黃 瑜

(上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，中國(guó) 上海 200072)

0 概述

隨著我國(guó)路橋交通行業(yè)的發(fā)展，對(duì)橋梁的性能要求不斷提高。連續(xù)剛構(gòu)橋憑借其自身優(yōu)勢(shì)受到人們關(guān)注。連續(xù)剛構(gòu)橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，既具有T 形剛構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，也具有連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)。它不僅具有較強(qiáng)的跨越能力，而且由于其本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，使得施工起來(lái)并不復(fù)雜，在眾多的橋梁施工中，連續(xù)剛構(gòu)橋的投資成本相對(duì)較低，也能適應(yīng)在復(fù)雜地理環(huán)境的情況下進(jìn)行施工。數(shù)據(jù)顯示，連續(xù)剛構(gòu)橋近年來(lái)在我國(guó)高等級(jí)的公路橋梁施工中得到了較廣泛的應(yīng)用。橋梁施工監(jiān)控技術(shù)是指在研究現(xiàn)代橋梁施工理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用軟件，根據(jù)橋梁的實(shí)際參數(shù)建立施工模型，對(duì)施工的各個(gè)階段進(jìn)行模擬仿真，參考得到的仿真結(jié)果對(duì)橋梁施工進(jìn)行具體管理。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋的產(chǎn)生發(fā)展及受力特點(diǎn)

在上世紀(jì)中期，前聯(lián)邦德國(guó)第一次使用預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)建成T型剛構(gòu)橋，它不再采用T 型鋼構(gòu)的笨重的大橋墩，取代以空心薄壁式輕便型橋墩。同時(shí)，它將邊孔做成連續(xù)的，而中間的空洞則使用剪刀鉸。在后來(lái)的多年中，多國(guó)采用該技術(shù)建設(shè)大橋，比較著名的有Bendorf 大橋、浦戶大橋、濱名大橋等等。然而，隨后的發(fā)展使人們發(fā)現(xiàn)，T 型剛構(gòu)存在一些問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)而言，它采用剪刀鉸的方式構(gòu)造復(fù)雜，使施工難度加大，因此成本造價(jià)非常高昂。另外，由于混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)受到早晚溫差影響，剪刀鉸在梁上會(huì)出現(xiàn)附加的應(yīng)力，整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也會(huì)受到影響，因此在鉸的連接處容易出現(xiàn)裂痕，倘若在設(shè)計(jì)時(shí)橋的拱度設(shè)置不當(dāng)，就可能在橋坡上出現(xiàn)折線或者縱段面出現(xiàn)起伏不平。所有這些弊端迫使人們對(duì)混凝土技術(shù)T 型剛構(gòu)橋進(jìn)行改進(jìn)。在上世紀(jì)末期產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力的連續(xù)橋梁，連續(xù)橋梁在施工中要求對(duì)橋墩臨時(shí)固結(jié)，并且要設(shè)置大噸位的支座，因此橋梁制造成本高昂，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也不低。在后來(lái)的十年間，人們發(fā)現(xiàn)了基于預(yù)應(yīng)力的連續(xù)剛構(gòu)橋。連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)合了T 型剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋共同的優(yōu)點(diǎn)，是橋墩固結(jié)的連續(xù)梁橋，采用預(yù)應(yīng)力混凝土的結(jié)構(gòu)。通常體系布置為對(duì)稱形式，懸臂澆筑或拼裝的方式使橋隨橋墩高度增加的時(shí)候，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用力減少。因此整體的施工效果較好。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控研究

國(guó)外在施工監(jiān)控方面的研究較早，在上世紀(jì)80年代，在修建連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，利用分析結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工，獲得了較好的效果。在后來(lái)，日本成功研制了第一款分析連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括測(cè)量數(shù)據(jù)采集、精度控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)分析三部分，能完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)試、分析運(yùn)算和控制結(jié)果的仿真輸出。該系統(tǒng)曾在多個(gè)大橋的施工過(guò)程中得到應(yīng)用，也取得了較好的效果。目前，國(guó)外在連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控方面的研究主要基于計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)。在我國(guó)，這方面的研究較晚，最初在武漢第一長(zhǎng)江大橋的修建中，采用施工監(jiān)測(cè)的技術(shù)對(duì)標(biāo)高和應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，取得了一定的效果。直到上世紀(jì)90年代后期，施工監(jiān)控才真正運(yùn)用到大跨度橋梁施工中，因此我國(guó)在該領(lǐng)域的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在差距。

在連續(xù)鋼構(gòu)橋的施工中，很多不確定因素會(huì)對(duì)橋梁施工產(chǎn)生影響，這包括應(yīng)用材料的性能情況，理論標(biāo)注參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的誤差水平，施工中溫度濕度等環(huán)境因素的實(shí)時(shí)變化等等。連續(xù)剛構(gòu)橋采用懸臂澆注方式可以大幅促進(jìn)大跨度橋梁的建設(shè)，但這個(gè)施工過(guò)程是一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，前期施工與后期施工會(huì)產(chǎn)生影響，有些在前期施工中產(chǎn)生的不足是無(wú)法在后續(xù)施工中進(jìn)行彌補(bǔ)的。因此，在整個(gè)施工過(guò)程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)地對(duì)施工方案進(jìn)行評(píng)估，確定方案的可行性與各個(gè)控制參數(shù)的選取，保證施工應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求，確保施工質(zhì)量。

3 連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控的內(nèi)容

橋梁施工監(jiān)測(cè)方案取決于橋梁的類型，一般而言，連續(xù)剛構(gòu)橋的施工監(jiān)控有以下幾個(gè)部分。

3.1 結(jié)構(gòu)撓度

在施工中，混凝土收縮、預(yù)應(yīng)力、施工荷載等因素的綜合影響容易導(dǎo)致橋梁繞度產(chǎn)生變化，橋梁結(jié)構(gòu)的標(biāo)高與理論計(jì)算產(chǎn)生差異，影響橋梁的美觀與承載力。因此，連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)繞度需要實(shí)時(shí)監(jiān)控。只有在監(jiān)控的實(shí)際標(biāo)高與理論值偏差范圍在合理值時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)成橋繞度和線形符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 應(yīng)變應(yīng)力控制

如果連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力水平與理論值差別太大，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)存在極大風(fēng)險(xiǎn)。然而，預(yù)應(yīng)力的問(wèn)題在外觀上不容易發(fā)現(xiàn)，因此需要通過(guò)橋梁監(jiān)控來(lái)完成實(shí)時(shí)控制。監(jiān)控人員可以連續(xù)監(jiān)測(cè)橋梁的應(yīng)力情況，將測(cè)得值與計(jì)算機(jī)計(jì)算值進(jìn)行比較，如果誤差不滿足施工要求，需要及時(shí)檢查問(wèn)題所在。

3.3 穩(wěn)定性控制

連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性在橋梁施工與使用中是非常重要的，雖然目前國(guó)內(nèi)的學(xué)者有通過(guò)有限元分析來(lái)計(jì)算橋梁的穩(wěn)定性，但仍然沒(méi)有十分成熟的理論和監(jiān)控技術(shù)來(lái)完成穩(wěn)定性控制。連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性系數(shù)具有不足處，并不能區(qū)別不同工況下的情形。現(xiàn)在這種穩(wěn)定性計(jì)算一般利用軸心受壓計(jì)算公式。

4 連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控方法

4.1 施工監(jiān)控方法

連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)過(guò)多年發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)取得了很多成果。目前主要使用的方法有兩種，分別是糾偏終點(diǎn)控制法和自適應(yīng)控制法。糾偏終點(diǎn)控制法也稱為事后控制法，它是在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后，對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)整以取到控制的目的。這種方法計(jì)算量大，控制效果一般。自適應(yīng)控制法師目前使用較多的一種方法，它采用對(duì)模型參數(shù)，特別是應(yīng)力及結(jié)構(gòu)線形繞度等重要參量進(jìn)行修正識(shí)別，從而達(dá)到控制目的。

4.2 施工監(jiān)控誤差調(diào)整方法

理論值與實(shí)測(cè)值通常是不可能完全吻合的，對(duì)于這種誤差的調(diào)整方法，一般有三種，分別是卡爾曼(Kalman)濾波法、灰色理論法和最小二乘法。下面分別對(duì)這三種方法進(jìn)行介紹。

4.2.1 卡爾曼(Kalman)濾波法

卡爾曼濾波法是1960年Kalman 教授首先提出的。它具有較強(qiáng)的適用性，算法靈活，對(duì)非線性系統(tǒng)同樣有效。因此得到了較廣泛的應(yīng)用。將卡爾曼(Kalman)濾波應(yīng)用到橋梁施工監(jiān)控的方法是：以懸臂澆筑橋梁和預(yù)拱度值作為狀態(tài)變量，施工階段為k，可以列寫(xiě)狀態(tài)方程：

X(k)=Ф(k,k-l)X(k-l)+W(k-l)

Ф(k,k-l)=X(k)/X(k-1)

Y(k)=X(k)+V(k)

其遞推公式可以列為：

濾波算法:：X(k/k)=X(k/k-l)+K(k)*[Y(k)-X(k/k-1)]

預(yù)測(cè)算法：X(k/k-1)=Ф(k,k-1)X(k-l/k-l)

濾波增益：K(k)-p(k/k-1)[p(k/k-1)+R(k)]-1

濾波誤差協(xié)方差：p(k/k)=[I-K(k)]p(k/k-l)

預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差：p(k/k-l)=Ф(k,k-l)p(k/k-l)ФT(k,k-1)Q(k-l)

在初值問(wèn)題上，由于0 號(hào)塊在一般情況下的誤差很小，近似取值X(0/0)=X0=0，Ф(k,k-l)的值由原定的理想狀態(tài)給定，另外，還需要已知R(k)和Q(k-l)的值才可以確定解值。

4.2.2 灰色預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)

灰色模型是近年非常受學(xué)者歡迎的一種算法，在橋梁施工監(jiān)控研究中，通過(guò)建立灰色模型體系，可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展變化。在連續(xù)剛構(gòu)橋的施工中，設(shè)有各個(gè)階段預(yù)拱度的理論計(jì)算值為：

X=(X(l),X(2),,,X(n))

相應(yīng)X 的實(shí)測(cè)值為：

Y=(Y(1),Y(2),,,Y(n))(2.15)

根據(jù)X、Y 可以建立方程式：

δ=(δ(1),δ(2),,,δ(n))

δ(k)=X(k)一Y(k)+c

只要根據(jù)δ，X(0),求出Z（1），再根據(jù)Z（1）建立灰色模型，確定參數(shù)值x(l),再求得x(0)值減去c 即可得到誤差估計(jì)值，從而求得預(yù)拱度計(jì)算公式。

4.2.3 最小二乘法理論

十九世紀(jì)七十年代中期，K.EGausS 提出最小二乘算法，它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求出數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小。最小二乘法在連續(xù)剛構(gòu)橋的施工監(jiān)測(cè)中具有較好的效果，尤其在修正參數(shù)誤差方面得到了較好的運(yùn)用。

［1］Mathivat,J.The ceantilever construetion of Prestressed coneretebridge[M].John Wiley&Sons Ine，1983.

［2］Rosingle,Dying,M.Solution of the continuous beam in launched bridges [J].Strucral All Buildings,1997(5):390-398.

［3］馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京:人民交通出版社，2001.

［4］徐君蘭.跨度橋梁施工控制[M].北京:人民交通出版社，2001.

［5］林穎.淺談連續(xù)剛構(gòu)施工控制設(shè)計(jì)[Z].廣州:廣東省交通咨詢服務(wù)中心，2003.

［6］楊高中，等.連續(xù)剛構(gòu)橋在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展[J].公路，1998(6):l-7.

［7］向中富.橋梁施工控制技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2001.

［8］張正金.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工控制[J].河北交通科技，2006，3(2):53-56.