甘季中，龐建利

（1.西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；3.蘭州民大土木工程科技有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

本論文研究對象為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，采用懸臂施工。該類橋梁的形成要經(jīng)過一個復(fù)雜的過程，施工工序和施工階段較多，各階段相互影響，且這種相互影響又有差異，這就造成各階段的內(nèi)力和位移隨著混凝土澆筑過程變化而偏離設(shè)計值的現(xiàn)象，甚至超過設(shè)計允許的內(nèi)力和位移，若不通過有效的施工控制及時發(fā)現(xiàn)、及時調(diào)整，就可能造成成橋狀態(tài)的梁體線形與內(nèi)力不符合設(shè)計要求或在施工過程中結(jié)構(gòu)的不安全。

在施工過程中，為保證合攏前懸臂端豎向撓度的偏差、主梁軸線的橫向位移不超過容許范圍、保證合攏后的橋面線形良好、保證在施工中主梁截面不出現(xiàn)過大的應(yīng)力，必須對該橋主梁的撓度、應(yīng)力等施工控制參數(shù)做出明確的規(guī)定，并在施工中加以有效的管理和控制，以確保該橋在施工過程中的安全，并保證在成橋后主梁線形符合設(shè)計要求。

對于分階段懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁來說，施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實值進(jìn)行施工階段計算，確定出每個懸澆階段的立模標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進(jìn)行分析、預(yù)測和對下一階段立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，以此來保證成橋后的橋面線形、保證合攏段懸臂標(biāo)高的相對偏差不大于規(guī)定值以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計要求。

對該橋進(jìn)行施工監(jiān)控的目的就是確保施工過程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性，保證橋梁成橋橋面線形及受力狀態(tài)符合設(shè)計要求，主要控制內(nèi)容為：主梁線形、受力。

1 施工控制基本理論

在繞城高速特大橋48 m+80 m+48 m連續(xù)梁的施工監(jiān)控中，對梁體線形進(jìn)行重點控制。在控制過程中，監(jiān)控方采用自適應(yīng)控制方法對本橋進(jìn)行線形控制，采用最小二乘法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、估計，見圖1。

圖1 繞城高速特大橋48 m+80 m+48 m連續(xù)梁施工監(jiān)控體系

1.1 連續(xù)梁橋施工控制的特點

本橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)在懸臂施工階段是靜定結(jié)構(gòu)，合攏過程中如不施加額外的壓重，成橋后內(nèi)力狀態(tài)一般不會偏離設(shè)計值很多，因此連續(xù)梁橋施工控制的主要目標(biāo)是控制主梁的線形。對于混凝土連續(xù)梁橋，若已施工梁段上出現(xiàn)誤差，除張拉預(yù)備預(yù)應(yīng)力束外，基本沒有調(diào)整的余地，且這一調(diào)整量也是非常有限的，而且對梁體受力不利。因此，一旦出現(xiàn)線形誤差，誤差將永遠(yuǎn)存在，對未施工梁段可以通過立模標(biāo)高調(diào)整已施工梁段的殘余誤差，如果殘余誤差較大，則調(diào)整需經(jīng)過幾個梁段才能完成。

根據(jù)上述分析，懸臂澆筑連續(xù)梁橋施工中標(biāo)高控制的特點是，已完成梁段的誤差無法調(diào)整，而未完成梁段的立模標(biāo)高只與正裝模擬計算有關(guān)，與已完成梁段的誤差基本無關(guān)。因此，在圖2自適應(yīng)施工控制原理圖中的下半環(huán)，即控制量反饋計算，在連續(xù)剛構(gòu)施工控制中一般不起作用。同時，上半環(huán)，即參數(shù)估計及對計算模型的修正就顯得尤為重要，只有與實際施工過程相吻合的計算模型計算出的預(yù)報標(biāo)高才是可實現(xiàn)的。

圖2 自適應(yīng)施工控制基本原理

1.2 自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)

對于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，施工中每個工況的受力狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計所確定的理想目標(biāo)的重要原因是有限元計算模型中的計算參數(shù)取值，主要是混凝土的彈性模量、材料的比重、徐變系數(shù)等，與施工中的實際情況有一定的差距。要得到比較準(zhǔn)確的控制調(diào)整量，必須根據(jù)施工中實測到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正計算模型中的這些參數(shù)值，以使計算模型在與實際結(jié)構(gòu)磨合一段時間后，自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律。在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再加上一個系統(tǒng)參數(shù)辯識過程，整個控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)測量到的受力狀態(tài)與模型計算結(jié)果不相符時，把誤差輸入到參數(shù)識別算法中去調(diào)節(jié)計算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實際測量到的結(jié)果相一致。得到修正的計算模型參數(shù)后，重新計算各施工階段的理想狀態(tài)，按照上述反饋控制方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。這樣，經(jīng)過幾個工況的反復(fù)辨識后，計算模型就基本上與實際結(jié)構(gòu)相一致了，在此基礎(chǔ)上可以對施工狀態(tài)進(jìn)行更好的控制。

對于采用懸臂拼裝或懸臂澆筑的橋梁，主梁在墩頂附近的相對線剛度較大，變形較小，因此，在控制初期，參數(shù)不準(zhǔn)確帶來的誤差對全橋線形的影響較小，這對于上述自適應(yīng)控制思路的應(yīng)用是非常有利的。經(jīng)過幾個節(jié)段的施工后，計算參數(shù)已得到修正，為跨中變形較大的節(jié)段的施工控制創(chuàng)造了良好的條件。

2 繞城高速80 m連續(xù)梁施工監(jiān)控實施流程

施工控制按照施工→量測→識別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過程，其實質(zhì)就是使施工按照預(yù)定的理想狀態(tài)順利推進(jìn)。由于實際上不論是理論分析得到的理想狀態(tài)還是實際施工都存在誤差，所以，對本橋進(jìn)行施工控制的核心任務(wù)就是對各種誤差進(jìn)行分析、識別、調(diào)整，對結(jié)構(gòu)未來狀態(tài)做出預(yù)測。

對于本橋，由于在梁段澆筑完成后，除張拉預(yù)備預(yù)應(yīng)力索外，基本沒有調(diào)整的余地，而只能針對已有誤差在下一未澆筑梁段的立模標(biāo)高上做出調(diào)整，所以，要保證本橋控制目標(biāo)的實現(xiàn)，最根本的就是對立模標(biāo)高做出盡可能準(zhǔn)確的預(yù)測，依靠預(yù)測控制。

鑒于本橋已完成階段的不可控性以及施工中對線形誤差的糾正措施的有限性，控制誤差的發(fā)生就顯得極為重要，所以施工中采用自適應(yīng)控制法對其進(jìn)行控制?；舅悸窞楫?dāng)結(jié)構(gòu)的實測狀態(tài)與模型計算結(jié)果不符時，通常將誤差輸入到參數(shù)辨別算法中去調(diào)整計算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實測結(jié)果一致，得到修正的計算模型參數(shù)后，重新計算各施工階段的理想狀態(tài)，經(jīng)過幾個階段的反復(fù)識別后，計算模型就基本與實際結(jié)構(gòu)一致，從而對施工過程進(jìn)行有效控制。

繞城高速特大橋48 m+80 m+48 m連續(xù)梁自適應(yīng)施工控制流程見圖3。

3 結(jié)構(gòu)分析參數(shù)

3.1 荷載

（1）恒載：按設(shè)計圖提供的尺寸，并根據(jù)施工現(xiàn)場采集的參數(shù)進(jìn)行必要的修正，考慮結(jié)構(gòu)梁體自重N=26.5 kN/m3；二期恒載170.32 kN/m和臨時荷載,并考慮了橋面排水坡對結(jié)構(gòu)重量和剛度的影響；

圖3繞城高速特大橋48 m+80 m+48 m連續(xù)梁自適應(yīng)施工控制方法流程圖

（2）溫度及混凝土收縮、徐變影響：計算中按規(guī)范考慮了結(jié)構(gòu)局部溫差效應(yīng)及考慮混凝土實際加載齡期的收縮、徐變的影響；

（3）預(yù)應(yīng)力：按規(guī)范計入預(yù)應(yīng)力損失,按設(shè)計圖分階段進(jìn)行張拉。

3.2 材料特性

計算中所采用的主要材料特性值見表1。

表1 計算所用材料特性

其中，混凝土的彈性模量、鋼絞線的彈性模量取自《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB10002.3-2005）。

3.3 混凝土收縮、徐變參數(shù)

混凝土收縮、徐變參數(shù)按照規(guī)范取值。

3.4 預(yù)應(yīng)力鋼束

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束彈性模量取自表1的試驗結(jié)果，摩阻損失參數(shù)參考規(guī)范及設(shè)計圖取值。

3.5 混凝土加載齡期及外部環(huán)境

計算考慮外界環(huán)境為野外一般條件，每個懸臂現(xiàn)澆梁段的加載齡期為7 d。在施工程中，混凝土加載齡期等參數(shù)可能與實際情況不符，將根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

3.6 掛籃重量

掛籃按照60.0 t考慮。

3.7 計算方法及計算模型

根據(jù)設(shè)計圖反映的內(nèi)容，對全橋總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進(jìn)行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態(tài)。計算模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將全橋主梁劃分為67個結(jié)點和66個單元。

全橋總體計算模型見圖4。

圖4 全橋計算模型

圖4中示出了成橋階段的預(yù)應(yīng)力鋼束。

3.8 主梁施工階段劃分

根據(jù)設(shè)計圖紙所示施工階段及需完成工作將本橋劃分為42個施工階段。

4 梁體位移計算結(jié)果

4.1 成橋階段累計位移

按照設(shè)計參數(shù)計算繞城高速48 m+80 m+48 m連續(xù)梁成橋階段累計位移見圖5，圖5中示出了成橋階段即二期恒載鋪裝后和收縮徐變3 650 d后的累計位移。

圖5 成橋階段梁部累計位移

4.2 活載豎向位移

中-活載作用下箱梁向下的位移見圖6。

圖6中活載作用下箱梁最大豎向位移

4.3 立模標(biāo)高的確定

在主梁的懸臂澆筑過程中，梁段立模標(biāo)高的合理確定，是關(guān)系到主梁線形是否平順、是否符合設(shè)計的一個重要問題。如果在確定立模標(biāo)高時考慮的因素比較符合實際，而且加以正確的控制，則最終橋面線形較為良好。

立模標(biāo)高并不等于設(shè)計橋梁建成后的標(biāo)高。一般要設(shè)置一定的預(yù)拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形（豎向撓度）。其計算公式如下：

式中：Hn為n號梁段前端立模高程；An為n號梁段前端設(shè)計高程；Bn為n號梁段前端計算撓度；Cn為n號梁段前端預(yù)計掛籃變形值；Dn為n號梁段前端高程調(diào)整值，包括考慮模板間隙、托架沉降、（n-1)號梁段高程偏差調(diào)整值、計算與實際撓度差值調(diào)整值等。

其中掛籃變形值是根據(jù)掛籃加載試驗確定的，在施工過程中加以考慮。根據(jù)上述計算式和監(jiān)控分析，可以計算出各梁段的預(yù)拱度（相對于設(shè)計標(biāo)高），見圖7。

圖7 梁體預(yù)拱度

圖7中預(yù)拱度計算結(jié)果不包括掛籃變形，在施工中需要計入掛籃變形對預(yù)拱度進(jìn)行修正。掛籃變形需要根據(jù)掛籃預(yù)壓試驗與上階段澆筑混凝土?xí)r梁體及掛籃的變形來估算。

5 結(jié)論

施工監(jiān)控過程中，應(yīng)用了自適應(yīng)控制理論進(jìn)行標(biāo)高控制，在施工過程中，根據(jù)實測結(jié)果與計算結(jié)果的對比，調(diào)整了計算模型的混凝土自重、預(yù)應(yīng)力張拉效應(yīng)、結(jié)構(gòu)收縮徐變效應(yīng)，使得各階段結(jié)構(gòu)的實測位移和計算位移基本接近。主要監(jiān)控結(jié)論如下。

（1）成橋階段所有節(jié)點標(biāo)高與設(shè)計線形的誤差均在1.5 cm以內(nèi)，滿足控制目標(biāo)要求；成橋線形平順，能保證后期鋪設(shè)橋面系的要求，滿足設(shè)計及施工規(guī)范要求。說明本橋懸臂階段的立模標(biāo)高合理，準(zhǔn)確地預(yù)測了本橋各施工階段梁體發(fā)生的位移。

（2）各施工階段梁體實際發(fā)生的位移與理論位移接近，說明施工監(jiān)控所采用的計算模型及計算參數(shù)能反映該橋的實際狀況。

對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，在施工監(jiān)控初期，應(yīng)針對連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)特點、施工組織方案，提出有針對性的線形控制方案，選擇適當(dāng)?shù)氖┕た刂品椒ǎ⑹┕た刂企w系。

對于本類橋梁，可采用自適應(yīng)可控制方法進(jìn)行施工控制，并采用灰色理論等方法對梁體撓度和預(yù)拱度進(jìn)行輔助預(yù)測。