橋梁工程中高墩柱滑模的施工技術(shù)

彭 娟 娟

(山西路橋第一工程有限責(zé)任公司,山西 太原 030006)

在橋梁工程中，高墩柱滑模或SMC是一種非線性控制方法，它通過施加不連續(xù)的控制信號(或更嚴(yán)格地說是一組值控制信號)來改變非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，該控制信號迫使系統(tǒng)沿著系統(tǒng)的一個(gè)橫截面滑動(dòng)。狀態(tài)反饋控制律不是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。相反，它可以根據(jù)狀態(tài)空間中的當(dāng)前位置從一個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)切換到另一個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)。因此，高墩柱滑模是一種變結(jié)構(gòu)控制方法。多重控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得軌跡總是朝著具有不同控制結(jié)構(gòu)的相鄰區(qū)域移動(dòng)，因此最終軌跡不會完全存在于一個(gè)控制結(jié)構(gòu)內(nèi)。相反，它會沿著控制結(jié)構(gòu)的邊界滑動(dòng)。系統(tǒng)沿著這些邊界滑動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)稱為滑動(dòng)模式，由邊界組成的幾何軌跡稱為滑動(dòng)(超)表面。在現(xiàn)代控制理論的背景下，任何可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如SMC下的系統(tǒng)，都可以看作是混合動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)特例，因?yàn)橄到y(tǒng)既流過連續(xù)狀態(tài)空間，也流過不同的離散控制模式。

1 滑模控制

當(dāng)系統(tǒng)軌跡到達(dá)地表時(shí)，沿著地表的滑動(dòng)模式在有限時(shí)間內(nèi)開始。在滑動(dòng)模式的理論描述中，系統(tǒng)保持限制在滑動(dòng)表面上，并且只需要被視為沿著表面滑動(dòng)。然而，滑動(dòng)模式控制的實(shí)際實(shí)現(xiàn)是將這種理論行為與高頻并且通常非確定性的開關(guān)控制信號近似地導(dǎo)致系統(tǒng)在滑動(dòng)表面的緊密區(qū)域中“顫振”。

直觀上，滑模控制使用無限增益來迫使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的軌跡沿著受限滑動(dòng)模式子空間滑動(dòng)。來自這種降階滑動(dòng)模式的軌跡具有期望的性質(zhì)(例如，系統(tǒng)自然地沿著它滑動(dòng)，直到它達(dá)到期望的平衡)。滑模控制的主要優(yōu)點(diǎn)是魯棒性。因?yàn)榭刂瓶梢韵裨趦蓚€(gè)狀態(tài)之間切換一樣簡單(例如，“開”/“關(guān)”或“前進(jìn)”/“反向”)，所以它不需要精確的、對參數(shù)變化敏感控制通道。此外，因?yàn)榭刂坡刹皇沁B續(xù)函數(shù)，所以可以在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到滑動(dòng)模式(即，比漸近行為更好)。在某些常見條件下，最優(yōu)性要求使用爆炸控制；因此，滑模控制為廣泛的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)描述了最優(yōu)控制器。

滑模控制器的一個(gè)應(yīng)用是對由開關(guān)功率變換器操作的電驅(qū)動(dòng)器的控制。由于這些變換器的不連續(xù)操作模式，不連續(xù)滑動(dòng)模式控制器是連續(xù)控制器的自然實(shí)現(xiàn)選擇，需要通過脈沖寬度調(diào)制或類似的技術(shù)將連續(xù)信號施加到只能采取離散狀態(tài)的輸出來應(yīng)用。滑動(dòng)模式控制在機(jī)器人技術(shù)中有許多應(yīng)用。這種控制算法已經(jīng)被用于模擬海域無人水面船舶的跟蹤控制，取得了很好的成果。

滑動(dòng)模式控制必須比其他形式的非線性控制更加謹(jǐn)慎，這些非線性控制具有更溫和的控制作用。由于執(zhí)行器有延遲和其他缺陷，硬滑模控制動(dòng)作會導(dǎo)致顫振、能量損失、設(shè)備損壞和未建模動(dòng)態(tài)激。連續(xù)控制設(shè)計(jì)方法不僅易受這些問題的影響，并且可以模仿滑動(dòng)模式控制器。

2 高墩滑模施工工藝

2.1 鋼筋加工及安裝

鋼筋籠通常在液壓折彎機(jī)和剪切機(jī)的幫助下在項(xiàng)目現(xiàn)場制造。但是，對于小型或定制工作而言，手動(dòng)鋼筋彎曲機(jī)的工具就足夠了。鋼筋由鋼筋固定器或鋼筋混凝土工作人員配置，鋼筋支撐和混凝土或塑料鋼筋間隔器將鋼筋與混凝土模板分開，以建立混凝土保護(hù)層并確保實(shí)現(xiàn)合適的嵌入。網(wǎng)箱中的鋼筋通過點(diǎn)焊連接，捆扎鋼絲，有時(shí)使用電子鋼筋層或機(jī)械連接。對于環(huán)氧涂層或鍍鋅鋼筋的綁扎，通常分別使用環(huán)氧涂層或鍍鋅鋼絲。

箍筋形成鋼筋籠的外部。箍筋通常是矩形的，并沿柱子或橫梁每隔一定的間隔放置，以防止剪切破壞。

機(jī)械連接也稱為“機(jī)械聯(lián)軸器”或“機(jī)械接頭”，使用機(jī)械連接將鋼筋連接在一起。機(jī)械耦合器是降低現(xiàn)澆混凝土施工中高度加固區(qū)域螺紋鋼塞的有效手段。這些耦合器也用于預(yù)制混凝土構(gòu)件之間的連接處。

機(jī)械連接的結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)因國家、代碼和行業(yè)而異。作為最低要求，規(guī)范通常規(guī)定鋼筋與拼接連接達(dá)到或超過鋼筋規(guī)定屈服強(qiáng)度的125%。更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)還要求開發(fā)鋼筋的指定極限強(qiáng)度。例如，ACI 318規(guī)定了類型1(125%Fy)或類型2(125%Fy和100%Fu)性能標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 混凝土施工

混凝土施工過程中最重要的一步就是確定組成混凝土及其比例的成分。需要考慮很多變量，包括水泥類型、骨料粒度和類型、水量以及礦物和化學(xué)外加劑。如果混合料設(shè)計(jì)不正確，會導(dǎo)致混凝土質(zhì)量問題，給施工結(jié)果帶來不良影響。

混凝土可以制造形成多種強(qiáng)度，但由于混凝土的成本與其強(qiáng)度密切相關(guān)，因此需要合理控制混凝土的強(qiáng)度。對于低載荷應(yīng)用，混凝土的質(zhì)量由其他因素決定，如抗凍性或耐磨性。混凝土施工的可操作性主要取決于混凝土的設(shè)置方式。混凝土可以傾倒、泵送、甚至噴射到位，這會影響所需的可施工性。還必須考慮其他因素，例如模具形狀、鋼筋間距以及現(xiàn)場可用于將新鮮混凝土放置后的固結(jié)設(shè)備。可加工性通常由坍落度來定義，這是當(dāng)放置到平坦表面時(shí)混凝土在其自身重量下趨于分散的傾向。

如果混凝土將暴露在惡劣條件下，則必須確保混凝土具有較好的質(zhì)量。在寒冷天氣下，混凝土必須能夠抵抗凍結(jié)。道路必須能夠承受鹽的腐蝕作用。應(yīng)用于地下的混凝土必須能夠抵御水分和侵蝕性物質(zhì)從土壤中進(jìn)入。

大多數(shù)混凝土在稱為預(yù)拌混凝土廠的中心位置進(jìn)行配料和混合，然后運(yùn)輸?shù)剿栉恢谩ｎA(yù)拌混凝土攪拌機(jī)有各種骨料和水泥，在控制條件下儲存，以及稱量和混合的良好設(shè)備。因此，混凝土的質(zhì)量應(yīng)該保持一致。混凝土攪拌車可以用來運(yùn)輸已經(jīng)混合的混凝土，或者可以在卡車運(yùn)行到現(xiàn)場時(shí)進(jìn)行混合。預(yù)拌混凝土的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是，將混凝土輸送到現(xiàn)場所需的時(shí)間可能會耗盡早期的良好施工性能。這通常可以通過使用緩凝劑來處理。

2.3 固化

如果混凝土攪拌車可以靠近現(xiàn)場，那么混凝土可以直接倒入模板中。在攪拌車無法靠近的情況下，混凝土可以使用起重機(jī)或手推車轉(zhuǎn)運(yùn)到水桶中。混凝土也可以使用專用混凝土泵通過管道或軟管系統(tǒng)泵送到現(xiàn)場。要泵送的混凝土對可加工性有更嚴(yán)格的要求。如果混凝土太干燥，則不能很好地泵送；而如果太濕，則會趨于分離。如果混凝土過快落入模板，也會發(fā)生偏析，因?yàn)檩^大的聚集顆粒往往會向下驅(qū)動(dòng)。

一旦混凝土就位后，應(yīng)將其固定以消除放置過程中產(chǎn)生的大空隙，并確保混凝土已充分流入模板中。這個(gè)過程也被稱為壓縮。過度固結(jié)可導(dǎo)致混凝土與模板分離，但欠固結(jié)更為常見，導(dǎo)致性能低于最佳值。兩種最常見的固結(jié)方法是振動(dòng)和碾壓。振動(dòng)是一種機(jī)械過程，通常通過插入混凝土的探針將剪切能量的脈沖傳遞給模板。每一次剪切能量脈沖都會瞬間液化混凝土，使其能夠非常自由地流動(dòng)。剪切能量只能通過有限厚度的混凝土，因此，當(dāng)放置厚的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，混凝土?xí)謱訚仓繉釉谙乱粚訚仓交炷两Y(jié)構(gòu)上之前固化。

2.4 精加工

對于橋梁工程，表面的外觀、光滑度和耐久性尤為重要。精加工是指對墩柱表面進(jìn)行固結(jié)處理以達(dá)到所需性能的最終處理。浮動(dòng)和抹平是在混凝土開始硬化時(shí)進(jìn)行的表面壓實(shí)和光滑處理過程。這將是車道和人行道的標(biāo)準(zhǔn)程序。在混凝土硬化后，可以使用機(jī)械拋光來使表面變粗糙，使其不易滑動(dòng)或拋光表面，作為裝飾性步驟，以突出特殊骨料如大理石碎片的美感。最近橋梁工程精加工過程涉及使用混凝土染料和表面模具來模擬磚，裝飾鋪路石，甚至瓷磚的外觀。

3 結(jié)語

本文對橋梁工程中高墩柱滑模的施工要求、施工特點(diǎn)和施工工藝進(jìn)行了總結(jié)和分析。有效應(yīng)用和完善這些施工技術(shù)，將為橋梁工程提供更好的質(zhì)量保障，延長橋梁的使用壽命，為社會創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。