连续刚构桥施工线形和应力的分析与控制策略探究

李月森

（中交四公局第二工程有限公司， 北京 通州 101100）

随着人们交通越来越便利，大量的桥梁工程被建设。影响桥梁工程质量的主要因素为桥梁施工技术。在当今市场中，对桥梁工程提出了较高的要求，同时桥梁施工难度越来越大。任何桥梁施工是一项系统工程，可受到外界多种因素的影响，导致桥梁工程出现质量问题越来越多，因此要注重桥梁施工建设中的质量保障，不断调整施工状态，确保桥梁施工每个环节的质量。要对桥梁施工过程进行有效的监督，确保施工的各个环节，按照施工要求进行施工，提升桥梁的施工质量，并且在施工过程中找出影响桥梁施工质量的因素，加以控制，确保桥梁的施工线形以及应力不受到影响，即确保成桥后结构受力和线形满足设计要求[1]。

1 工程情况概述

在某大桥施工中，其主桥的结构采用结构为预应力混凝土箱型连续刚构桥跨布置，即70+120×2+70m。采用精轧螺纹钢筋作竖向预应力，桥面宽度为9.30m，行车速度为90km/h。

采用有限元软件进行计算，明确导致桥梁施工变形和应力变化的各项因素，即混凝土的收缩、徐变、温度变化。在该座大桥上，其共有3 个桥梁主墩，因此可以将主墩作为固定支座。现阶段该座大桥的施工阶段的总数约为59，总节点数为138 个。

2 桥梁悬臂施工各阶段立模标高的确定

在上述公式中，针对该座大桥的箱梁顶面中轴处设计标高有所代表，即可以利用HS表示；计算预拱度可以利用Hy表示,主要可以利用施工控制将分析值予以计算；挂篮变形调整值可以利用fg表示，可以通过试验将数值进行计算确定。 调整δ 为各种因素导致的误差调整值。将该桥的相应数据代入到上述公式中，从而确定该桥的立模标高。

3 线形预测与控制

线形控制是连续刚构桥施工监控工作的重要组成部分，其主要关系到桥梁的合龙效果，线性控制的好，大桥则可以顺利合龙，反之亦然，导致最终合龙的大桥无法达到预期的线形效果。目前，连续刚构桥的线形控制主要落实到桥梁每个施工阶段，主要采用控制每个阶段施工预拱度的方式进行预测，值得注意的是，在进行线形控制时需综合考虑多方面的影响因素，确保施工预拱度达到目标线形。

在桥梁的设计阶段，对桥梁各个施工阶段进行了有效的预测，可以利用有限元软件进行深层次的分析，将桥梁施工中各种影响因素予以排除，将桥梁施工状态作为理想状态，此时，通过有限元软件进行计算得到的桥梁施工数据为桥梁的理想状态，也是在实际施工中尽量达到的目标。但是在实际的施工中，桥梁施工过程受到多种因素的影响，导致实际施工状态与理想施工状态有着很大的差距。为了达到理想状态下的目标，应不断地将实际施工状态中的误差进行有效调整，逐渐的缩小，最大限度的达到理想状态，桥梁施工质量。同时通过对误差的有效控制，可以改善误差对于桥梁结构的影响，并且利用有限元软件可以实现对桥梁结构行为的有效预测，进而解决线形控制问题。为了使得桥梁达到理想状态，应将整个桥梁施工过程作为动态系统，并对各种影响因素的信息进行有效收集，不断调整误差，制定最佳方案，促使桥梁施工可以达到桥梁的最佳状态。为了对桥梁施工情况进行有效的预测，可以采用Kalman 滤波法、灰色理论等方法的结合方式进行预测，并且调查实际情况，找出两者差距，加以解决，提升桥梁线形控制的精准度[2]。

3.1 灰色系统理论及其应用

在上述公式中，发展系数主要利用a 进行表示，灰作用量主要利用b 表示。该模型为残差模型，在进行预测分析时，要对预测值进行不断的修正，可以将桥梁的实际动态情况进行反映。

该桥主要采用悬臂浇筑施工，并将桥梁各个阶段的预拱度进行调整，可采用等维灰数递补数据处理技术对灰色GM（1，1）模型进行改进，得出一个新值。在保证样本序列维数不变的前提下，确保样本数据中含有最新的数据信息，并且依据最新的数据建立GM（1，1）模型。采用这种方式不断修正预测模型，提升预测值的精准度。

3.2 Kalman 滤波法及其应用

Kalman 滤波法能够从繁杂的信号中，获取所需要的真实信号，通过滤波的反映，将整个系统的真实状态进行预测，进而实现对整个系统的有效控制。在该大桥施工中，可以作为状态变量是桥左右两臂的预拱度。可以用公式X (k)=φ( k,k-1)X(k -1)+W(k-1)表示桥梁预拱度已施工阶段和待施工阶段。

在上述公式中，可以将第k-1 阶段预拱度和第k 阶段预拱度之间的计算值进行对比，可以利用φ ( k ,k-1)加以表示。即 φ （ k, k-1)=X(k )/X(k-1)。

可以将预拱度的观测方程设置为：Y（k）=X（k）+V（k）。

Kalman 滤波递推公式如下：

其中，I=H（k）。由于桥梁测量误差是随机，实现预拱度的有效计算。

3.3 Kalman 滤波法与灰色理论法的结合

该桥梁通过上述公式进行预测后，灰色理论的预测结果误差小于Kalman 预测结果误差。但是Kalman 滤波法的滤波误差较小，因此，可以选用Kalman 滤波法进行预测，从而使得最终的测量结果符合真实值。利用灰色理论进行预测从而确定该桥梁预拱度、标高及误差，具体数据如表1 和表2 所示。从而将预测标高误差和实际标高误差缩小，最终确定桥梁的成桥形。

表1 不同方法预测的标高

表2 不同方法预测标高与立模标高误差

Kalman 预测 0.005 0.028 0 0.040 0.030 灰色预测 0.015 0.018 0 -0.100 -0.037 滤波后灰色预测 -0.005 -0.002 0 0 0

4 应力监测与误差分析

在桥梁施工中，施工过程会受到多种因素的影响，导致理论应力分析值和实测应力值是不尽相同的。要想保障该桥梁的工程质量，需对误差进行合理的分析和及时处理，完成现场应力监控工作。其中可以将各类分为两种误差类型：造成系统误差的因素主要有：混凝土收缩徐变量、元件测试精度等；造成随机误差的因素主要有：施工偏差、混凝土强度、温度等[3]。

（一）混凝土收缩徐变影响在桥梁建设施工中，钢筋和混凝土是两种不同的施工原材料。且钢筋和混凝土两种原材料之间的物理力学性能是不相同的。而钢筋混凝土作为一种组合材料，被广泛的运用在建筑工程中。在持续应力作用下，并且随着时间的推移，钢筋混凝土组合材料中的混凝土会发生徐变。混凝土受到的影响因素众多，导致其逐渐发生收缩现象，而钢筋因为物理力学性能与混凝土之间有着差异性，使得钢筋施工原材料不会发生混凝土的徐变现象。两种施工原材料所受到的影响因素不一致，发生的变化也不一样，钢筋混凝土构件上的应力分布出现了不均匀的现象。随着桥梁施工技术不断发展，可以在桥梁的预定位置安排传感器，传感器能够将所在点的变形变化量的总和加以反映。其中混凝土收缩、徐变量的大小可以影响到传感器的读数。在悬臂浇筑阶段，主梁结构能够自由收缩，但是混凝土收缩却不会在主梁结构上产生应力，在主梁结构中埋下传感器，其所感受到的混凝土收缩量并不真实，往往都是将混凝土的真实应力增加。在应力监测中为了避免由非应力变化所产生的误差，可以采用盈利传感器，获得应力值与真实值十分相近。

（二）温度影响。

在桥梁应力值的测试中，可以知道，桥梁应力值与温度受到温度的影响，温度影响主要分为季节温度的影响和日照温度的影响，季节温度为一年四季的温度对桥梁应力值的影响，在这种温度影响下，应力值的变化较为稳定，但是会产生附加的温度应力。而日照温度对卡量各个部位有着一定的影响，可在桥梁截面等部位形成温度梯度，但是因为桥梁为静结构，在理论上，不会产生温度应力。但是在实际测量中存在着一定的差距，为了减少温度应力，可以选择气温变化度较小的早晨进行测量计算。

（三）混凝土强度影响。

该桥梁主梁的混凝土设计主要是按照50 号设计的，但是实际的测量强度与桥梁设计时的强度有着差距，这个差距对桥梁结构的受力有着一定的影响，因此在测量强度时，应充分提高混凝土的强度，减低误差影响。

（四）施工偏差。

在桥梁工程施工中，会存在着施工偏差，这种偏差影响着应力测试偏差。元件埋没位置存在偏差，影响到应力值的测试精准度，进而出现误差。

5 结束语

综上所述，在桥梁施工中要注重施工线形的控制，全面详细的了解施工相关数据，为了保证线形达到预期要求，需要对混凝土进行控制，不断调整，最终确定桥梁的施工顺利。而灰色理论的标高预测结果与真实值有着很大的接近，而Kalman 滤波法可以滤波预拱度的值，利用Kalman 滤波法、灰色理论等方法实现应力施工监控，进而提升桥梁施工质量。而且要对施工过程中的影响因素进行控制，降低应力测量值的误差予以计算。