自適應控制法在橋梁施工撓度控制中的應用

莊志宏

大跨徑多跨連續梁橋懸臂澆筑施工最重要的任務之一就是撓度的計算與控制。為確保結構合龍精度和成橋運營狀況下的線形,結構狀態參數的選取及懸臂澆筑過程中預拱度的設置顯得至關的重要。本文結合筆者駐施工現場半年的體會和正在施工的南港特大橋的現狀,闡述掛籃懸臂澆筑混凝土撓度控制的方法。

1 工程背景

廈漳高速南港特大橋上部結構采用45 m+60 m+45 m預應力混凝土連續梁結構體系,雙幅布置,采用雙箱單室截面,箱梁采用三向預應力混凝土結構,混凝土采用50號混凝土,單幅主梁梁頂寬17 m,梁底寬11 m,頂面設單向4%橫坡,支點處梁高3.8 m(與跨徑的比值為1/15.79),跨中和邊跨端部截面梁高2.2 m(與跨徑的比值為1/27.27),梁高采用圓曲線插值,半徑 R=245.8 m。箱梁兩側懸臂板長度為2×3.0 m,根部厚度為115cm(與翼緣懸臂長度比值為1/2.6)。箱梁底板厚度從30cm變化到根部55cm(根部0號梁段采用直線變化加厚到 75cm);腹板厚度采用45cm,95cm及120cm三種厚度。

設計等級為高速公路,計算行車速度為100km/h,橋面總寬為2×17 m,按雙向六車道設計(標準橫坡為4%),橋涵設計荷載為公路—Ⅰ級;地震基本烈度為 7度,風荷載基本風速為39.7 m/s,通航標準為國家內河Ⅳ級航道,通航凈高14.5 m,凈寬大于110 m,設計最高通航水位4.77 m。

下部主墩為2.3 m×2.0 m鋼筋混凝土三柱式墩,基礎為直徑1.5 m雙排鋼筋混凝土群樁;136號交界墩為直徑1.8 m鋼筋混凝土三柱式墩,2.2 m×1.8 m鋼筋混凝土墩帽,139號交界墩為直徑1.6 m鋼筋混凝土三柱式墩,2.0 m×1.6 m鋼筋混凝土墩帽,交界墩基礎為直徑1.2 m雙排鋼筋混凝土群樁。

2 影響撓度控制的因素

1)橋面臨時荷載。主梁懸澆施工過程中,不可避免會出現一些施工機械設備或建筑材料隨意堆放的情況,當堆放的重量較大時,尤其是在大懸臂狀況,這種臨時荷載對主梁撓度的控制將造成一定影響。因此,必須及時清理現場,盡量將荷載移至主墩上方,減少測量和定位誤差。2)混凝土超澆筑方量不對稱或不同步。由于施工模板尺寸或者定位尺寸偏差,實際懸澆梁段重量與設計理論重量存在一定偏差,主梁兩端造成不對稱施工。或者在對稱澆筑過程中,混凝土下料速度不同步,造成T構不對稱荷載受力。當懸臂力臂越長,不對稱偏載效應越明顯,對撓度的控制影響將會越大。3)掛籃定位時的溫度影響。懸澆最后階段時,主梁處于長懸臂狀態,此時,結構將對溫度變得比較敏感,特別是夏季施工,晝夜溫差較大,結構溫差荷載效應非常明顯,懸臂端晝夜標高變化較大。測量數據受到日照溫差的影響,設計時,無法預知現場溫度場的變化,因此,測量宜選擇在溫度較低且穩定的時段,如早晨或傍晚。4)預應力張拉及預應力損失的誤差。懸臂施工時,由于預應力張拉控制力以及預應力損失現場實際情況必然與理論計算存在一定的差異。懸臂施工時,張拉后主梁理論上翹量與實際情況多少存在一定差異。因此根據現場實際情況,合理取值,計算預應力損失將是影響線性控制的一個重要因素。5)掛籃非彈性變形。懸臂澆筑施工,掛籃循環拆除、定位,每次移動掛籃,它的非彈性變形均不相同,理論計算無法計入,而每次非彈性變形的影響也無法預知,因此拖動掛籃到位后,宜將掛籃預壓一段時間,等觀測非彈性變形穩定后,再調節螺桿定位標高。6)混凝土彈性模量 Eh。設計時,所有梁段混凝土彈性模量均是按照規范取值,而實際施工時,混凝土材料特性各異,這樣就存在理論混凝土彈性模量與現場實測混凝土彈性模量之間的差別:a.影響整體計算剛度;b.影響后期混凝土的徐變,最終將反映到結構的實際變形。7)混凝土徐變及收縮。影響混凝土徐變、收縮的因素很多,既包括內部材料特性、幾何性質、養護條件,又包括外部環境條件和荷載條件,建模時需充分考慮各種因素影響,明確加載時間和加載值,即使如此,由于理論條件與實際環境的差異的存在,結構收縮、徐變效應必然也和計算結果存在一定的偏差。

3 施工撓度控制

懸澆施工過程是一個歷經掛籃定位→立模→澆筑→張拉→拆模→掛籃前移定位的循環過程,為此,我們必須循環觀測每個工況橋梁節段的標高變化情況。

廈漳高速南港特大橋,結合施工工序進行施工階段分析,全橋共劃分為172個單元,共173個節點。

對于預應力混凝土橋梁,施工中每個工況的受力狀態達不到設計所確定的理想目標的重要原因是有限元計算模型中的計算參數取值,主要是混凝土的彈性模量、材料的比重、徐變系數等與施工中的實際情況有一定的差距。要得到比較準確的控制調整量,必須根據施工中實測到的結構反應來修正計算模型中的這些參數值,以使計算模型在與實際結構磨合一段時間后,自動適應結構的物理力學規律。在閉環反饋控制的基礎上,再加上一個系統參數辨識過程,整個控制系統就成為自適應控制系統。

當結構測量到的受力狀態與模型計算結果不相符時,把誤差輸入到參數識別算法中去調節計算模型的參數,使模型的輸出結果與實際測量到的結果相一致。得到修正的計算模型參數后,重新計算各施工階段的理想狀態,按上所述的反饋控制方法對結構進行控制。這樣,經過幾個工況的反復辨識后,計算模型就基本上與實際結構相一致了,工況狀態可進行更好的控制。廈漳高速南港特大橋梁采用上述方法控制的部分結果見圖1,圖2(其中,橫坐標表示掛籃澆筑梁段編號)。

4 結語

預應力混凝土連續箱梁是一種受力合理的橋梁,但也是一種施工精度要求很高的結構。如何對箱梁施工過程的每一步進行控制,確保箱梁的線形,是該橋梁施工的關鍵和難點,也是保證箱梁安全受力的先決條件,因此,我們在施工過程中需給予高度重視。

經廈漳高速南港特大橋梁變高度預應力混凝土連續箱梁施工實踐,認真總結回顧,得出分段對稱平衡施工。施工中必須堅持持續觀測,并根據施工監測數據及時修正立模高度,以保證線形控制要求。

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