大跨径桥梁施工监测

广西大学土木建筑工程学院在职研究生课程论文（作业）课程大跨径桥梁施工监测任课教师专业、年级研究生预应力混凝土连续刚构施工控制技术内容提要以九架棚大桥为例，简要论述预应力混凝土连续刚构桥施工控制技术。连续刚构桥属于自架设方式施工，且以成形结构的状态（包括受力、变形）具有不可调整性，由于其节段多、工期长，受多种因素影响会出现偏差的因素多，可能性搭，所以确保成桥线形与内力状态符合要求显得非常重要。关键词连续刚构施工控制1引言预应力混凝土连续刚构桥通常用在较大跨径的梁式桥上，一般采用悬臂浇筑施工，目前采用的墩梁固结结构后，避免了墩梁临时固结和解除固结这个复杂过程，所以看起来比连续梁桥简单些，而实际上，由于连续刚构桥跨径大，孔数多（三孔或五孔），施工中遇到的问题较多。2工程简介317国道改线工程E合同段九架棚大桥起讫桩号为K848+826.8–K849+081.4，全长254.6米，位于四川省阿坝州理县境内，九架棚大桥为66米+120米+66米的预应力混凝土连续刚构桥。主梁采用单箱单室、双向预应力混凝土箱型断面，上部宽度9m。悬臂浇筑梁段7×3米+8×4米，0号梁段12米，边、中跨合拢段2.0米,边跨现浇段5.0米。张拉时间按照设计要求为浇筑后3天且混凝土强度达到设计强度的85％，张拉采用双控。3连续刚构施工易出现的问题连续刚构施工中遇到的问题总的来说如下：（1）连续刚构桥墩为柔性，主梁相对纤细，施工过程中桥墩、主梁的受力安全、稳定性需要特别注意。（2）悬臂施工节段多、工期长，纵面高程受多种因素影响，易出现较大的悬臂标高误差。（3）施工中实施的强迫合拢，将在结构中产生不利的附加应力，影响结构受力安全。所以确保成桥线形与内力状态符合要求非常重要，直接影响桥梁的使用功能。4本桥实施施工控制的目的和意义大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工监测的目的就是在悬臂施工过程中，通过监测主墩和主梁结构在各个施工阶段的应力和变形，来达到及时了解结构实际行为的目的。根据监测所获得的数据，首先确保结构的安全和稳定，其次保证结构的受力合理和线形平顺，为大桥安全、顺利地建成提供技术保障。5施工控制的内容悬臂施工属于典型的自架设施工方法。在施工中以成的结构状态是无法事后调整的，所以九架棚大桥施工控制主要采取预测控制法，主要控制是施工控制模拟结构分析、施工监测（包括结构变形与应力监测等）、施工误差分析以及后续施工状态预测几个方面。6施工控制方法与最优控制计算6.1大跨径连续钢构桥的施工控制是一个施工—量测—识别—修正—预告—施工的循环过程。在施工控制中，需从受到或多或少噪声污染的结构状态中估计出真实的结构状态。同时，为了达到施工控制的最基本要求，即它的最优性能指标，可针对施工过程组成随机最优控制系统，对结构状态理论值与实测值之间的误差进行分析、调整、预测。本桥运用工程控制论的思想，采用最优控制理论与计算机相结合的技术，将九架棚大桥成桥线形和施工期结构变化状态，作为线形离散、确定性动态系统最优控制的对象，通过卡尔曼滤波法，建立随机的数学模型和性能指标，用递推滤波的思想，从被噪声污染的状态中估计出真实的状态，并用估计出来的状态变量，按确定性的最优控制规律构成闭环状态反馈系统，求出最优控制变量值，不断对各阶段进行调整、控制，最终达到随机最优控制的目的。施工控制流程见图1图1施工控制流程6.2施工控制计算的原则（1）施工方案本桥主要是研究施工方案，从而确定悬臂施工期间的施工荷载：一是挂篮荷载根据设计图确定；二是施工期间的其它荷载。（2）计算图式九架棚大桥主要经过悬臂施工和三次合拢，则在施工中结构体系不断变化，因此在各个施工阶段应根据符合实际状况的结构体系和荷载状况选择正确的计算图式进行分析、计算。由于主桥合拢前后结构体系将发生转变，即由对称的单“T”静定结构边为对称的超静定结前期结构分析计算预报变位和立模标高施工测量误差分析修改设计参数结构计算立模标高、悬臂端挠度、有效预应力、温度、弹性模量、收缩徐变系数立模标高误差弹性模量误差温度影响徐变影响计算模式误差构，故在合拢前后调整时，只需取单“T”分别进行调整。本桥控制计算模型的建立如图2所示。(a)悬臂浇筑连续刚构桥计算模型(b)悬臂浇筑连续刚构桥计算模型中预应力筋布置图2悬臂浇筑连续刚构桥Midas分析模型(3)结构分析程序：对连续梁桥、连续刚构桥的施工控制计算而言．采用平面结构分析方法基本可以满足实际施工控制的需要。(4)非线性影响：非线性对中小跨连续梁桥、连续刚构桥的影响可以忽略不计，但对大跨径则有必要考虑非线性的影响。(5)预加应力影响：预加应力直接影响结构的受力与变形，施工控制中应在设计要求的基础上控制预应力的实际施加程度。(6)混凝土收缩、徐变的影响：连续梁桥、连续刚构桥必须计入混凝土收缩、徐变对变形影响。(7)温度：温度对结构的影响是复杂的，通常的做法是对季节性温差在计算中予以考虑，对日照温差则在观测中采取一些措施予以消除，减小其影响。(8)施工进度：施工控制计算需按实际的施工进度以及确切的预计合拢时间分别考虑各个部分的混凝土徐变变形。6.3最优控制理论的采用对于悬臂施工的连续刚构桥，其后一块件是通过预应力筋使混凝土与前一块件相连接而成，因此，每一施工阶段都是密切相关的。分析各施工阶段及成桥结构的外形和受力特性就变得必不可少。为了使结构在最终成桥状态时达到设计要求的各项性能指标，确定各施工阶段结构的线形的桥梁悬臂施工中最重要的任务之一，而决定上部结构每一待浇块件的预拱度尤其重要。因为①合拢前，一个单跨的两个悬臂端部应该尽可能在同一水平面上；②桥梁在施工和运营状态下，上部结构的标高频繁发生变化（上挠或下挠）。因此，在上部结构各个截面的施工中应该预留容许偏差，以期保证在“无限长时间”（约15年～20年）以后结构物能够保证在设计所规定的标高范围内。由于建桥材料的特性、施工误差等是随即变化的，因而施工条件部可能是理想状态。为了解决上述问题，在九架棚大桥的施工中，从前进分析、倒退分析、实时跟踪分析三方面入手，相互结合，实现成桥结构在线形、内力各方面满足设计要求的目标。（1）前进分析前进分析的目的在确定成桥结构的受力状态。这种计算的特点是：随着施工阶段的推进，结构型式、边界约束、荷载型式在不断变化，前期结构发生徐变和几何位置的改变。因而，前一阶段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。我们将这种按施工阶段进行的结构分析称为前进分析法。前进分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果，为结构强度、刚度验算提供依据，而且还可以为施工阶段理想状态的确定形成一个描述结构状态的数据文件，作为完成桥梁结构施工设计、控制的基础。（2）倒退分析前进分析系统可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于分析中结构节点坐标的迁移，最终结构轴线不可能达到设计轴线。实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要，线形误差将影响桥梁的合拢等。为了使竣工后的结构保持设计线形，在施工过程中用设置预拱度的方法来实现。而对于分段施工的连续刚构件，一般要给出各个施工结构物控制点的标高（预拱度），以便最终使结构物满足设计要求，这个问题比较复杂。倒退分析系统可以从根本上解决这一问题。它的基本思想是，假定t=t0时刻结构内力分析满足前进分析t0时刻的结果，线形满足设计轴线。在初始状态下，按照前进分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次拆除一个施工段对剩余结构的影响。在一个阶段内分析得到的结构位移、内力便是理想施工状态。各个理想施工状态的确定都是前进分析的逆过程，倒退分析程序系统的设计与前进分析相似，此外还注意了以下几点：①倒退分析系统用到的输入数据文件由前进分析提供，初始状态由前进分析确定。②拆除构件用相应单元退出工作的方式模拟，即在形成结构总刚度时，约束退出工作的节点，并去除退出工作单元的刚度。拆除大拿园的等效荷载，用被拆单元接缝处的内力反向作用在剩余主体结构接缝处来加以模拟。③拆除构件后的结构状态为拆除杆件前的结构状态与被拆除杆件等效荷载作用状态的叠加，即认为载这种情况下线性叠加原理成立。④被拆构件应满足零应力条件，剩余主体结构新出现接缝面应力等于此阶段对该面施加的预应力。这是倒退分析的必要条件。（3）反馈控制的实时跟踪分析。6.4现场测试与参数识别为了确保施工的顺利实施，施工过程中各项技术参数的准确测定至关重要，它时进行施工控制的必要初始参数，它为施工计算提供可实测依据，是最终实现施工控制目的的最关键一步。以下介绍九架棚大桥现场测试的内容及结果。6.4.1应力测试在大桥上部结构（箱梁）的控制截面布置应力量测点，以观察在施工过程中这些截面的应力变化及应力分布情况。结合反馈控制的实时跟踪分析系统（即随机最优控制系统），由反馈控制子系统提供最优可调变量的调整方案，由实时跟踪分析系统分析在计入误差荷变量调整之后每个阶段乃至竣工后结构的实际状态（这将有利于桥梁结构可靠度的后评估），同时可根据当前施工阶段向前计算至竣工，预告今后施可能出现的状态并预报下一阶段当前已安装构件或即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态，以确定是否在本施工阶段对可调变量实施调整。1）测试仪器的选择在九架棚大桥上，根据对多种应力测试仪器的性能比较，考虑要适合长期观测并能保证足够的精度，选用丹东市电器仪表厂生产的刚弦式应力计荷配套的频率接收仪作为应力观测仪器。该应力计的温度误差小、性能稳定、抗干扰能力强，适合于应力长期观测。主要性能指标如下：量程：0～40Mpa分辨率：〈0.2%FS〉稳定性：3～5Hz(0.1～0.16Mpa)/3个月；3～4Hz(0.1～0.13Mpa)/10℃2）测点布置应力计按预定的测试方向固定在主筋上，测试导线引至混凝土表面。上部结构（箱梁）总共布置74个应力量测点。拟选下游幅靠市中区侧的两个“T”作为箱梁应力观察对象。两个“T”的4个根部截面各布置8个测点，除侧板2个测点与水平成45°方向布置外（测主应力），其余6个测点均为顺桥向布置；其它7个截面各布置6个测点，均为顺桥向布置，具体位置见图3。3）应力观测结果在各测点位置用应力计可测得实际施工状态时箱梁内的应力，并以此来对结构安全进行评价。表1列出2号墩箱梁在施工8号块件时的钢束内力观测结果。6.4.2挠度观测挠度观测资料实控制成桥线形最主要的依据。根据以往的经验，在每个施工块件上布置3个对称的高程观测点，这样不仅可以测量箱梁的挠度，同时可以观测箱梁是否发生扭转变形。在施工过程中，对每一截面需进行立模、混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、钢筋张拉前、钢筋张拉后的标高观测，以便观察各点的挠度及箱梁曲线的变化历程，以保证箱梁悬臂端合龙精度及桥面线形。高程控制点布置在离块件前端10cm处，采用φ16钢筋在垂直方向与顶板的上下层钢筋点焊牢固，并要求竖值。测点（钢筋）露出箱梁混凝土表面5cm，测头磨平用红油漆标记。1）测点布置（1）0号块件高程测点布置布置0号块件高程观测点是为了控制顶板的设计标高，同时也作为以后各悬浇节段高程观察的基准点。每个0号块件的顶板各布置11个高程观测点。表1钢束内力实测表T04钢束T05钢束T06钢束T07钢束距离内力/KN距离内力/KN距离内力/KN距离内力/KN01441.0701454.90501465.13901480.0760.761522.5890.761536.5770.761547.5620.7611563.9281.5631571.0131.5631585.761.5641598.4021.5671616.595.5591769.9325.561782.8535.5661807.3675.5771836.610.3091820.14810.811804.76310.8161823.29310.8271847.02215.3091857.27311.561806.98811.5661825.16811.5771848.44717.3091853.62414.311832.85814.5661833.9114.5771854.12819.8091803.41418.3118