摘要：濟寧市京杭運河新建輔道橋主橋采用連續(xù)梁橋懸臂拼裝施工，施工控制是分階段成形橋梁施工控制的重點和難點，鋼梁線形控制精度要求高，在現(xiàn)場拼裝時需要保證成橋平面及豎曲線線形，控制難度大。文章分析了傳統(tǒng)施工控制方法的不足與無應(yīng)力狀態(tài)法的應(yīng)用原理。采用橋梁專用有限元軟件Midas"Civil進行施工前有限元仿真計算。基于無應(yīng)力狀態(tài)法理論提出了通過遠端調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)懸臂拼裝快速合攏的方法，降低施工控制難度，加快進度提高效率。

關(guān)鍵詞：橋梁與隧道工程""無應(yīng)力狀態(tài)法""施工控制技術(shù)""分階段施工橋梁"""MIDAS模型

中圖分類號：U445.4"""""文獻標識碼：A

Bridge"Remote"Control"Technology"for"Cantilever"Construction"Based"on"the"Sress-Free"State"Method

WU"Zhengyi

（Shanghai"Civil"Engineering"Co.，"Ltd."of"CREC，"Shanghai，"201906"China）

Abstract：The"main"bridge"of"the"newly-built"auxiliary"road"bridge"of"the"Beijing-Hangzhou"Canal"in"Jining"City"adopts"continuous"bridge"cantilever"assembly"construction."Construction"control"is"the"key"and"difficult"point"of"the"construction"control"of"the"shaped"bridge"in"stages，"the"requirements"of"steel"beam"linear"control"accuracy"are"high，""it"is"necessary"to"ensure"the"plane"and"vertical"curve"linear"shape"of"the"finished"bridge"when"assembling"on"site，"so"it"is"difficult"to"control."This"paper"analyzes"the"shortcomings"of"traditional"construction"control"methods"and"the"application"principle"of"the"stress-free"state"method，"uses"Midas"Civil，"a"special"finite"element"software"for"bridges，"to""carry"out"finite"element"simulation"calculation"before"construction，"and"proposes""a"method"to"realize"the"rapid"closing"of"cantilever"assembly"through"the"remote"adjustment"method"based"on"the"theory"of"the"stress-free"state"method，""so"as"to"reduce"the"difficulty"of"construction"control，""accelerate"progress"and"improve"efficiency.

Key"Words：Bridge"and"tunnel"engineering；Unstressed"state"method；Construction"control"technology；Bridge"constructed"by"stages；MIDAS"model

復(fù)雜體系的橋梁建設(shè)中多采用分階段施工的方法，橋梁多階段施工與復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換是分階段施工橋梁比較大的難題。為保證成橋狀態(tài)下的內(nèi)力及線形滿足設(shè)計目標，施工過程中的內(nèi)力及線形處于安全狀態(tài)，需要進行施工過程的控制。

傳統(tǒng)施工控制方法通過逐階段計算以及數(shù)值累加，得到各施工階段結(jié)構(gòu)變形與成橋目標差，各階段之間緊密聯(lián)系，各階段與最終成形狀態(tài)的內(nèi)力和線形與施工過程密切相關(guān)，受到施工工藝及施工荷載的影響[1]。

秦順全院士提出了一種解決橋梁分階段施工的理論控制方法——無應(yīng)力狀態(tài)控制[2]。無應(yīng)力狀態(tài)控制法指出，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的變化是由無應(yīng)力狀態(tài)量引起的，只要結(jié)構(gòu)單元的無應(yīng)力狀態(tài)量、最終成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)支撐條件以及所承受的外荷載一致，則結(jié)構(gòu)分段施工過程對最終成橋狀態(tài)的內(nèi)力及線形不產(chǎn)生影響。無應(yīng)力狀態(tài)控制法的出現(xiàn)降低了施工工藝及施工荷載帶來的影響，使復(fù)雜體系分階段施工橋梁的施工控制有了質(zhì)的改變。該方法現(xiàn)已在國內(nèi)多座橋梁的施工控制中成功運用[3]。

葉再軍等人[4]研究發(fā)現(xiàn)不同合龍順序，合龍時合龍段無應(yīng)力狀態(tài)量的不同，從而造成成橋位移和內(nèi)力的不同。韋輝[5]分別利用無應(yīng)力狀態(tài)法、倒拆-正裝迭代法和正裝迭代法確立了理想施工狀態(tài)，說明了無應(yīng)力狀態(tài)法在鋼桁架拱橋中施工控制中的顯著優(yōu)勢。楊繼承等人[6]提出了基于成橋彎矩和誤差控制兩大參數(shù)的吊裝節(jié)段劃分原則，并運用無應(yīng)力狀態(tài)基本理論進行了施工控制計算和施工階段誤差修。

1"傳統(tǒng)施工控制方法

傳統(tǒng)施工控制中，常采用倒拆-正裝迭代法獲得橋梁在各施工階段的變形和累積變形，首先在不考慮各種非線性問題的情況下進行倒拆計算，再根據(jù)倒拆計算結(jié)果，考慮各種非線性的影響進行正裝計算。而后去除正裝計算時的各種非線性影響再進行倒拆計算，按此步驟循環(huán)計算直至計算結(jié)果收斂。

通過倒拆-正裝迭代法，計算每一個施工階段結(jié)構(gòu)變形與成橋目標差，進而將此累積變形預(yù)先補償在施工階段，反向設(shè)置為施工預(yù)拱度，通過設(shè)置施工預(yù)拱度來實現(xiàn)成橋線形，消除恒載、施工臨時荷載、預(yù)應(yīng)力損失等荷載對橋梁線形的影響。按照計算的施工預(yù)拱度分節(jié)段確定制造線形，在施工過程中按施工階段測量結(jié)構(gòu)實際位形，計算施工階段實際位形與理論安裝位置偏差，在下一施工階段反向調(diào)節(jié)施工預(yù)拱度。最后循環(huán)“安裝—測量—調(diào)整—安裝”，直至合攏成橋。

成橋豎向位移的計算采用切線初始位移法[7]，將下一連接節(jié)點的初始位移沿著已成梁段懸臂端切線上設(shè)置，把到結(jié)點偏移零位置的距離作為累積位移值。大跨度連續(xù)梁橋平面線型施工放樣通過全站儀采用偏角法[8]，在進行實際放樣過程中，主橋位于大半徑曲線段和直線段上。

無論是切線位移法或是偏角法，理論計算雖然可以得到較為準確的施工預(yù)拱度，但結(jié)構(gòu)截面變形往往被忽略，即便是考慮了結(jié)構(gòu)截面變形，但施工拼裝時前后節(jié)段的應(yīng)力狀態(tài)不一致，拼接面焊接后應(yīng)力重分布造成新安裝節(jié)段產(chǎn)生變形偏離理論位置。

分階段施工橋梁有下3種線形，即制造線形、安裝線形以及成橋線形。制造線形是節(jié)段在工廠預(yù)制階段處于無應(yīng)力狀態(tài)下的設(shè)計線形；安裝線形是橋梁結(jié)構(gòu)中各個新安裝節(jié)段自由端在安裝過程中與已成梁段懸臂端連接所成的線形；成橋線形也稱目標線形，是橋梁建完后充分考慮混凝土的收縮徐變、鋼材松弛等因素后的線形。

就鋼箱梁懸臂拼裝而言，由于橋梁的安裝線形與施工過程密切相關(guān)，不同施工過程及荷載會得到不同的安裝線形，若僅按照橋梁的安裝線形進行施工控制，通常會由施工時的轉(zhuǎn)角誤差累積產(chǎn)生較大誤差。而橋梁的制造線形是無應(yīng)力線形，與施工過程無關(guān)，可以通過保證橋梁節(jié)段安裝時的無應(yīng)力狀態(tài)，最終獲得較為理想的成橋線形。根據(jù)無應(yīng)力狀態(tài)法原理，可以按一次成橋方式計算直接得到主梁的制造線形。

2"無應(yīng)力狀態(tài)法理論

無應(yīng)力狀態(tài)控制法推廣了近20年，從理論分析計算到實際應(yīng)用建立了一套完整的體系，使得橋梁建設(shè)在施工控制領(lǐng)域向前邁出一大步。但由于各種原因，很多人對此方法的理解存在偏差，缺乏運用該理論解決實際工程問題的辦法，因此也制約著該項技術(shù)在橋梁施工控制領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，通過大量的工程實例，證明該方法不僅可行而且高效，打破傳統(tǒng)施工方法使得工程技術(shù)人員告別繁瑣的計算分析，直接有效地解決橋梁施工控制中的難題，推動了我國橋梁施工技術(shù)水平的進步[9]。

橋梁施工過程的安全和成橋狀態(tài)是否能滿足設(shè)計要求是橋梁建設(shè)者必須解決的問題。橋梁施工是一個系統(tǒng)工程，橋梁施工過程也就是該系統(tǒng)的運行過程，施工過程中結(jié)構(gòu)的安全和成橋狀態(tài)就是橋梁施工控制目標?，F(xiàn)場施工中不可避免地存在各種誤差，使得橋梁各個構(gòu)件與設(shè)計狀態(tài)存在偏差。在橋梁節(jié)段拼裝焊接過程中，如果上述偏差逐漸積累，而不加以控制和調(diào)整，各構(gòu)件的位置將會顯著偏離設(shè)計目標，容易造成結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)、局部內(nèi)力超標，從而影響成橋的內(nèi)力和線形。

根據(jù)無應(yīng)力狀態(tài)理論，在結(jié)構(gòu)處于彈性變形范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)無論承受什么樣的作用，當外界作用撤除后，結(jié)構(gòu)必然恢復(fù)到原始狀態(tài)，即只要保持結(jié)構(gòu)形成過程不產(chǎn)生附加內(nèi)力，無論結(jié)構(gòu)如何，形成其結(jié)果都是一樣的，所以施工控制時只需要保持節(jié)段連接保持無應(yīng)力對接或者處于相同應(yīng)力狀態(tài)連接，連接完成后結(jié)構(gòu)內(nèi)部不發(fā)生內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)成形狀態(tài)就不會偏離設(shè)計結(jié)果。

通過結(jié)合濟寧市快速路（一期）濟寧大道Ⅱ標段京杭運河新建輔道橋主橋工程，見圖1，運用無應(yīng)力狀態(tài)法研究實現(xiàn)成橋狀態(tài)控制技術(shù)。根據(jù)無應(yīng)力狀態(tài)法施工控制理論，無應(yīng)力狀態(tài)量（單元無應(yīng)力長度和單元無應(yīng)力曲率兩個狀態(tài)量的總稱）是一個結(jié)構(gòu)的固有量，如同結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、密度等一樣，只要不對結(jié)構(gòu)本身進行變動，這種本質(zhì)的特性是不會變化的，所以可利用其建立起結(jié)構(gòu)任意兩個狀態(tài)的內(nèi)在關(guān)系。故依據(jù)在保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率不變的前提下，結(jié)構(gòu)的最終內(nèi)力和位移與施工過程無關(guān)的思想，建立橋梁中間施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)的聯(lián)系，可以解決節(jié)段拼裝連續(xù)鋼箱梁橋中間施工過程的構(gòu)件變形及受力不確定性問題。

利用無應(yīng)力狀態(tài)法的特點，將施工環(huán)境影響因素包括溫度、施工荷載等作為過程因素，不會影響成橋結(jié)果，有效地減少了施工控制中的干擾因素，降低施工難度，減少環(huán)境影響，提高施工效率

3"施工前有限元仿真計算

采用有限元軟件Midas"Civil進行模擬計算，見圖2，鋼箱梁采用梁單元模擬，分析鋼箱梁安裝過程，明確每個節(jié)段立模標高，作為線形控制的依據(jù)。對橋梁施工全過程每一個施工階段的結(jié)構(gòu)變形（線形）、內(nèi)力進行計算。

根據(jù)成橋設(shè)計線形、內(nèi)力狀態(tài)目標值，結(jié)合現(xiàn)場施工組織和安裝設(shè)備、臨時設(shè)施情況，分析計算具體的合龍施工控制指標，以使成橋線形及內(nèi)力狀態(tài)滿足設(shè)計目標。合龍后的梁單元應(yīng)力圖、位移等值線圖，見圖3、圖4。

4"遠端調(diào)節(jié)的合攏拼裝技術(shù)

懸臂拼裝技術(shù)中一般的合攏方法是通過調(diào)整施工預(yù)拱高度或施加配重、扒桿拉索等方式調(diào)整合攏段的高程使得兩端在線形上對接合攏，此時已經(jīng)無法考慮成橋后狀態(tài)是否符合設(shè)計，主要問題是施工過程中的偏差已經(jīng)累積，合攏時沒有太大的調(diào)整空間，只好強迫合攏。

結(jié)合實際工程，深入研究連續(xù)梁橋懸臂拼裝施工全過程的力學(xué)機理，分析了施工過程內(nèi)力和位移的變化和累積規(guī)律，以及橋梁體系轉(zhuǎn)換過程對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形狀態(tài)的影響，在連續(xù)梁橋懸臂拼裝施工中，拼裝合攏狀態(tài)直接關(guān)系到成橋后的線形和內(nèi)力能否滿足設(shè)計要求，由于橋梁施工過程歷經(jīng)階段和體系轉(zhuǎn)換等影響，造成橋梁施工合攏時出現(xiàn)偏差過大一直是橋梁懸臂拼裝施工的難題。

根據(jù)橋梁無應(yīng)力狀態(tài)理論，如果在橋梁合龍時能夠?qū)⒑淆埰唇用嬲{(diào)整到符合無應(yīng)力狀態(tài)的相對位置，即拼接面高度、截面轉(zhuǎn)角相對一致，合龍后的結(jié)構(gòu)就不會出現(xiàn)次內(nèi)力，成橋狀態(tài)自然符合設(shè)計要求。

基于無應(yīng)力狀態(tài)法理論提出了通過遠端調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)懸臂拼裝快速合攏的方法，簡化了懸臂拼裝施工控制工藝，忽略施工過程中的階段性影響因素，直接建立了成橋狀態(tài)和制造狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，降低了施工過程控制的難度，提高了施工效率。遠端調(diào)節(jié)裝置布置、線形、彎矩見圖5。在懸臂拼裝施工合龍端的遠端支墩處設(shè)置主梁頂升裝置、防護裝置及縱向頂推裝置，通過提前預(yù)留落梁空間，在橋梁合攏階段利用頂升裝置將合龍端遠端支墩處主梁下降或上升位移調(diào)整合攏端高程，并適當調(diào)整縱向合適位置，待主梁合攏后再將遠端支墩處主梁復(fù)位到設(shè)計位置安裝此處支座，達到快速調(diào)整合龍端姿態(tài)，優(yōu)化主梁成橋狀態(tài)的目的。同時，懸臂拼裝跨遠端支座受力小，降低調(diào)節(jié)裝置復(fù)雜性，降低造價。

在兩側(cè)主梁合龍時，通過遠端臨時支架上的千斤頂頂升或落底遠端主梁將合龍端調(diào)整到預(yù)定高度，此時兩側(cè)懸臂端截面處于無應(yīng)力狀態(tài)的相同高度和相同傾角，通過調(diào)整非固定支座側(cè)主梁縱向移位將兩截面對接錨固，焊接后釋放遠端縱向約束，利用兩側(cè)遠端千斤頂將遠端梁標高移至設(shè)計標高，合龍完成的主梁在自重和遠端頂升作用下形成新的內(nèi)力平衡和線形即為設(shè)計成橋狀態(tài)。

該方法不僅簡化了懸臂拼裝施工控制工藝降低了施工控制的難度、降低施工成本加快進度提高效率，還可以優(yōu)化主梁成橋內(nèi)力，有效解決懸臂拼裝施工合攏困難。

遠端調(diào)節(jié)的合攏拼裝技術(shù)先進性分析具體如下。

（1）基于無應(yīng)力狀態(tài)法原理，保證合攏時無應(yīng)力拼接即可保證成橋狀態(tài)符合設(shè)計。

（2）忽略施工過程中各種階段性作用的影響，直接建立了成橋狀態(tài)和制造狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，降低了施工過程控制的難度，提高了施工效率。

（3）懸臂拼裝跨遠端支座受力小，降低調(diào)節(jié)裝置復(fù)雜性，降低造價。

5"結(jié)語

文章分析了傳統(tǒng)施工控制方法的不足與無應(yīng)力狀態(tài)法的應(yīng)用原理，并利用橋梁專用有限元軟件Midas"Civil進行模擬計算，分析施工過程內(nèi)力和位移的變化和累積規(guī)律，作為線形控制的依據(jù)。基于無應(yīng)力狀態(tài)法理論提出了通過遠端調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)懸臂拼裝快速合攏的方法，解決傳統(tǒng)懸臂拼裝施工方法中線形控制復(fù)雜、施工進度緩慢、安全風險大的問題，同時大大改善了成橋狀態(tài)和質(zhì)量，為同類結(jié)構(gòu)施工提供了有益的參考。

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