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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(guò)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(guò)程變化而偏離設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)允許的內(nèi)力和位移，若不通過(guò)有效的施工控制及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)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(jì)要求或在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的不安全。

在施工過(guò)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(guò)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(guò)大的應(yīng)力，必須對(duì)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(guò)程中的安全，并保證在成橋后主梁線形符合設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于分階段懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁來(lái)說(shuō)，施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測(cè)所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行施工階段計(jì)算，確定出每個(gè)懸澆階段的立模標(biāo)高，并在施工過(guò)程中根據(jù)施工監(jiān)測(cè)的成果對(duì)誤差進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和對(duì)下一階段立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)保證成橋后的橋面線形、保證合攏段懸臂標(biāo)高的相對(duì)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(jì)要求。

對(duì)該橋進(jìn)行施工監(jiān)控的目的就是確保施工過(guò)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(jì)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(duì)梁體線形進(jìn)行重點(diǎn)控制。在控制過(guò)程中，監(jiān)控方采用自適應(yīng)控制方法對(duì)本橋進(jìn)行線形控制，采用最小二乘法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、估計(jì)，見(jiàn)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(diǎn)

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(guò)程中如不施加額外的壓重，成橋后內(nèi)力狀態(tài)一般不會(huì)偏離設(shè)計(jì)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(duì)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(méi)有調(diào)整的余地，且這一調(diào)整量也是非常有限的，而且對(duì)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(duì)未施工梁段可以通過(guò)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(guò)幾個(gè)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(diǎn)是，已完成梁段的誤差無(wú)法調(diào)整，而未完成梁段的立模標(biāo)高只與正裝模擬計(jì)算有關(guān)，與已完成梁段的誤差基本無(wú)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(jì)算，在連續(xù)剛構(gòu)施工控制中一般不起作用。同時(shí)，上半環(huán)，即參數(shù)估計(jì)及對(duì)計(jì)算模型的修正就顯得尤為重要，只有與實(shí)際施工過(guò)程相吻合的計(jì)算模型計(jì)算出的預(yù)報(bào)標(biāo)高才是可實(shí)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(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，施工中每個(gè)工況的受力狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計(jì)所確定的理想目標(biāo)的重要原因是有限元計(jì)算模型中的計(jì)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(shí)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(shí)測(cè)到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正計(jì)算模型中的這些參數(shù)值，以使計(jì)算模型在與實(shí)際結(jié)構(gòu)磨合一段時(shí)間后，自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)參數(shù)辯識(shí)過(guò)程，整個(gè)控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

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

對(duì)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(duì)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(lái)的誤差對(duì)全橋線形的影響較小，這對(duì)于上述自適應(yīng)控制思路的應(yīng)用是非常有利的。經(jīng)過(guò)幾個(gè)節(jié)段的施工后，計(jì)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(shí)施流程

施工控制按照施工→量測(cè)→識(shí)別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過(guò)程，其實(shí)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(shí)際上不論是理論分析得到的理想狀態(tài)還是實(shí)際施工都存在誤差，所以，對(duì)本橋進(jìn)行施工控制的核心任務(wù)就是對(duì)各種誤差進(jìn)行分析、識(shí)別、調(diào)整，對(duì)結(jié)構(gòu)未來(lái)狀態(tài)做出預(yù)測(cè)。

對(duì)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(méi)有調(diào)整的余地，而只能針對(duì)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(shí)現(xiàn)，最根本的就是對(duì)立模標(biāo)高做出盡可能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，依靠預(yù)測(cè)控制。

鑒于本橋已完成階段的不可控性以及施工中對(duì)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(duì)其進(jìn)行控制?；舅悸窞楫?dāng)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果不符時(shí)，通常將誤差輸入到參數(shù)辨別算法中去調(diào)整計(jì)算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，得到修正的計(jì)算模型參數(shù)后，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段的反復(fù)識(shí)別后，計(jì)算模型就基本與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，從而對(duì)施工過(guò)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(jiàn)圖3。

3 結(jié)構(gòu)分析參數(shù)

3.1 荷載

（1）恒載：按設(shè)計(jì)圖提供的尺寸，并根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)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(shí)荷載,并考慮了橋面排水坡對(duì)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(jì)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(shí)際加載齡期的收縮、徐變的影響；

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

3.2 材料特性

計(jì)算中所采用的主要材料特性值見(jiàn)表1。

表1 計(jì)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(jì)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(yàn)結(jié)果，摩阻損失參數(shù)參考規(guī)范及設(shè)計(jì)圖取值。

3.5 混凝土加載齡期及外部環(huán)境

計(jì)算考慮外界環(huán)境為野外一般條件，每個(gè)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(shí)際情況不符，將根據(jù)實(shí)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(jì)算方法及計(jì)算模型

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

全橋總體計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 全橋計(jì)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(jì)圖紙所示施工階段及需完成工作將本橋劃分為42個(gè)施工階段。

4 梁體位移計(jì)算結(jié)果

4.1 成橋階段累計(jì)位移

按照設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算繞城高速48 m+80 m+48 m連續(xù)梁成橋階段累計(jì)位移見(jiàn)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(jì)位移。

圖5 成橋階段梁部累計(jì)位移

4.2 活載豎向位移

中-活載作用下箱梁向下的位移見(jiàn)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(guò)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(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。如果在確定立模標(biāo)高時(shí)考慮的因素比較符合實(shí)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(jì)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(jì)算公式如下：

式中：Hn為n號(hào)梁段前端立模高程；An為n號(hào)梁段前端設(shè)計(jì)高程；Bn為n號(hào)梁段前端計(jì)算撓度；Cn為n號(hào)梁段前端預(yù)計(jì)掛籃變形值；Dn為n號(hào)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(hào)梁段高程偏差調(diào)整值、計(jì)算與實(shí)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(yàn)確定的，在施工過(guò)程中加以考慮。根據(jù)上述計(jì)算式和監(jiān)控分析，可以計(jì)算出各梁段的預(yù)拱度（相對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)高），見(jiàn)圖7。

圖7 梁體預(yù)拱度

圖7中預(yù)拱度計(jì)算結(jié)果不包括掛籃變形，在施工中需要計(jì)入掛籃變形對(duì)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(yàn)與上階段澆筑混凝土?xí)r梁體及掛籃的變形來(lái)估算。

5 結(jié)論

施工監(jiān)控過(guò)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(guò)程中，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，調(diào)整了計(jì)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(shí)測(cè)位移和計(jì)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(diǎn)標(biāo)高與設(shè)計(jì)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(jì)及施工規(guī)范要求。說(shuō)明本橋懸臂階段的立模標(biāo)高合理，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(shí)際發(fā)生的位移與理論位移接近，說(shuō)明施工監(jiān)控所采用的計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)能反映該橋的實(shí)際狀況。

對(duì)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(duì)連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工組織方案，提出有針對(duì)性的線形控制方案，選擇適當(dāng)?shù)氖┕た刂品椒?，建立施工控制體系。

對(duì)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(duì)梁體撓度和預(yù)拱度進(jìn)行輔助預(yù)測(cè)。