連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工過程幾何控制機(jī)理研究

楊椿健

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土工藝的不斷完善,采用掛籃懸臂澆筑梁節(jié)段混凝土來建造大跨徑混凝土橋,實(shí)現(xiàn)無支架而靠自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工的先進(jìn)方法,使得預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁、連續(xù)剛構(gòu)橋和混凝土斜拉橋得到較大發(fā)展[1-4]。分段懸臂澆筑法是目前國內(nèi)外大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的主要施工方法[6,7],當(dāng)橋梁墩柱結(jié)構(gòu)施工完成后,從橋墩頂部澆筑 0號(hào)塊開始至全橋合龍,其間經(jīng)歷逐段立模澆筑混凝土梁節(jié)段,分批張拉預(yù)應(yīng)力鋼索和合龍等眾多施工工藝,在整個(gè)施工過程中,由于混凝土材料的非勻質(zhì)性、混凝土的收縮和徐變、大氣溫度、溫差的影響,加之各梁節(jié)段混凝土加載齡期不同的影響,會(huì)造成各梁節(jié)段的內(nèi)力和位移隨著混凝土澆筑過程而偏離預(yù)計(jì)值。因此,在梁的整個(gè)懸臂澆筑過程中必須進(jìn)行施工控制,以保證成橋的梁線形與設(shè)計(jì)一致。

1 基于自適應(yīng)控制原理的幾何線形控制理論分析

目前在國內(nèi)對(duì)于大跨徑橋梁的上部結(jié)構(gòu)線形施工監(jiān)控監(jiān)測,一般有兩種方法。方法一:采用糾偏終點(diǎn)控制的方法,即在施工過程中,對(duì)產(chǎn)生主梁線形偏差的因素跟蹤控制,隨時(shí)糾偏,最終達(dá)到理想線形,這種方法常用 Kalman濾波法和灰色理論等。方法二:應(yīng)用現(xiàn)代控制理論中的自適應(yīng)控制方法,所謂的自適應(yīng)控制法又稱參數(shù)識(shí)別修正法,就是在重復(fù)性很高的分段施工特別是懸臂[5]施工中,將可能引起結(jié)構(gòu)狀態(tài)誤差的參數(shù),例如截面幾何特性、材料容重、彈性模量、混凝土收縮徐變等參數(shù)作為未知變量,在各個(gè)施工階段中進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別,并將識(shí)別結(jié)果用于下一個(gè)階段的實(shí)時(shí)機(jī)構(gòu)分析,如此循環(huán)經(jīng)過若干個(gè)施工階段的計(jì)算可以使模型參數(shù)的取值和實(shí)際情況相吻合,從而主動(dòng)降低模型的參數(shù)誤差。下面就采用自適應(yīng)控制方法,考慮影響橋梁線形控制的多種因素推導(dǎo)各梁段的立模標(biāo)高。箱梁各節(jié)段理論立模標(biāo)高一般按下式確定:

考慮到混凝土結(jié)構(gòu)的溫度、收縮徐變和非線性等因素影響,實(shí)際情況和理論計(jì)算不可能一致,因此對(duì)理論立模標(biāo)高要不斷修正。箱梁實(shí)際立模標(biāo)高的計(jì)算公式可修正為:

2 幾何線形控制中關(guān)鍵參數(shù)的確定

自幾何線形控制中,預(yù)拱度、預(yù)拋高和掛籃變形需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)因素。預(yù)拱度指的是為抵消荷載在結(jié)構(gòu)作用下產(chǎn)生的撓度,而在施工中預(yù)留與位移方向相反的值。預(yù)拋高是懸臂施工中的一個(gè)重要參數(shù)。目前國內(nèi)一般做法是:各跨跨中預(yù)拋高值由設(shè)計(jì)單位根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出,然后按二次拋物線過渡,并疊加到設(shè)計(jì)線形上,最終形成預(yù)拋高曲線。掛籃是施工過程中的臨時(shí)結(jié)構(gòu),由于是后支點(diǎn)掛籃,對(duì)于整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的受力來說,相當(dāng)于簡支結(jié)構(gòu),所以掛籃的受力變形將單獨(dú)考慮,掛籃變形主要包括彈性變形和非彈性變形,其中非彈性變形相對(duì)難以控制,主要是由掛籃支座誤差和連接處變形所產(chǎn)生的。此外,預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力本身的松弛,梁底面在高應(yīng)力狀態(tài)下的徐變,對(duì)長期應(yīng)力有影響。內(nèi)力增加,在靜定結(jié)構(gòu)中,一般考慮截面應(yīng)力的分布,混凝土的收縮對(duì)預(yù)應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生影響,從而影響梁體的位移。溫度的影響體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的觀測和立模標(biāo)高時(shí)產(chǎn)生的誤差。

3 工程實(shí)例分析

船嶺崠特大橋位于廈門—昆明國家重點(diǎn)公路干線福建省龍巖—長汀(閩贛界)高速公路A 16合同段內(nèi),是一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。主橋型布置為(85+155+85)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。主橋采用單箱單室變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁。中間支點(diǎn)處梁高 9m,邊跨直線段及主跨跨中處梁高 3.5m,梁高變化段梁底曲線采用二次拋物線。箱梁橫坡由腹板高度調(diào)節(jié),底板保持水平。主橋箱梁采用雙向預(yù)應(yīng)力體系。

3.1 幾何線形控制的計(jì)算分析

在對(duì)特大橋各施工階段實(shí)施控制時(shí),先采用公路交通部公路科學(xué)研究所自主研發(fā)的Bridge SB對(duì)其進(jìn)行各施工階段的模擬。

依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和控制參數(shù),結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等實(shí)際情況將橋離散成 145個(gè)單元,經(jīng)過施工分析和荷載分析,輸入總體信息、施工信息和運(yùn)營信息進(jìn)行計(jì)算,輸出計(jì)算結(jié)果,從而獲得結(jié)構(gòu)按施工階段進(jìn)行的每階段的內(nèi)力和位移,然后將計(jì)算模型導(dǎo)入Bridge monitor中,按照實(shí)驗(yàn)確定好的掛籃變形等,進(jìn)而計(jì)算各施工階段的預(yù)拋高值及立模標(biāo)高。

3.2 預(yù)拱度曲線的確定

依據(jù)橋梁施工的具體過程,模型的分析過程共劃分為:懸臂澆筑階段、施工合龍段和施加二期恒載。其中懸臂施工階段共劃分為 20個(gè)施工步驟(即每個(gè)施工階段為一個(gè)施工步驟),每個(gè)施工階段按 7 d考慮;合龍段施工分為三個(gè)階段:先邊跨合龍,最后是中跨合龍;二期恒載主要考慮了 6cm防水混凝土、9cm瀝青混凝土、兩側(cè)防撞欄桿、10年的收縮徐變。經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析計(jì)算,得到預(yù)拱度曲線。

3.3 預(yù)拋高的確定

船嶺崠特大橋預(yù)拋高值的確定為:跨中設(shè) 13cm、邊跨設(shè) 1cm預(yù)拋高值,然后用二次拋物線擬合。疊加上面求出來的預(yù)拱度曲線得到最終預(yù)拱度曲線。

3.4 計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比

用 Bridgemonitor軟件得出的最終曲線指導(dǎo)大橋的立模標(biāo)高,經(jīng)過三階段的測量數(shù)據(jù)對(duì)比,得出的數(shù)據(jù)曲線和理論曲線相吻合。下面就 2號(hào)墩最大懸臂的測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。

表1 2號(hào)墩底板理論和實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比 m

由表1可知:實(shí)測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)吻合的比較好,成橋線形、高程均符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力大跨徑橋梁的施工工藝復(fù)雜,施工過程中許多難以預(yù)料和估計(jì)的因素可能導(dǎo)致橋梁線形控制不合理,導(dǎo)致橋梁難以合龍以及成橋線形的美觀,本文的橋梁施工階段的線形監(jiān)控,可為橋梁施工的各個(gè)階段提供準(zhǔn)確可靠的測量數(shù)據(jù),以保證施工工程質(zhì)量和美觀,并可為同類的橋梁提供參考價(jià)值。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.

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

[3] 范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社,1988.

[4] 雷俊卿.橋梁懸臂施工與設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2000.

[5] 張繼堯,王昌將.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[7] 鋼構(gòu)—連續(xù)組合梁橋監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)研究[J].公路工程,2008,33(4):137-144.