梁結(jié)構(gòu)物上堆放建筑材料，嚴(yán)格按照施工要求進(jìn)行及時(shí)的標(biāo)定測量、稱重、張拉等過程。

四、小結(jié)

相較于國外，我國關(guān)于大跨度橋梁施工控制技術(shù)的研究還尚顯不足[3]，這種差距主要表現(xiàn)在關(guān)于橋梁施工控制理論和相關(guān)試驗(yàn)研究的不足、以及施工監(jiān)測手段的落后、預(yù)斷的精度不高、缺乏一套完善的施工控制技術(shù)系統(tǒng)等。因此，廣泛并深入地研究橋梁施工控制理論，研發(fā)制造更合理、更實(shí)用的控制軟件和更便捷、更精確的監(jiān)測設(shè)備，同時(shí)逐步建立并完善相關(guān)橋梁施工控制的技術(shù)系統(tǒng)和組織管理系統(tǒng)，也是一項(xiàng)極為迫切并重要的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 周水興，張永水，顧安邦，吳國松.大跨鋼管砼拱橋施工控制的理論與實(shí)踐[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（S1）：12-16+22.

[2] 楊茂召. 鋼管混凝土拱橋吊桿張拉的施工控制分析與優(yōu)化[D].長安大學(xué)，2009.

[3] 徐州.混凝土系桿拱橋施工控制技術(shù)[J].交通世界，2019（14）：111-112.

作者簡介：鄧術(shù)聰（1996—），男，漢族，江西贛州人，重慶交通大學(xué)碩士研究生，研究方向：土木工程結(jié)構(gòu)。