自适应控制法在桥梁施工挠度控制中的应用

2010-06-12庄志宏

山西建筑 2010年27期

庄志宏

大跨径多跨连续梁桥悬臂浇筑施工最重要的任务之一就是挠度的计算与控制。为确保结构合龙精度和成桥运营状况下的线形,结构状态参数的选取及悬臂浇筑过程中预拱度的设置显得至关的重要。本文结合笔者驻施工现场半年的体会和正在施工的南港特大桥的现状,阐述挂篮悬臂浇筑混凝土挠度控制的方法。

1 工程背景

厦漳高速南港特大桥上部结构采用45 m+60 m+45 m预应力混凝土连续梁结构体系,双幅布置,采用双箱单室截面,箱梁采用三向预应力混凝土结构,混凝土采用50号混凝土,单幅主梁梁顶宽17 m,梁底宽11 m,顶面设单向4%横坡,支点处梁高3.8 m(与跨径的比值为1/15.79),跨中和边跨端部截面梁高2.2 m(与跨径的比值为1/27.27),梁高采用圆曲线插值,半径 R=245.8 m。箱梁两侧悬臂板长度为2×3.0 m,根部厚度为115cm(与翼缘悬臂长度比值为1/2.6)。箱梁底板厚度从30cm变化到根部55cm(根部0号梁段采用直线变化加厚到 75cm);腹板厚度采用45cm,95cm及120cm三种厚度。

设计等级为高速公路,计算行车速度为100km/h,桥面总宽为2×17 m,按双向六车道设计(标准横坡为4%),桥涵设计荷载为公路—Ⅰ级;地震基本烈度为 7度,风荷载基本风速为39.7 m/s,通航标准为国家内河Ⅳ级航道,通航净高14.5 m,净宽大于110 m,设计最高通航水位4.77 m。

下部主墩为2.3 m×2.0 m钢筋混凝土三柱式墩,基础为直径1.5 m双排钢筋混凝土群桩;136号交界墩为直径1.8 m钢筋混凝土三柱式墩,2.2 m×1.8 m钢筋混凝土墩帽,139号交界墩为直径1.6 m钢筋混凝土三柱式墩,2.0 m×1.6 m钢筋混凝土墩帽,交界墩基础为直径1.2 m双排钢筋混凝土群桩。

2 影响挠度控制的因素

1)桥面临时荷载。主梁悬浇施工过程中,不可避免会出现一些施工机械设备或建筑材料随意堆放的情况,当堆放的重量较大时,尤其是在大悬臂状况,这种临时荷载对主梁挠度的控制将造成一定影响。因此,必须及时清理现场,尽量将荷载移至主墩上方,减少测量和定位误差。2)混凝土超浇筑方量不对称或不同步。由于施工模板尺寸或者定位尺寸偏差,实际悬浇梁段重量与设计理论重量存在一定偏差,主梁两端造成不对称施工。或者在对称浇筑过程中,混凝土下料速度不同步,造成T构不对称荷载受力。当悬臂力臂越长,不对称偏载效应越明显,对挠度的控制影响将会越大。3)挂篮定位时的温度影响。悬浇最后阶段时,主梁处于长悬臂状态,此时,结构将对温度变得比较敏感,特别是夏季施工,昼夜温差较大,结构温差荷载效应非常明显,悬臂端昼夜标高变化较大。测量数据受到日照温差的影响,设计时,无法预知现场温度场的变化,因此,测量宜选择在温度较低且稳定的时段,如早晨或傍晚。4)预应力张拉及预应力损失的误差。悬臂施工时,由于预应力张拉控制力以及预应力损失现场实际情况必然与理论计算存在一定的差异。悬臂施工时,张拉后主梁理论上翘量与实际情况多少存在一定差异。因此根据现场实际情况,合理取值,计算预应力损失将是影响线性控制的一个重要因素。5)挂篮非弹性变形。悬臂浇筑施工,挂篮循环拆除、定位,每次移动挂篮,它的非弹性变形均不相同,理论计算无法计入,而每次非弹性变形的影响也无法预知,因此拖动挂篮到位后,宜将挂篮预压一段时间,等观测非弹性变形稳定后,再调节螺杆定位标高。6)混凝土弹性模量 Eh。设计时,所有梁段混凝土弹性模量均是按照规范取值,而实际施工时,混凝土材料特性各异,这样就存在理论混凝土弹性模量与现场实测混凝土弹性模量之间的差别:a.影响整体计算刚度;b.影响后期混凝土的徐变,最终将反映到结构的实际变形。7)混凝土徐变及收缩。影响混凝土徐变、收缩的因素很多,既包括内部材料特性、几何性质、养护条件,又包括外部环境条件和荷载条件,建模时需充分考虑各种因素影响,明确加载时间和加载值,即使如此,由于理论条件与实际环境的差异的存在,结构收缩、徐变效应必然也和计算结果存在一定的偏差。

3 施工挠度控制

悬浇施工过程是一个历经挂篮定位→立模→浇筑→张拉→拆模→挂篮前移定位的循环过程,为此,我们必须循环观测每个工况桥梁节段的标高变化情况。

厦漳高速南港特大桥,结合施工工序进行施工阶段分析,全桥共划分为172个单元,共173个节点。

对于预应力混凝土桥梁,施工中每个工况的受力状态达不到设计所确定的理想目标的重要原因是有限元计算模型中的计算参数取值,主要是混凝土的弹性模量、材料的比重、徐变系数等与施工中的实际情况有一定的差距。要得到比较准确的控制调整量,必须根据施工中实测到的结构反应来修正计算模型中的这些参数值,以使计算模型在与实际结构磨合一段时间后,自动适应结构的物理力学规律。在闭环反馈控制的基础上,再加上一个系统参数辨识过程,整个控制系统就成为自适应控制系统。

当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时,把误差输入到参数识别算法中去调节计算模型的参数,使模型的输出结果与实际测量到的结果相一致。得到修正的计算模型参数后,重新计算各施工阶段的理想状态,按上所述的反馈控制方法对结构进行控制。这样,经过几个工况的反复辨识后,计算模型就基本上与实际结构相一致了,工况状态可进行更好的控制。厦漳高速南港特大桥梁采用上述方法控制的部分结果见图1,图2(其中,横坐标表示挂篮浇筑梁段编号)。