大跨連續(xù)梁橋懸臂施工過程控制機理研究

張望 馮磊

(1.遼寧彰武縣工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧阜新 123000;2.遼寧阜新第二建筑工程公司，遼寧阜新 123000)

伴隨著預應力混凝土理論研究的發(fā)展、完善和成熟，預應力混凝土施工技術廣泛應用于建造大跨度混凝土橋梁，其中以預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋、預應力混凝土連續(xù)橋梁和預應力混凝土斜拉橋這三種橋梁形式發(fā)展最快［1-4］。目前大跨度的預應力橋梁的主要施工建造方法［6-9］為分段懸臂澆筑法:在完成橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的施工工作后，需要開始在橋墩頂部澆筑混凝土直到橋身合龍，施工過程中需要對預應力鋼索進行分批張拉，不斷強化整個橋梁結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換、合龍工作。但是由于混凝土材料自身物理力學性質(zhì)的限制，再加上外界環(huán)境因素的影響，以及橋梁結(jié)構(gòu)的不同梁節(jié)段的混凝土外界荷載的影響，會導致橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移遠遠高于設計預算值。所以有必要對大跨度預應力混凝土連續(xù)箱形梁橋的施工過程進行控制，以保證橋梁的外形與設計保持一致。

1 基于自適應原理的橋梁結(jié)構(gòu)線形控制理論

對于大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控主要分為兩種方法:1)基于灰色理論和Kalman濾波法的糾偏終點控制的方法，即在橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程中隨時對橋梁線形出現(xiàn)偏差的因素進行分析探討，并及時跟蹤控制與糾偏;2)基于現(xiàn)代控制理論中的橋梁結(jié)構(gòu)自適應控制方法，即在橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程中，對于可能引起橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏差的因素(如混凝土的彈性模量、橋梁結(jié)構(gòu)的截面幾何特性、混凝土材料容重以及收縮徐變等)進行及時的分辨識別，將各個因素對于橋梁結(jié)構(gòu)的影響進行及時分析計算，最大限度的保證橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中所選取的模型參數(shù)的取值與實際施工過程相吻合，最大限度的降低橋梁模型參數(shù)的誤差影響。

基于自適應控制理論，在充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)幾何線性控制的基礎上，建立橋梁結(jié)構(gòu)各個梁段的立模標高。

橋梁結(jié)構(gòu)中箱梁的立模標高由式(1)確定:

橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中混凝土材料由于受到溫度應力、收縮徐變以及外界不可預測因素的影響，導致理論分析計算結(jié)果與施工實際情況差別較大，所以對基于自適應原理的模型計算公式需要進行合理的修正:

2 橋梁結(jié)構(gòu)線性控制的關鍵參數(shù)的選取確定控制

在幾何線形控制理論中，橋梁結(jié)構(gòu)重點控制的參數(shù)為:1)橋梁的預拱度;2)橋梁的預拋高;3)橋梁的掛籃變形。

2.1 橋梁的預拱度

橋梁的預拱度是為了控制橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的撓度，在施工過程中預留的與橋梁位移相反方向的預拱值;對于預應力混凝土連續(xù)梁橋而言，控制預拱度計算模型非常重要，在施工過程中影響橋梁結(jié)構(gòu)撓度的因素主要有:橋梁自重、混凝土材料的收縮徐變、預應力張拉作用、施工過程中的各種臨時荷載(如機械設備的自重、泵送混凝土的沖擊荷載、人群荷載)等，以上各種因素對混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工中預拱度的計算影響巨大。

2.2 橋梁的預拋高

預拋高是懸臂施工中的一個重要參數(shù)。預應力混凝土連續(xù)梁橋在長期徐變作用下使跨中撓度增大，如果長期徐變計算分析不準，跨中預拋高值設置不當，運行一兩年后，跨中線形會明顯下垂;國內(nèi)不少連續(xù)剛構(gòu)橋建成不久后就出現(xiàn)塌腰的現(xiàn)象。所以控制橋梁的預拋高就顯得尤為重要。

2.3 橋梁的掛籃變形

掛籃屬于橋梁結(jié)構(gòu)施工過程的臨時結(jié)構(gòu)，而且多為后支點結(jié)構(gòu)，所以可以視為簡支梁結(jié)構(gòu)進行計算。在外力荷載的作用下掛籃變形主要以彈性變形、塑性變形為主，尤其是由掛籃支座連接處的不合理所造成的塑性變形難以控制。為了保證掛籃的安全使用，必須對掛籃結(jié)構(gòu)的安全性進行實時監(jiān)控，所以一般在使用前都要先對其進行預加載使用，最大限度的保證掛籃結(jié)構(gòu)的受力性能和安全，同時也可以通過預加載試驗來合理消除掛籃結(jié)構(gòu)的塑性變形，最大限度保證掛籃在橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用。此外由于預應力時間效應、瞬時效應、松弛效應的影響，預應力橋梁容易產(chǎn)生徐變現(xiàn)象，所以合理控制預應力橋梁的徐變也是控制橋梁結(jié)構(gòu)變形的關鍵因素。

3 工程案例分析

吳忠黃河公路大橋為現(xiàn)澆預應力混凝土連續(xù)箱橋梁，其跨度為570 m，上部結(jié)構(gòu)為截面形式變化的連續(xù)箱梁，分為4種形式的梁段;下部結(jié)構(gòu)為重力式的鋼筋混凝土重橋墩，采用樁基礎，如圖1所示。吳忠黃河公路大橋的預應力體系采用的是三向預應力體系的箱梁結(jié)構(gòu)，對于縱向預應力鋼束主要以平、豎、彎多種形式相結(jié)合的方式進行布置，兩端張拉的方式主要應用于橋梁的中跨，而邊跨多采用的是單端張拉的方式。一般在頂板布置較多的是橫向預應力鋼束，并且采用單端張拉的方式進行張拉。而對于腹板的豎向預應力鋼束采用的是直線形式進行布置，并且在橋梁結(jié)構(gòu)的箱梁頂面進行張拉。

圖1 吳忠黃河公路特大橋主橋布置（單位：cm）

3.1 基于幾何線形控制橋梁結(jié)構(gòu)的計算分析研究

為了保證橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中的安全性，采用國家交通運輸部公路交通科技研究所開發(fā)的Bridge SB軟件對吳忠黃河公路大橋進行施工全過程的模擬分析，其成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)計算如圖2所示。

圖2 吳忠黃河公路大橋主橋結(jié)構(gòu)計算圖

根據(jù)設計院的設計圖紙以及基于幾何線形控制原理，綜合考慮橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、施工工況、偶然荷載、長期荷載等各種工況，將吳忠黃河公路大橋主橋結(jié)構(gòu)分為180個有限元分析單元，在統(tǒng)籌分析施工過程、荷載工況等各種施工信息的基礎上，進行分析計算，然后計算分析整個施工工程中橋梁結(jié)構(gòu)各個施工階段的內(nèi)力和位移，同時將計算模型與計算結(jié)果導入有限元分析軟件Bridge Monitor中，根據(jù)試驗確定的掛籃變形，來分析確定各個施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的預拋高值及立模標高。

3.2 橋梁預拱度曲線的確定

根據(jù)橋梁施工過程的具體問題，將有限元分析模型共劃分為三個階段:1)邊跨合龍;2)次中跨合龍;3)中跨合龍。在有限元分析過程中，結(jié)合實際施工情況將懸臂施工階段劃分為13個步驟，其中每個施工步驟分為7 d。對于橋梁結(jié)構(gòu)的二期施工過程中需要考慮恒載的影響，恒載主要由兩側(cè)防撞欄桿、橋面鋪裝以及收縮徐變組成。通過數(shù)值計算分析后，吳忠黃河公路大橋的預拱度曲線如圖3所示。

圖3 吳忠黃河公路大橋主橋預拱度曲線

3.3 橋梁預拋高的確定

圖4 吳忠黃河公路大橋主橋預拋高曲線

吳忠黃河公路大橋的橋梁預拋高值需要考慮中跨跨中的跨度(按L/1 000考慮)，取10 cm，邊跨2.75 cm;其他各點進行數(shù)值計算分析擬合。最終擬合曲線如圖4所示。

3.4 計算值與實測值的對比

用Bridge Montior軟件得出的最終曲線指導大橋的立模標高，經(jīng)過三階段的測量數(shù)據(jù)對比，得出的數(shù)據(jù)曲線和理論曲線相吻合。下面就10號墩的測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)對比，如表1所示。

表1 橋梁10號墩底板理論計算和實測數(shù)據(jù) m

由表1可知:實測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)吻合的比較好。

4 結(jié)語

基于自適應控制原理的預應力大跨度橋梁施工工藝監(jiān)測，可以有效的控制橋梁施工過程中各種不確定的模糊因素。通過對橋梁施工工藝監(jiān)測，可以為橋梁施工過程的各個施工階段提供相對可靠的測量數(shù)據(jù)，為施工過程提供參考依據(jù)，同時為類似的橋梁施工建設提供借鑒意義。

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