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橋梁施工的誤差分析和反饋調(diào)整機制

黃光鵬

（廣東恒州路橋建設(shè)有限公司 廣東韶關(guān) 512023）

探討了橋梁施工的誤差特點，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差是橋梁施工監(jiān)控關(guān)注的重點。分析了橋梁施工的誤差類型和成因，包括線形誤差和應(yīng)力誤差，提出了這些誤差對橋梁形成的風(fēng)險。最后，總結(jié)了橋梁施工誤差的反饋調(diào)整機制，分別從調(diào)整方法、調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)節(jié)手段三方面進行了分析，以保證橋梁施工達到預(yù)期合理的成橋狀態(tài)。

橋梁；施工監(jiān)控；誤差分析；自適應(yīng)；反饋機制

1 前言

施工過程對橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)影響重大，不同的施工方法所達到的成橋狀態(tài)不同，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法也有明顯差異，因此需要采用施工監(jiān)控的手段，跟蹤分析橋梁在施工全過程的狀態(tài)演化，并根據(jù)實時監(jiān)測結(jié)果與理論預(yù)期狀態(tài)進行對比分析，控制誤差范圍，使得橋梁按照預(yù)想的狀態(tài)成橋，滿足橋梁運營要求。

施工監(jiān)控就是對橋梁若干技術(shù)指標(biāo)進行監(jiān)測分析，并采用誤差調(diào)整控制的方法，使得該技術(shù)指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)狀態(tài)演化要求。因而施工監(jiān)控的目的就是進行誤差分析，并通過誤差反饋調(diào)整，保證橋梁達到預(yù)期成橋狀態(tài)[1]。如果橋梁不重視施工監(jiān)控，有可能使得成橋應(yīng)力狀態(tài)和線形狀態(tài)與預(yù)期不符，給橋梁運營帶來持續(xù)的隱患；嚴重的甚至導(dǎo)致橋梁施工過程梁體開裂、破壞、倒塌等問題[2,3]，因此需要重視橋梁的施工監(jiān)控。

論文首先分析橋梁施工過程中誤差的基本特點，并討論各種誤差的特點和原因，通過對不同成因的機理分析，提出誤差反饋調(diào)整機制，使得橋梁按照給定的施工狀態(tài)演化，最終達到預(yù)期成橋使用狀態(tài)。

2 橋梁施工的誤差特點

施工誤差就是實際施工過程的測試值與理論計算值之間的偏差，根據(jù)橋梁施工特點，其誤差類型主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差，這也是施工中對橋梁狀態(tài)最為關(guān)心的。

圖1. 橋梁施工的誤差關(guān)系

系統(tǒng)而言，結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差由施工誤差、測量誤差和理論誤差三個方面決定，如圖1所示。測量誤差是施工中各參數(shù)指標(biāo)測試值并不一定反應(yīng)實際值，由于傳感器自身性能的影響以及安裝使用方法不準(zhǔn)確等問題導(dǎo)致，常見的測量誤差包括溫度、應(yīng)力、變形的測量值，這些誤差將直接導(dǎo)致橋梁施工狀態(tài)評估的差異。理論誤差則是理論分析存在的偏差，例如橋梁施工中各參數(shù)的理論值往往需要通過有限元分析確定，這時候有限元計算的準(zhǔn)確性、模型選擇適宜性、邊界與荷載處理方式等，都與實際存在偏差。理論誤差可以通過提高橋梁工程知識來提高，而測量誤差可以提高傳感器性能以及規(guī)范傳感器的安裝和測試等工作實現(xiàn)，因此這里都不詳細考慮。

施工誤差則是由于施工質(zhì)量控制不合理導(dǎo)致。橋梁施工的過程應(yīng)該是按照圖紙進行放樣的過程，但由于實際施工的復(fù)雜性，加上施工操作人員的因素，使得施工完成的構(gòu)件并不能達到理想值，這些使得橋梁實際狀態(tài)差別于理論預(yù)期值。由于橋梁施工是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，特別是對于大跨度橋梁，一方面根據(jù)上述誤差類型的本質(zhì)進行控制，例如提高現(xiàn)場施工人員的工程素養(yǎng)，提高施工準(zhǔn)確性等；另一方面則應(yīng)該通過誤差產(chǎn)生的結(jié)果進行分析，尋找調(diào)控機制。

3 橋梁施工的誤差分析

通過橋梁施工產(chǎn)生的誤差結(jié)果，尋找誤差成因和根源，是針對復(fù)雜橋梁施工監(jiān)控的有效手段。橋梁施工過程中存在諸多可變條件，為了達到監(jiān)測和控制橋梁狀態(tài)的目的，一般通過線形和應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果進行調(diào)控。實際上線形和應(yīng)力兩者之間存在一定耦合關(guān)系，以下則針對線形和應(yīng)力的誤差進行分別分析。

3.1線形誤差分析

線形誤差是施工橋梁的軸線、標(biāo)高等參數(shù)與理論形成的偏差，不同的橋梁結(jié)構(gòu)型式其誤差特點也有差異。

梁式橋結(jié)構(gòu)主要是標(biāo)高誤差，隨著橋梁施工的開展，梁體標(biāo)高由于施工偏差等原因，會與理論標(biāo)高存在偏差，這種偏差會進行累積，直至影響橋梁的合攏，特別是對于懸臂施工工藝。因而施工過程中需要對橋梁的標(biāo)高進行觀測，出現(xiàn)誤差及時調(diào)整。

拱式橋結(jié)構(gòu)主要是主梁標(biāo)高和拱軸線偏差，主梁標(biāo)高同樣可以根據(jù)梁式橋進行調(diào)整，拱軸線偏差則對拱的受壓狀態(tài)產(chǎn)生非常顯著的影響，在拱體結(jié)構(gòu)的拼裝過程中，需要特別關(guān)注對拱軸線的監(jiān)測調(diào)控。

斜拉橋的線形偏差也主要體現(xiàn)在主梁標(biāo)高上，對于懸臂施工的斜拉橋主梁，主梁標(biāo)高與斜拉索張拉力高度相關(guān)，因此需要通過張拉斜拉索及時調(diào)整主梁標(biāo)高誤差。

懸索橋的線形偏差有主梁標(biāo)高和纜索標(biāo)高兩部分，空纜線形對于主纜后續(xù)承擔(dān)荷載起到了關(guān)鍵作用，因此施工中只有達到空纜預(yù)期位置才能進行下一步的施工操作，而加勁梁吊裝過程中需要實時監(jiān)測主纜變形，通過倒裝分析推導(dǎo)各個加勁梁吊裝情況下的主纜標(biāo)高變化，并及時調(diào)整可能誤差。

3.2應(yīng)力誤差分析

橋梁施工偏差可能會產(chǎn)生橋梁應(yīng)力狀態(tài)的變化，這是非常危險的，很可能導(dǎo)致構(gòu)件破損和倒塌，直接形成安全威脅。橋梁的應(yīng)力誤差則根據(jù)構(gòu)件受力特點進行分析，一般而言索塔和墩柱承受較大的壓應(yīng)力儲備，因此其應(yīng)力誤差所引起的結(jié)果不是最主要的，最關(guān)鍵的在于主梁和索結(jié)構(gòu)，針對不同構(gòu)件特點，其應(yīng)力誤差分析如下。

混凝土梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力誤差直接影響是開裂問題，由于混凝土較低的抗拉強度，使得多數(shù)混凝土橋梁都需要采用預(yù)應(yīng)力施加壓應(yīng)力儲備。梁橋、拱橋和懸索橋在施工過程主梁主要以受彎為主，因此需要特別關(guān)注負彎矩區(qū)的混凝土應(yīng)力指標(biāo)；斜拉橋在施工中主梁處于壓彎狀態(tài)，因此除了關(guān)注負彎矩區(qū)開裂問題還需要關(guān)注索塔處主梁的壓潰問題，招寶山大橋施工事故就是由于主梁壓潰所致。鋼梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力誤差所帶來的風(fēng)險是鋼板局部屈曲問題，由于鋼構(gòu)件屬于細長桿件，板件的局部屈曲一直是其設(shè)計的難點。受彎為主的鋼梁結(jié)構(gòu)需要關(guān)注受壓區(qū)腹板和底板的加勁問題，壓彎為主的鋼梁則同樣關(guān)注壓彎區(qū)的板件構(gòu)造與連接，避免施工中出現(xiàn)失穩(wěn)風(fēng)險。

纜索構(gòu)件的應(yīng)力誤差主要是連接失效風(fēng)險，纜索系統(tǒng)主要受軸力作用，由于纜索結(jié)構(gòu)較大的抗拉強度，一般不存在安全風(fēng)險，主要是纜索與其他構(gòu)件的連接問題。

3.3誤差成因分析

通過分析線形誤差和應(yīng)力誤差對結(jié)構(gòu)形成的潛在風(fēng)險，由于線形誤差往往和應(yīng)力誤差直接關(guān)聯(lián)，因而需要尋找產(chǎn)生上述誤差的原因。

首先，施工誤差是產(chǎn)生線形和應(yīng)力誤差的主要主觀因素，這其中包括施工人員執(zhí)行問題，也涵蓋施工制度問題。其次，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜性是一個重要客觀因素，例如混凝土的收縮徐變效應(yīng)，現(xiàn)如今對混凝土的收縮徐變考慮都僅僅在材料層次，且針對線性徐變問題，但是橋梁中混凝土受到各種構(gòu)件約束，且高應(yīng)力區(qū)域的混凝土徐變是非線性特征，對混凝土收縮徐變把握不準(zhǔn)確使得預(yù)應(yīng)力損失估計不準(zhǔn)確，導(dǎo)致產(chǎn)生誤差；最后，施工環(huán)境差異也是重要客觀因素，施工中因為溫度變化以及風(fēng)荷載影響等，也會產(chǎn)生始料未及的施工誤差。

通過線形和應(yīng)力誤差特點的分析，結(jié)合誤差的成因機制，采用誤差反饋機制進行施工調(diào)控，保證橋梁狀態(tài)回到理論狀態(tài)上來。

4 誤差反饋調(diào)整機制

通過各個工序的監(jiān)控數(shù)據(jù)誤差分析，尋找誤差的類型和成因，就可以通過調(diào)控施工監(jiān)控目標(biāo)達到理想成橋狀態(tài)[4]，如圖2所示。

圖2. 橋梁施工的誤差反饋調(diào)整流程

4.1誤差調(diào)整方法

誤差調(diào)整可以通過多種方法進行，例如基于隨機狀態(tài)估計的卡爾曼濾波法，基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和誤差反向推導(dǎo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，基于誤差最小化的最小二乘法等，這些方法都為提供自適應(yīng)誤差調(diào)整機制提供了技術(shù)手段和方法理論，以這些理論為基礎(chǔ)，則需要根據(jù)橋梁施工中可以調(diào)控的目標(biāo)，根據(jù)誤差可接受水準(zhǔn)進行調(diào)整控制。

4.2誤差調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)

不同橋梁結(jié)構(gòu)和跨徑所接受的誤差范圍并不相同。線形方面，梁橋軸線和高程誤差需控制在±5mm和±10mm，懸臂合攏端在±20mm；轉(zhuǎn)體施工拱橋標(biāo)高在± 10mm，懸臂施工標(biāo)高在±20mm，而合攏后標(biāo)高和軸線都應(yīng)該在±10mm；斜拉懸索橋混凝土梁合攏和成橋誤差在±15mm和±10mm；鋼梁則是±20mm和±15mm。應(yīng)力方面，混凝土構(gòu)件在大于10MPa情況下應(yīng)該誤差不超過±5MPa，低于10MPa則控制在±1.5MPa；鋼構(gòu)件應(yīng)力大于60MPa控制在±10MPa，低于60MPa則控制在± 6MPa；纜索軸力誤差控制在±5%以內(nèi)。在上述誤差范圍之外，則需要進行施工調(diào)控。

4.2誤差調(diào)節(jié)手段

橋梁施工調(diào)控可通過施工中能夠調(diào)整的因素對橋梁線形和狀態(tài)進行調(diào)整。

首先，針對混凝土梁橋的線形和應(yīng)力問題，可以通過調(diào)整張拉預(yù)應(yīng)力控制梁橋的應(yīng)力狀態(tài)，并調(diào)整立模標(biāo)高調(diào)整梁橋的線形狀態(tài)，一般需要通過預(yù)應(yīng)力張拉和立模標(biāo)高調(diào)整雙控方法，達到預(yù)期線形和受力狀態(tài)。

其次，針對拱橋結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整吊桿張拉力和梁體預(yù)應(yīng)力方式，調(diào)整主梁的應(yīng)力和線形；對于拱軸線的偏差問題，則應(yīng)該在施工中及時調(diào)整拼裝預(yù)拋進行調(diào)整。

對于斜拉橋線形和受力狀態(tài)，以調(diào)整拉索施工索力為主要手段，輔以梁橋預(yù)應(yīng)力張拉進行雙向調(diào)控，但需要保證索力的均勻性和協(xié)調(diào)性。

對于懸索橋線形和受力狀態(tài)，通過微調(diào)張拉吊桿力，使得加勁梁線形和受力滿足要求。對于主纜線形偏差問題，應(yīng)該在空纜狀態(tài)進行考慮，一旦空纜架設(shè)成型且已安裝加勁梁，不能再調(diào)控主纜線形。

上述調(diào)控手段需要輔以施工糾偏理論分析，使得通過一次性調(diào)整解決施工誤差。需要避免多次施工調(diào)控，因為如果第一次誤差調(diào)整不到位，后續(xù)的多次調(diào)整將嚴重影響橋梁已有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

5 結(jié)論

橋梁狀態(tài)具有顯著的應(yīng)力歷史途徑，其成橋與所采用的施工方法高度相關(guān)，施工監(jiān)控則是確保橋梁按照給定施工過程，達到合理狀態(tài)的控制管理方法。論文針對橋梁施工的誤差問題，通過對誤差特點與誤差原因的分析，總結(jié)了最為關(guān)注的橋梁線形誤差和應(yīng)力誤差的成因，并歸納了誤差反饋調(diào)整機制，總結(jié)了調(diào)整方法、調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)節(jié)手段，保障橋梁施工達到合理成橋狀態(tài)。

[1]甘雨.大跨橋梁施工監(jiān)測應(yīng)力誤差分析[J]. 中國水運 (理論版), 2007, 1： 043.

[2]李輝.公路橋梁施工狀態(tài)誤差及其標(biāo)準(zhǔn)分析[J]. 交通世界, 2016 (27)： 72-73.

[3]徐有為,鄒毅松. 橋梁施工控制中監(jiān)測應(yīng)力誤差分析[J]. 施工技術(shù), 2007, 1.

[4]侯海元.橋梁施工中的誤差分析及控制措施[J]. 科技資訊, 2007 (17)： 63-63.

Error analysis of feedback adjustment in bridge construction

HUANG Guangpeng
Guangdong Hengzhou Road and Bridge Construction Co., Ltd., Shaoguan, 512023

The bridge construction errors are discussed. Wherein, errors of structural parameters are the main concern in bridge construction monitoring and control. Error types including profile error and stress error and their causes are analyzed. Their potential threats on bridge safety are also highlighted. Finally, the feedback adjustment to bridge construction errors are summarized from three aspects of method, standard and measure, to ensure that bridge reaches a rational complete state after construction.

bridge; construction control; error analysis; self-adaption; feedback adjustment

U45

B

1007-6344（2017）04-0018-02

黃光鵬（1979-），男，漢族，湖南邵東人，本科。建筑工程師、一級建造師，從事市政路橋施工工作。