施工控制約束下的橋梁高墩大跨預應力砼施工技術研究

摘要:本文基于筆者多年從事橋梁施工技術的相關工作經驗，以橋梁高墩大跨預應力砼施工控制為研究對象，探討了施工控制約束下的橋梁高墩大跨預應力砼施工方法，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:高墩大跨懸臂施工施工控制連續梁橋

中圖分類號:TB21文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2011)02(b)-0113-02

1連續梁橋施工控制的目的、內容

1.1 施工控制的目的

對分節段懸臂澆筑施工的預應力混凝土連續梁橋來說，施工控制就是根據施工監測所得的結構參數真實值進行施工階段計算，確定出每個懸臂節段的標高，并在施工過程中根據施工監測的成果對誤差進行分析、預測和對下一立模標高進行調整，以此來保證成橋后橋面線形、合攏段兩懸臂端標高的相對偏差不大于規定值以及結構內力狀態符合設計要求。

橋梁施工監控目的就是地確保施工安全的前提下，通過計算分析現場監測、參數識別、模型修正、控制立模標高等手段，確保橋梁成橋線形及受力狀態符合設計要求。

1.2 施工控制的內容

大跨度預應力混凝土連續梁橋的施工監控包括兩個方面的內容:變形監控和內力監控。變形監控就是嚴格控制每一節段箱梁的豎向撓度及其橫向偏移，若有偏差并且偏差較大時，就必須立即進行誤差分析并確定調整方法，為下一節段更為精確的施工做好準備工作。關于監控方法，針對不同情況亦必然有所差異。內力監控是控制主梁在施工過程中以及成橋后的應力，尤其是合攏時間的控制，使其不致過大而偏于不安全，甚至在施工過程中造成主梁破壞。

懸臂施工屬于典型的自架設施工方法。由于連續梁橋在施工過程中已成結構(懸臂節段)狀態是無法事后調整的，所以，施工監控主要是通過分析計算對下一步的結構狀態進行預測和控制。連續梁橋施工監控主要體現在結構模擬分析、施工監測(包括結構變形與應力監測等)、施工誤差分析以及后續施工狀態預測幾個方面。

2施工控制的方法

連續梁橋是施工、監測、識別、調整、預告、施工的循環過程，其實質就是使施工按照預定的理想狀態(主要是施工標高)順利推進。而實際上不論是理論分析得到的理想狀態，還是實際施工都存在誤差，所以，施工控制的核心任務就是對各種誤差進行分析、識別、調整，對結構未來做出預測。

2.1 預測控制法

連續梁橋在梁段澆筑完成后出現的誤差，除張拉預應力索外，基本上沒有調整的余地，而只能針對己有誤差在下一未澆筑梁端的立模標高上作出必要的調整。所以，要保證控制目標的實現，最根本的就是對立模標高作出準確的預測，而預測控制法是連續梁橋施工控制常用的方法。

預測控制法是指在全面考慮影響橋梁結構狀態的各種因素和施工所要達到的目標后，對結構的每一施工階段(節段)形成前后進行預測，使施工沿著預定狀態進行。由于預測狀態與實際狀態免不了有誤差存在，某種誤差對施工目標的影響則在后續施工狀態的預測予以考慮，以此循環，直到施工完成和獲得與設計相符合的結構狀態。這種方法適用于所有橋梁，而對于那些已成結構狀態具有不可調整性的橋梁施工控制必須采用此法。如懸臂施工的預應力混凝土連續梁橋，其已成節段的狀態(內力、標高)是無法調整的，只能對待施工的節段預測狀態進行改變。預測控制以現代控制論為理論基礎，其預測方法常見的有卡爾曼(Kalman)濾波法、灰色理論等。

(1)卡爾曼濾波法。

卡爾曼濾波法的實質是從被噪音污染的信號中提取真實的信號，采用由狀態方程和觀測方程組成的線形隨機系統的狀態空間來描述濾波器，并利用狀態方程的遞推性，按線性無偏最小均方誤差估計準則，采用一套遞推算法對濾波器的狀態變量作最佳估計，從而求得濾掉噪聲后有用信號的最佳估計，即估計出系統的真實狀態，然后用估計出來的狀態變量，按確定的控制規律系統進行控制。

(2)灰色系統理論控制法。

灰色系統理論控制法將灰色系統理論引入橋梁施工控制中。灰色系統可以看作是在一段時間內變化的隨機過程，環境干擾將使系統行為特征量過分離散，為此，灰色系統用灰色數生成對原始數據進行處理得到隨機性弱化、規律性強化了的序列，在此基礎上以灰色動態GM模型作為預測模型，并及時對模型進行滾動優化和反饋校正。灰色預測控制有以下特點。

①灰色控制理論是基于系統發展變化的預測控制，是對結構參數及環境影響因素的預測控制，可根據需要把預測得到的結果代入結構方程，從而求得結構的狀態參數，這種預測控制方法符合結構實際狀態具有較高的準確性。②灰色預測控制建模是少數據建模，是數據的新陳代謝建模，是一種實時控制。在處理方法上，灰色過程是通過原始數據的整理來找數的規律的，是一種就數找數的現實規律的途徑，而數理統計方法是按先驗規律來處理問題，要求數據越多越好，越具有規律性越好。③灰色預測控制是“采樣瞬間規模”控制，其過程是:每采集一個新數據便建立一個新模型，隨之更新一組模型參數，所以控制過程也就是不斷采集數據，不斷建模，不斷更新參數，不斷預測，不斷提高新模型下的預測值的過程。這實際上是采集模型參數的不斷更新，來適應行為的不斷變化、環境的不斷影響、噪聲的不斷干擾，所以這種控制方法具有較強的適應性。④灰色理論將無規律的原始數據進行生成，使其變成較有規律的生成數列再建模，還可以通過殘差分析來調整、修正、提高精度。

2.2 自適應控制

自適應研究的對象是具有一定程度不確定性的系統，面對客觀上存在的各種不確定性，自適應控制系統能在其運行過程中，通過不斷的測量系統的輸入輸出狀態和性能參數，逐漸的了解和掌握對象，然后根據所得的過程信息，按一定的設計方法，做出控制決策去更新控制器的結構、參數或控制作用，以便在某種意義下使控制效果達到最優或最近狀態。

2.3 線形回歸分析法

線形回歸分析法是通過對懸臂箱梁撓度與懸臂長度、懸臂重量的一元線形回歸處理或二元線形回歸處理，總結建立撓度線形回歸數學模型。它可以用于分析箱梁撓度變形的規律，也可以用于預測待施工梁段的撓度。但它無法對溫度和施工引起的誤差進行修正，并且要求有較多有規律的數據才行，在梁段數比較少時所得到的回歸曲線的精度難以保證。

3施工控制中的主要影響因素

大跨徑連續梁橋施工控制的主要目的是使施工實際狀態最大限度地與理想設計狀態(線形與受力)相吻合。要實現上述目標，就必須全面了解可能使施工狀態偏離理論設計狀態的所有因素，以便對施工實施有的放矢的有效控制。

3.1 結構參數

不論何種橋梁的施工控制，結構參數都是必須考慮的重要因素，結構參數是控制中的結構施工模擬分析的基本資料，其準確性直接影響分析結果的準確性。事實上，實際橋梁結構參數一般是很難與設計所用的結構參數完全吻合，總是存在一定的誤差，施工控制中如何恰當地記入這些誤差，使結構參數盡量接近橋梁的真實結構參數，是首先需要解決的問題。

3.2 施工工藝

施工控制是為施工服務的，反過來，施工的好壞又直接影響控制目標的實現。除要求施工工藝必須符合控制要求外，在施工控制中必須計入施工條件非理想化帶來的構件制作、安裝等方面的誤差，使施工狀態保持在控制中。

3.3 施工監測

監測是橋梁施工控制的最基本手段之一。監測包括應力監測、變形監測等。因測量儀器、儀器安裝、測量方法、數據采集、環境情況等存在誤差，所以，結構監測總是存在誤差的。該誤差一方面可能造成結構實際參數、狀態與設計或控制值吻合較好的假象，也可能造成將本來可能較好的狀態調整得更差的情況。所以，保證測量的可靠性對控制極為重要。在控制過程中，除要從測量設備、方法上盡量設法減小測量誤差外，在進行控制分析時必須將其計入。

3.4 結構計算分析模型

無論采用什么分析方法和手段，總是要對實際橋梁結構進行簡化和建立計算模型，這種簡化使計算模型與實際情況存在誤差，包括各種假設、邊界條件處理、模型的本身精度等，控制中需要在這方面做大量工作，必要時還要進行專門的試驗研究，以使計算模型誤差所產生的影響減到最低限度。

3.5 溫度變化

溫度變化對橋梁結構的受力與變形影響很大，這種影響隨溫度的改變而改變，在不同時刻對結構狀態(應力、變形)進行量測，其結果是不一樣的，如果施工控制中忽略了該項因素，就必然難以得到結構的真實狀態數據，從而也難以保證控制的有效性，所以，必須考慮溫度變化的影響。溫度變化相當復雜，包括季節溫差、日照溫差、驟變溫差、殘余溫度、不同溫度場等，而在原定控制狀態中又無法預先知道溫度的實際變化情況，所以在控制中是難以考慮的(要考慮也將是很復雜的)。通常都是將控制理想狀態定位在某一特定溫度下，從而將溫度變化對結構的影響相對排除(過濾)。一般是將一天中的溫度變化較小的早晨作為控制所需實測數據的采集時間。但對季節溫差和橋梁體內的溫度殘余影響要予以重視。

4施工控制的結構計算方法

橋梁施工監控中的結構分析方法包括前進分析法、倒退分析法以及無應力狀態法。對于分節段懸臂澆筑施工的預應力混凝土連續梁橋，施工控制結構計算的方法采用前進分析法和倒退分析法。

4.1 前進分析法

為了計算出橋梁結構在成橋后的受力狀態，只有根據實際結構的配筋情況和既定施工方案逐個階段地進行計算，最終才能得到成橋結構的受力狀態和變形情況。這種計算方法的特點是:隨著施工階段的推進，結構形式、邊界約束、荷載形式在不斷地改變，前期結構將發生徐變，其幾何位置也在改變，因此，前一階段的結構狀態將是本次施工階段結構分析的基礎。這種按施工階段前后次序進行的結構分析方法稱為前進分析法。前進分析法能夠較好地模擬橋梁結構的實際施工歷程。

4.2 倒退分析法

前進分析可以嚴格按照設計好的施工步驟進行各階段內力分析，但由于分析中結構節點坐標的改變，最終結構線形不可能完全滿足設計線形要求。實際施工中橋梁結構線形的控制與強度控制同樣重要，線形誤差將造成橋梁結構的合攏困難，影響橋梁建成后的受力狀態、視覺效果和營運質量，甚至管理。為了使竣工后的結構達到設計線形，在施工過程中用設置預拱度的方法來實現。而對于分階段施工的連續梁橋，一般要求給出各個施工階段結構物控制點的標高(預拋高)，以便最終使結構物滿足設計要求。這個問題用前進分析法是難以解決的。

倒退分析法可解決這一問題，它的基本思想是，假定t＝t0時刻結構內力分布滿足前進分析t0時刻的結果，軸線滿足設計線形要求。在此初始狀態下，按照前進分析的逆過程，對結構進行倒拆，分析每次拆除一個施工節段對剩余結構的影響，在一個階段內分析得到的結構位移、內力狀態便是該階段結構理想的施工狀態。所謂結構施工理想狀態就是在施工各階段結構應有的位置和受力狀態，每個階段的施工理想狀態都將控制著全橋最終形態的受力特性。

參考文獻

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