高墩大跨度连续刚构桥施工监控

李家祥

[摘要]近些年来,在西部大开发的交通建设中,穿越山岭重丘区架设在陡坡深谷之间的高墩大跨度桥梁日益增多,给高墩、大跨度连续刚构桥的发展带来了新的机遇;同时将如何有效地提高该类桥梁的施工控制水平,确保结构的安全和稳定,保证结构的受力合理和线形平顺,为大桥安全、顺利架构提供技术保障,既是施工中特别需要关注的问题;将是本文即要探讨的要点所在。

[关键词]高墩 大跨度 连续刚构桥 施工监控

1 施工监控的目的与原则

连续刚构体系在施工过程中要经历多次体系转换,结构单元数量、荷载逐段变化,是一种复杂的超静定结构。为了保证工程施工质量,就需要有一个科学、合理、适时的施工控制系统,来综合考虑各种影响因素 (温度差异、应力变化),严格监控整个施工过程中结构的变形、应力、内力情况,达到指导施工的目的,以确保桥梁的成桥线形及结构受力状态符合设计要求。其控制原则为:(1)施工过程中以截面的应力和内力为主要控制对象;(2)悬臂段合拢相对高差控制在20mm以内;(3)桥面线形调整引起的桥面垫层厚度增减绝对值最小,平均值符合设计要求;(4)桥面预拱度满足二期恒载、1/2活载作用和设计混凝土徐变年限内的徐变变形要求。

2 施工监控的方法

2.1施工过程模拟分析方法

施工过程模拟分析是桥梁监控的理论依据,由工程实际建立理论模型,对结构各阶段的内力和挠度进行计算。在施工控制计算中,将各主梁离散呈单梁单元,三个墩底视为固结,两边跨端视为链杆支承。将单元几何信息及各施工阶段的荷载、徐变、收缩、预施力等信息输入数据文件,先进行前进分析计算,再进行倒退分析计算。某大桥的施工仿真计算采用了目前能够应用于施工监控的大型空间有限元软件进行施工仿真计算,并采用其空间结构计算软件再行校核.

2.2参数调整理论

设计参数识别是根据施工中结构线形或内力的实测值对主要设计参数进行识别,寻找产生偏差的原因。然后将修正过的设计参数反馈到仿真数值模型中去,重新给出施工中内力和挠度的理论期望值,以消除理论值和实测值不相一致的主要部分,最后达到内力和挠度双控的目标。至于灰色预测控制,则是将各控制点的标高理论计算值减去实测值得到误差序列,建立误差序列的函数模型,求得误差函数,得到误差估计值,将误差估计值和理论值相加得出预测值。

由于连续刚构桥悬臂施工中对线形误差的纠正措施比较少,控制误差的产生就显得尤为重要。鉴于此,当处在预应力砼梁桥挠度控制过程中可将这两种理论相结合,充分发挥各自的所长。其处理思路是:在施工阶段,根据状态变量(控制点位移、控制截面内力)的实测值和相应理论值,运用参数识别法对其影响参数进行识别和修正,重新给出理论期望值;然后根据理论期望值和实际值的差别运用灰色预测法对下一节段的误差进行预测筛选。这样既消除了产生偏差的主要因素,又将控制系统自身的误差及其他难以精确计算的随机因素的影响原因降到最小化。

3 施工监控的主要内容

3.1高程线形控制

对于高程线形监控,目前一般有卡尔曼滤波法、自适应控制法和人工网络神经(BP网络)等方法。居于自适应控制方法易于被广大工程技术人员理解和掌握,已在多座桥梁建设中成熟应用。因此,该大桥在高程线形监控方面均采用自适应控制方法。现具体介绍如下:

(1)箱梁理论标高的计算

在实施监控之前,必须做好箱梁设计线形、目标线形和预拱度线形设计。箱梁三条理论曲线确立后,即可以应用预拱度曲线确定箱梁立模标高:

H琲┝⒛＊=H琲┥杓篇+f1/2静活截猧+f┖笃谛毂洫猧+F┛⒐お猧

式中:H琲┝⒛＊—第i阶段的立模标高;

H琲┥杓篇—第i阶段的设计标高,由设计方提供;

f1/2静活截猧—桥梁承受1/2静活载所引起的变形;

f┖笃谛毂洫猧—桥梁竣工后由于混凝土后期徐变引起的变形,可通过结构计算求得;

F┛⒐お猧—结构某一点在立模之后,由于以后的施工操作使该点产生变形,这种变形直到成桥竣工时为止。

在标高控制中,只要理论模型与实际相吻合,就可以根据上式得到立模标高,在节段施工时,准确放样立模标高,即可以达到控制的目的。当实测变形和理论计算值不吻合时,应调整计算参数,修正理论模型,消除理论和实际的偏差,掌握实际变形的规律,通过调整立模标高对桥梁进行控制。

(2)箱梁理论挠度测试方法

结合以往施工监控经验,在该大桥施工中,对每个箱梁悬臂浇筑阶段进行四次量测:(a)挂篮移动后;(b)节段混凝土浇注完;(c)张拉预应力筋前;(d)张拉预应力筋后。这样既抓住了施工控制的关键阶段,也满足了施工控制的各项要求。

(3)箱梁实测数据处理、参数识别和预测标高

箱梁实测数据处理、参数识别和预测标高是相互关联的三个环节。对于实测数据处理的要求是及时准确,处理时对疑问数据要及时复测、复查;参数识别是依据四阶段测量的实测值对主要设计参数进行分析,然后将修正过的设计参数反馈到控制计算中,重新给出施工中的结构内力、变形值,以消除理论值和实测值的偏差;预测标高在参数识别的基础上进行,参数识别时对实测数据的分析要准确无误,对温度影响,采用温度与挠度变形对比量测解决。

(4)温度变化对高程线形的影响

实测数据的主要影响因素是温度变异,因此,对温度变化影响高程线形的研究是必不可少的。由于温度场随时随地都在变化,要精确计算温度的影响几乎是不可能的。为了尽量避免温度变化对高程线形的影响,在箱梁施工阶段确立筑模标高的时候,应尽可能选择在温度较稳定、影响较小的时分进行。

3.2应力控制

施工控制中应对结构分析所确定的关键截面的受力情况进行应力监控,适时发出安全预警以采取处置措施和保证结构安全。应力控制是将现场实测值和理论计算值相比较,通过二者偏差调整设计参数修正计算模型,以达应力控制的目的。

目前应力检测是通过检测应变来反映,而应变检测常用钢弦式应力计和钢筋式应力计。钢弦式应力计由于具有性能稳定、使用简便、受温度影响小且适于长期观测而得到广泛应用。为了减小温度的影响,观测时宜安排在早晨进行,这样能将温度引起的误差降到最低限度。

4 对施工监控的几点看法

(1)对大跨径连续刚构桥进行施工控制的必要性

设计文件所提供的预拱度一般不能满足实际施工要求,施工控制不但能起到补充设计和辅助指导施工的作用,更重要的是能起到对影响施工目标实现的各种因素的深入研究、检测及相关问题的解决,对深刻认识大跨径连续刚构桥的受力及变形特点,提高大跨径连续刚构桥梁的设计、施工水平是十分的有意义性。

(2)施工监控技术有待更深一步研究和完善

应该研发专用的施工控制分析软件,这样能减少工作量和避免出错;在影响箱梁挠度的众多因素中,对温度因素应特别重视,有待深入研讨。

(3)施工监控工作应向桥梁运营阶段延伸

桥梁运营期间的内力和挠度监测能进一步检验施工控制的最佳效果,能完善和提高实际和施工控制的技术水准,同时具能预报桥梁运营期间可能出现的病害和隐患问题。