大跨预应力混凝土连续刚构桥施工监测控制

　　摘要：建立相应的数学模型、目标函数及物理模型,用以监测和控制施工过程，能够保证桥梁线形及内力符合设计要求,达到监控的目的。
　　关键词：大跨预应力连续刚构桥施工监测
　　预应力大跨径连续刚构特大桥主梁各施工阶段的变形值及预拱度虽然可以求出,但如在施工过程中不加以控制及调整，主梁标高将显著的偏离设计目标，造成合拢困难，并影响成桥的内力及线形。建立相应的数学模型、目标函数及物理模型,用以监测和控制施工过程，能够保证桥梁线形及内力符合设计要求,达到监控的目的。
　　1.大跨径连续刚构桥梁施工监控的目的和必要性
　　对大跨径连续刚构桥，从基础施工到通车运营，主要经历了下部施工、主梁悬臂施工、全桥合拢及桥面系施工等环节。尽管按照现有较为成熟的理论和方法可以方便地求出主梁各施工阶段的变形值及预拱度，但结构的实际变形却未必能达到预期结果，主要是由于各种因素的直接或间接影响，如设计计算所采用材料的力学参数（弹性模量、设计强度、收缩徐变系数等）、截面尺寸、施工荷载等与实际工程施工过程中所表现的相应参数不完全一致，或施工过程中不可避免的立模误差、测量误差、预应力张拉测试误差等，使得实际桥梁在施工过程中的每一状态不可能与设计状态完全一致，结构的受力和变形表现为非平稳的随机过程。上述偏差随连续刚构桥悬臂段的不断伸长而逐渐积累，如不加以控制及调整，主梁标高将显著的偏离设计目标，造成合拢困难，并影响成桥的内力及线形。
　　桥梁施工监测与控制是对施工中的主要环节及过程进行监测与控制，保证施工过程中结构处于安全状态，以及根据结构的实际状态，对利用各种测试及监测手段获取的数据进行跟踪修正计算，给出后续各施工阶段的标高及内力反馈数据，用以指导和控制施工过程，保证桥梁线形及内力符合设计要求。对实桥进行及时有效的监控，不仅可以避免施工过程中的不安全因素，而且可以为丰富设计理论、完善施工技术及保证施工质量提供可靠的技术保障。
　　2.施工监控内容
　　桥梁施工控制的任务就是对桥梁施工过程实施控制，确保在施工过程中结构的内力和变形始终处于容许的范围内，确保成桥状态（成桥线形与成桥内力）符合设计要求。
　　2.1几何（变形）控制
　　不论采用什么施工方法，桥梁结构在施工过程中总要产生变形，并且结构的变形将受到诸多因素的影响，极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置（立面标高、平面位置）状态偏离预期状态，使桥梁难以顺利合拢，或成桥线形与设计要求不符，所以必须对桥梁进行几何变形控制，使其在施工中的实际位置状态与预期状态之间的误差在容许范围和成桥状态符合设计要求。
　　2.2应力控制
　　桥梁结构在施工过程中以及在成桥状态的受力情况是否与设计相符合是施工控制要明确的重要问题。通常通过结构应力的检测来了解实际应力状态，若发现实际应力状态与理论（设计）应力状态的差别超限就要进行原因查找和调整，使之在容许范围内变化。结构应力控制不象变形控制那样易于发现，若应力控制不力将会给结构造成危害，严重者将发生结构破坏，所以它比变形控制显得更加重要，必须对结构应力进行严格控制。
　　2.3稳定控制
　　桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全，它与桥梁的强度有着同等的甚至更重要的意义。对桥梁施工过程中出现的失稳现象，目前主要是通过稳定分析计算（稳定安全系数），并结合结构应力、变形来综合评定、控制其稳定性。施工过程中除桥梁本身的稳定性必须得到控制外，施工过程中所用的支架、挂蓝等施工设备的各项稳定系数也应满足要求。
　　3.连续刚构桥梁的施工监控程序及方法
　　桥梁施工控制的主要任务是桥梁施工过程的安全控制和桥梁结构线形及内力状态的控制。施工控制采用预测控制法，即全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标任务，对结构的每一个施工阶段形成前后状态进行预测，使施工沿着预定状态进行。由于预测状态与实际状态间总是有误差存在，某种误差对施工目标的影响则在后续施工状态的预测予以考虑，以此循环直到施工完成和获得与设计相符的结构状态。
　　在实际监控中，首先将由设计单位计算确定的各施工阶段的主要测试部位的施工控制目标值输入监控管理系统，然后再对施工阶段完成后的现场监控数据进行判别，对两组数据进行分析，最后提出有关信息供施工控制决策。在桥梁施工过程中，由于混凝土龄期短，其徐变、收缩影响大，必须加以分析和控制。考虑徐变、收缩后的应力、应变、拱度等状态，监控单位按照设计单位提供的有关控制截面的应力、变形、桥墩位移、张拉束等控制值，分析、制订本阶段的监控目标，并在施工实施后进行偏差分析。施工控制的核心任务就是对各种误差进行分析、识别、调整，对结构未来状态进行预测。
　　对于分阶段悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续刚构桥，施工控制就是根据施工监测所得的结构参数真实值进行结构计算，确定出每个悬浇阶段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测的成果对误差进行分析、预测和对下一阶段立模标高进行调整，依此来保证成桥后桥面线形、合拢段两悬臂端标高的相对偏差不大于规定值以及结构内力状态符合设计要求。
　　3.1材料参数识别
　　通过对实际施工状态下的结构参数（混凝土的弹性模量、容重、收缩与徐变终值、预应力损失系数等等）的实测值和设计理论值之间的比较，对这些结构参数误差分析，最终识别结构参数的误差量。
　　3.2结构参数识别
　　根据确定的实际材料参数建立相应的结构计算模型，计算出实际状态下的结构参数（应力、位移等等），识别出设计结构参数和实际计算结构参数的误差值。
　　3.3结构参数预测
　　通过已浇注梁段结构参数的误差值，采取合适的预测方法（卡尔曼参数估计、灰色理论等等）预测即将浇注梁段的结构参数可能的误差值。
　　3.4优化调整
　　有以上的结构参数误差值，分析该误差值对全桥结构的位移和应力的影响，应用合适的优化方法（带权最小二乘法等等）调整已浇注梁段与即将浇注梁段的预拱度，从而确定未浇注梁段的立模标高，使成桥后的状态最大限度的接近理想设计状态，并保证施工过程中的受力安全。
　　4.前进分析
　　前进分析的目的在于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，结构形式、边界约束、荷载形式在不断改变，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。前进分析能够较好地模拟结构的实际施工过程。
　　前进分析法在一个施工阶段中，新拼装的杆件用激活两个节点间的新单元进行模拟，计算是对施工阶段循环进行，循环结束时分析结果是成桥若干年后结构的受力状态。对悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续刚构桥的前进分析，其分析过程为：
　　4.1确定结构初始状态：主要包括：中跨、边跨（次边跨）的大小、桥面线形、桥墩高度、横截面几何参数、材料参数、约束信息、预应力索信息、混凝土徐变信息、施工临时荷载信息、二期恒载信息、体系转换信息等。
　　4.2在每一桥墩上对称地依此悬臂浇筑各个块件，直到悬臂浇筑阶段完成，挂蓝拆除。计算每一悬臂浇筑时结构的内力和变形，每一阶段计算均以上一阶段结束时结构变形后的几何形状为基础。
　　4.3进行边跨合拢（次边跨合拢）、中跨合拢计算这几个主要阶段结构的内力和变形。
　　4.4桥面铺装：计算二期恒载作用下结构的内力和变形。
　　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梁桥，一般要给出各个施工阶段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。
　　5.倒退分析
　　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时刻结构内力分布满足前进分析t0时刻的结果，轴线满足设计线形要求。在此初始状态下，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、内力状态便是该阶段结构理想施工状态。
　　6.实时跟踪分析
　　在施工监控过程中，现场监控采集的数据是结构受力变形的真实反映，该数据与监控的目标值（即设计值）的偏离，是设计和施工中最为关注的问题。因此，首先应由设计单位提出在施工中几个阶段监控项目的目标值，以使施工过程得到安全保障，施工质量得以控制。桥梁施工控制的任务就是对桥梁施工过程实施监控，确保在施工过程中结构内力、变形始终处于容许的范围内，确保成桥状态符合设计要求。
　　设计文件中提供的桥面预拱度在实际的施工中的现实意义不太大，必须通过相关的材料模型试验确定施工过程的设计参数，准确的按照实际的施工周期进程确定相关的模型计算参数，从而确定更加接近实际状态的预拱度。对于高墩大跨经桥梁在建模计算过程中，墩身的弹性变形和收缩徐变变形对整个线形的影响很大，所以准确的测试墩身材料参数对整体线形控制具有相当重要的意义。