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预应力连续刚构桥梁悬臂施工控制论文
关键词：桥梁 连续刚构 悬臂施工 施工控制
摘要：桥梁施工监控主要是施工过程的安全控制以及线形与内力状态控制，本文主要是研究预应力砼刚构桥悬臂施工控制方案，为同类桥梁的施工控制提供可行依据。
1.工程概况
梅山大桥的主桥为预应力砼连续刚构桥，其跨径为130+75+130，主梁为单箱单室型断面，主桥箱梁顶板宽13.55m，底板宽5.5m，根部梁高7.5m，高跨比1/17.3；跨中梁高3.3m，高跨比为1/39.4，梁底变化曲线为1.7次抛物线；箱内顶板厚度标准段为28cm，根部加厚到50cm；腹板厚度从根部到跨中按85cm、70cm、55cm直线线性变化；底板厚度根部是110cm，跨中32cm，变化规律同梁底变化曲线。主桥箱梁采用纵、横、竖三向预应力混凝土结构。双薄臂桥墩，采用挂篮进行分节段悬臂施工，墩梁分别采用40#、55#高强砼。设计荷载为公路－Ⅰ。连续刚构在两个墩上按照“T构”用挂篮分段对称悬臂浇筑，合拢段吊架现浇，边跨现浇段采用落地架现浇方式。全桥按对称悬臂浇筑→边跨合拢→中跨合拢顺序进行施工。
2.施工控制的目的
对于分阶段施工悬臂浇筑施工的混凝土连续刚构桥来说，施工控制就是根据施工监测所得的结构参数真实值进行施工阶段计算，确定出每个悬浇节段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测成果对误差进行分析、预测和对下一立模标高进行调整，以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.施工控制的方法
3.1建立控制计算模型
该桥采用桥梁专用有限元软件Midas/Civil建立连续刚构桥的整体计算模型，包括桥梁上部结构和下部结构(双薄壁墩)。应用Midas/Civil软件模拟施工过程中各梁段混凝土浇筑、预应力张拉、挂篮移动等因素，进行施工阶段应力、变形的计算和验算。梅山大桥连续刚构主桥共划分为86个单元，其余单元为双薄壁单元为16个，所有的单元均采用梁单元/变截面梁单元模拟。整个结构在墩底固结，两端约束为沿桥轴向的滚动支座，墩梁刚性连接。梅山大桥采用悬臂浇筑施工，施工过程包括0#块支架施工，挂篮悬臂施工，边墩现浇段施工，合龙段施工。每一个施工节段包括混凝土浇筑，张拉预应力钢束，前移挂篮三种工况，其中挂篮以集中力和力矩形式加载在每个施工节段节点其间考虑混凝土湿重对下一施工阶段的影响，二期恒载以均布荷载施加整桥，严格与实际施工阶段相对应。计算模型如图3―1所示。
3.2自适应控制理论
对于预应力混凝土连续刚构桥梁，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计算模型中计算参数的取值问题，主要是混凝土弹性模量、材料的容重、徐变系数和永存预应力等与施工中实际情况有一定的差距以及环境温度、临时荷载的影响。要得到比较准确的控制调整措施，必须先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，当计算模型与实际结构相吻合后，再用计算模型来指导以后的施工，这就是自适应控制的基本原理。在闭环反馈控制基础上，再加上一个系统辩识过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。图3-2为控制原理图。
当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，通过将误差输入到参数辩识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一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态。这样，经过几个工况的反复辩识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。
桥梁的施工控制是一个预告-施工-量测-识别-修正-预告的循环过程。施工控制的要求首先是确保施工中结构的安全，其次是保证结构的内力合理和外型美观。为了达到上述目的，施工过程中必须对桥梁结构内力(如主梁应力)和主梁标高进行双控。采用悬臂浇筑的连续刚构桥在施工过程中是静定结构，只要严格按桥梁施工规范进行操作，内力状态一般能够得到保证，主要问题是施工中及长期徐变挠度的控制。由于连续刚构桥在施工过程中及合拢时不具备斜拉桥的索力调整能力，一旦发生线形误差，将永远存在于结构中，因此，及时发现误差原因，尽量减小误差发生的可能性是连续刚构施工控制的关键。所以，对于连续刚构施工控制系统除了要求具备常规的结构分析计算手段外，具有在施工现场消除设计与实际不一致的自适应能力就成为关键，只有这样才能及时提供控制标高和控制内力的修正值。
3.3桥梁立模标高的确定
在主梁的悬浇过程中，梁段立模标高的确定关系到主梁的线形是否平顺、如果在确定立模标高时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确控制，则最终桥面线形较为良好，反之控制不力，会出现较大偏差。众所周知，立模标高并不等于设计桥梁建成后的标高，为使成桥线形与设计线形相符合，总要设一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形。立模标高公式如下：
式中：―i节段立模标高（节段上某确定位置）
―i节段设计标高
―由各梁段自重在i节段产生的挠度总和
―由张拉各节段预应力在i节段产生的挠度总和
―混凝土收缩、徐变在i节段引起的挠度
―施工临时荷载i节段引起的挠度
―使用荷载在i节段引起的挠度
―挂蓝变形值 其中挂蓝变形值是根据挂蓝加载试验，综合各项测试结果，最后绘出挂蓝荷载―挠度曲线，进行内插而得。而五项在前进分析和倒退分析计算中加以考虑输出结果的预抛高值就是这五项的挠度值的总和。即
3.4桥梁现场施工监测
3.4.1挠度监测
连续刚构桥施工控制的主要目的之一就是控制成桥线形，实时的挠度观测数据是实现挠度控制保证成桥线形的主要依据。对于采用挂篮悬臂浇筑施工的主桥箱梁施工控制观测点基本上按照设计方式设置，在每一悬浇节段顶面端部3-5（cm）处预埋五个钢钎，作为观测点。这样不仅可以观测箱梁的挠度，同时可以观察箱梁是否发生扭转变形。在施工过程中，对每一断面需要进行立模、混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、钢束张拉前、钢束张拉后的标高观测，以便观察悬臂浇筑梁段的各点挠度及T构的整体线形变化历程，同时考虑主梁线形对温度、日照较敏感，测量时间应选在日出之前温度较恒定的时段内进行，以保证T构悬臂端的合龙精度及最终的全桥线形符合设计标高。
3.4.2应力监测
连续刚构桥梁应力（或应变）监测主要是对施工阶段的主梁、桥墩的应力（或应变）进行监测。通过应变跟踪观测，随时知道梅山大桥主梁受力状况以及各施工阶段箱梁关键部位应力的变化规律，比较理论值与真实值判定应变是否超限，把握结构的安全状况和保证施工安全。该项观测在每一施工阶段都要进行，贯穿整个施工过程。梅山大桥结构应变监控的主要内容：对主桥中、边跨混凝土箱梁主梁、桥墩的关键断面，实行每一节段施工过程中共监测4次，分别是混凝土浇筑前、后，预应力张拉前、后，在主梁合拢及二期恒载施工完毕也应进行应力应变监测。测试时间选择在日出前温度较稳定时。
3.4.3温、湿度场观测
桥梁结构处于一个变化的温湿度场中，理论上说由于温度变化和湿度变化，桥梁的断面应力和主梁标高每时每刻都在变化，这就给测量结果带来不确定的因素，要完全解决温湿度问题，有很大的.难度。对主桥各部位温度的监测，与变形共同分析，必要时还需要对箱梁断面温度分布和大气温湿度进行监测。
梅山大桥温湿度监测的主要内容如下：
（1）桥址环境温度，大气温湿度；
（2）主桥混凝土箱梁以及桥墩的内外表面温度。
温湿度监测贯穿整个施工过程，针对箱梁关键部位布置温湿度观测点进行观测与主梁的线形监测同时进行，一般选择在日出前完成。温度梯度监测为昼夜24小时连续观测，间隔4小时，分别在2：00、6：00、10：00、14：00、18：00、22：00等时刻进行观测，以了解温度变化对桥梁结构内力、变形的影响，为施工控制和箱梁应力分析提供依据。
3.4.4钢绞线管道摩阻损失的测定
在进行预应力钢绞线和预应力筋张拉时，由于管道摩阻、温度变化、锚具等原因造成预应力不同程度的损失，预应力张拉质量的监测旨在定量的测定预应力的损失，以确定实际有效的预应力，为结构分析计算提供依据。
测试的基本内容为：
（1）锚圈口摩阻损失测定；
（2）孔道摩阻损失测定，确定实际孔道摩阻系数和偏差系数。
3.4.5砼弹性模量、容重以及收缩徐变的测试
混凝土收缩徐变对主梁内力与挠度均有较大影响，应专门惊醒混凝土7、14、28、90天四个加载龄期的收缩、徐变试验，得出相应的收缩徐变系数和弹模值。同时，采用箱梁悬臂浇筑混凝土现场取样，制成试件。先对试件尺寸进行精确测量，分别测定3、7、14、28、60、90天龄期的弹性模量值，通过万能实验机进行测定，以得到完整的弹性模量与龄期E―t变化曲线，为主梁预拱度的修正提供依据。混凝土容重的测量也是在现场取样，采用实验室的常规方法进行测定。
3.5施工误差的调整
施工误差调整应从两个方面着手解决，一方面是设计参数误差调整即参数的估计与修正，另一方面进行施工误差的调整，用Kalman滤波法、灰色理论等方法对以后每个块件的施工误差进行调整.两者缺一不可.参数识别与修正桥梁结构的实际状态与理想状态存在一定的误差（设计参数误差、施工误差、测量误差以及结构分析模型误差等）因此本桥采用卡尔曼滤波对施工误差的特性进行分析，然后运用最小二乘法对设计参数进行识别，最后确定施工误差调节控制方案。
4.结论
利用工程实例对预应力砼刚构桥悬臂施工的特点进行的详尽的分析，对施工控制方案的制定、实施及其施工控制过程中的影响因素作了全面的分析，使桥梁结构始终处于安全的可控状态，为施工的顺利进行提供了可靠的保证。
参考文献
[1]顾安邦，张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京：机械工业出版社，.
[2]徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京:人民交通出版社，.
[3]葛耀君．分段施工桥梁分析与控制[M]．北京:人民交通出版社，．
[4]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社，
浅谈大跨度连续刚构桥梁的施工控制
根据控制截面的`应力应变和主梁标高的测量是桥梁施工控制的主要测试工作,就应力应变监测关于传感器的选择、应变监测断面的布置进行了探讨,并对高程控制的观测和立模标高的修正作了论述,从而确保大跨度桥梁施工过程的安全和质量.
作 者：周志光 ZHOU Zhi-guang 作者单位：深圳市路桥建设集团公司,广东,深圳,518000 刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)： 35(13) 分类号：U445 关键词：大跨度 连续刚构桥 应力应变 高程测量 立模标高悬臂灌注预应力混凝土连续梁(刚构)施工及设计
悬臂浇灌预应力混凝土连续梁(刚构)是近年来广泛应用于铁路、高速公路、市政工程的一种桥型,通过对该类桥梁的设计浅析特别是施工探索,试图给设计、施工和管理等方面提供较有价值的参考.
作 者：栾昌信 Luan Changxin 作者单位：中铁十四局集团第三工程有限公司,山东兖州,27 刊 名：铁道标准设计 ISTIC PKU英文刊名：RAILWAY STANDARD DESIGN 年，卷(期)： “”(4) 分类号：U445.466 关键词：悬臂灌注法 连续梁(刚构)桥 设计 施工浅析连续刚构桥梁施工监理要点
本文主要从承台大体积混凝土施工监理、0号梁段施工监理、悬臂段施工监理、合拢段砼浇筑质量监理、预应力钢束张拉质量监理这5个方面去论述连续刚构桥梁施工监理要点.
作 者：闭华辉 Bi Huahui 作者单位：广西桂通公路工程监理咨询有限公司,广西,南宁,530021 刊 名：科学之友 英文刊名：FRIEND OF SCIENCE AMATEURS 年，卷(期)： “”(24) 分类号：U445.1 关键词：连续刚构桥 预应力混凝土 施工监理在桥梁施工中，混凝土是应用最为广泛的材料。混凝土材料特性不稳定，容易受到季节气候、温度以及湿度等因素的影响。通常，在混凝土自重、桥面荷载等影响下，桥梁线性得不到很好的控制。而要使施工过程中的应力以及挠度变形得到控制，就需要计算出不同施工段桥梁的受力以及变形的理想值。为了实现桥梁工程质量的控制，对桥梁施工过程进行仿真实验有非常积极的意义。所以文章结合MIDAS/Civil、ANSYS等软件对浙江宁波地区的一座桥梁的施工全过程进行仿真分析。文章在仿真过程中涉及的方法较多，对全桥结构仿真主要通过构件分析建立详细的模型，然后运用数值分析方法获取分析结果，最后通过图形软件来获得相关定论。
1 工程概况
A桥位于浙江宁波，全长1578m，主桥为五跨（55m+3X100m+ 55m）预应力混凝土变截面斜腹板连续箱梁，长410m，引桥左侧为4跨35m预应力混凝土简装连续箱梁，右侧为5×50m预应力混凝土等截面连续箱梁十2×（7×35m）+8×35m预应力混凝土简装连续箱梁组成。设计车速100km/h，荷载汽车-超20级，挂车-120级，抗震等级为8级。该桥采用挂篮悬臂现浇法进行分段对称施工。其中，主桥混凝土箱梁采用三向预应力，张拉顺序为先纵向后横向，并按对称、均匀的原则实施。
2.1 ANSYS
该软件具有丰富的材料库以及单元库，能够对任何结构形式的桥梁进行全桥仿真分析。该软件应用可以使全桥仿真通过对各种载荷工况的组合，反映出桥梁的综合特征，如应力分布、自振频率、变形情况、地震响应、振形、失稳特征等。
2.2 GQSJ
本系统为桥梁结构设计系统，可以对不同施工段的荷载进行计算。
2.3 Dr.Br1dge
应用本系统对模拟施工中的临时支架以及挂篮设备，对桥梁结构上下部的共同作用进行分析。包括对拉索面积、施工张拉力的计算以及抗裂性、强度等计算。
2.4 MDIAS/Civil
应用本软件进行水化热分析、非线性边界分析、材料非线性分析、动力以及静力弹塑性分析。
4.1 A大桥温度场仿真分析
根据研究资料表明，温度场对桥梁的影响是比较严重的，不仅容易改变桥梁结构的承载力，也容易造成桥梁疲劳损伤，降低使用寿命。因此本部分通过MIDAS/Civil软件对桥梁结构结构应力以及挠度等进行仿真测试。为了有效地减少温度对桥梁结构的影响，本仿真选择温度场较稳定的时间段对悬臂箱梁的应力以及挠度变化进行仿真分析，混凝土温度测试选择直径d=4mm的温度传感器，设定不同天气变化对桥梁施工全过进行仿真分析。
4.2 温度场仿真结果
箱梁应力随着温度场的变化而产生明显变动。通过实测数据可以观察到当温度上升时，箱梁悬臂上缘应力迅速变大，而下缘应力变化相对较慢。通过MIDAS/Civil软件得出的计算值可以看出缘应力随温度梯度增大而增大。而其中最大压应力和最大拉应力产生在顶板和腹板的中心位置。
在温度场下，桥梁的方位、朝向等都会对混凝土结构温度造成不同的影响，而箱梁结构的底板和顶板之间温差比较明显。通过分析可以知道，梁桥易受外界温度变化的影响。
通过对实测值与MIADS/Civil软件计算值进行对比分析后，可以知道箱梁挠度随温度梯度上升而上升，随下降而下降。
5 结语
文章以A桥梁为研究对象，对预应力混凝土连续桥梁施工控制进行了仿真分析，在本仿真中，笔者还应用灰色系统理论对箱梁挠度和应力进行了拟合以及预测，由于篇幅问题，未予列出。仿真表明，在实际的施工控制中，应该注重从钢筋预应力、混凝土收缩徐变、温度应力等方面的因素开展桥梁施工。因此，文章的仿真分析对于实际的桥梁施工控制有非常现实的意义。
参考文献
[1] 雷俊卿，王楠.预应力混凝土连续刚构桥施工监测与仿真分析[J].铁道学报，，28（02）：74-78.
[2] 成岗.典型先简支后连续分布式箱梁桥施工过程仿真分析[J].黑龙江交通科技，，33（07）：148-149.
3.1 参数取值
3.1.1 混凝土质量密度。A桥仿真测试采用的混凝土质量密度取值2630kg/m3，采用MDIAS/Civil软件进行计算后得到各个阶段砼质量以及设计值。通过软件计算，只有当混凝土质量密度取值2630kg/m3时，各个阶段砼质量与设计值相近。
3.1.2 孔道偏差系数与摩阻系数。根据国内外预应力混凝土连续桥梁施工控制仿真研究中对孔道偏差系数与摩阻系数的分析以及测试结果的分析，确定本仿真分析中A桥的孔道摩擦系数为0.2，摩阻系数k=0.001。
结合上述参数，确定有限元结构分析参数，如上表所示。
3.2 仿真分析结果
本仿真中用MDIAS/Civil软件对主桥结构体系以及合拢顺序进行了模拟，将全过程施工阶段分成19个阶段。本仿真中采用前进分析方法对整个桥梁施工过程进行模拟，全桥总共建立119个梁单元，并输入预应力钢筋数为210（含底板、顶板、腹板、合拢段预应力钢筋），挂篮重量为63t，二期恒载为4.25t/m，车道荷载为10.5KN/m，集中荷载为360KN/m。但由于该桥为3车道，所以实际集中荷载为：36×0.5×3×0.78=42.12t/m，均布荷载为1.05×0.5×3×0.78=l.2285t/m。因此，其仿真结果如下：
预应力钢筋对桥梁受力的影响较大，因此在仿真中，要考虑预应力钢筋损失；
在仿真中不能忽略收缩徐变给桥梁挠度造成的'影响。本仿真结果显示，某些梁段的预拱度有一定的变化，由此表明徐变对桥梁有重要影响。
综上，通过不同施工段标高、应力值、GQJS计算值以及实测值对比分析表明，采用MIDAS/Civil进行模型仿真切合实际。因参数选择合理，所以仿真结果可靠。
预应力混凝土连续刚构桥施工监控分析
随着世界经济的飞速发展,桥梁界也发生了许多重大变化,与此同时桥梁施工过程中也出现了许多的'工程事故.为了确保桥梁施工过程顺利进行以及桥梁在使用过程中的安全耐久性,桥梁施工监测越来越重要.故通过对九岭高架Ⅰ桥的变形、应力等进行测量分析,介绍了连续刚构梁桥的施工监控方法.从而保证了桥梁的施工安全.
作 者：郑尚敏 程海根 作者单位：华东交通大学土木建筑学院,江西南昌,330013 刊 名：四川建筑 英文刊名：SICHUAN ARCHITECTURE 年，卷(期)： 30(1) 分类号：U445.466 关键词：悬臂施工 监测 连续刚构桥 施工技术预应力混凝土连续刚构桥悬臂浇筑阶段高程数据处理
研究了预应力混凝土连续刚构桥悬臂浇筑阶段高程数据的处理方法,提出了利用前一阶段的'高程测量数据计算下一阶段挂蓝变形和张拉变形修正系数的方法,提出了计算阶段施工预拱度的修正系数法,并通过实际工程对此方法经行了验证,得到了较为理想的结果.
作 者：曹帅 作者单位：重庆交通大学土木建筑学院,重庆,400074 刊 名：黑龙江科技信息 英文刊名：HEILONGJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)：2010 “”(1) 分类号：U4 关键词：连续刚构桥 挂蓝变形 修正系数 施工预拱度连续刚构桥及大梁施工控制要点
根据我国桥梁施工的现状尤其是连续刚构桥的施工现状,介绍了大跨度连续刚构桥悬臂施工的控制方法以及大梁施工的控制要点,并提出解决办法和控制措施,从而能够更好地为实际工程服务.
作 者：常红霞 CHANG Hong-xia 作者单位：中铁十七局集团第二工程有限公司,陕西,西安,710043 刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)： 35(13) 分类号：U445 关键词：连续刚构 施工控制 质量控制 措施大跨度预应力混凝土连续刚构桥
上部结构的长期变形是影响大跨度预应力混凝土连续刚构桥使用安全的主要因素之一.以主跨为2×185 m的`铁路连续刚构桥为例.通过对加载龄期、预应力设计、环境相对湿度等因素的比较计算,对大跨度预应力混凝土连续刚构桥上部结构的变形控制同题进行了研究.
作 者：杨光 作者单位：中铁第四勘察设计集团有限公司,武汉,430063 刊 名：交通科技 英文刊名：TRANSPORTATION SCIENCE & TECHNOLOGY 年，卷(期)：2009 “”(3) 分类号：U4 关键词：大跨度 连续刚构桥 长期变形连续刚构桥悬臂施工阶段空间应力分析
为掌握连续刚构桥在悬臂施工阶段应力分布情况,以芦村大桥为例,对连续刚构桥悬臂施工阶段空间应力进行分析研究,建立有限元模型,运用ANSYS分析梁体的力学行为,对各个施工阶段的应力进行计算,通过对比分析,得出比较可靠的结论,可为同类桥梁设计和施工提供参考.
作 者：杨先江 袁建伟 张涛 YANG Xian-jiang YUAN Jian-wei ZHANG Tao 作者单位：长沙理工大学,土木建筑工程学院,湖南,长沙,410076 刊 名：交通科技与经济 英文刊名：TECHNOLOGY & ECONOMY IN AREAS OF COMMUNICATIONS 年，卷(期)： 11(3) 分类号：U448.23 关键词：预应力混凝土 施工阶段 应力分析 连续刚构大跨度连续刚构桥施工过程控制分析
该文结合工程实例介绍了大跨度桥梁施工控制的影响因素、施工控制方法、施工控制原则及施工办法,并给出了工程实例的施工控制结果,说明施工控制的有效性.
作 者：刘苗 Liu Miao 作者单位：兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州,730070 刊 名：城市道桥与防洪 英文刊名：URBAN ROADS BRIDGES & FLOOD CONTROL 年，卷(期)：2009 “”(2) 分类号：U448.23 关键词：大跨度连续刚构桥 施工控制 预拱度 兰州市高速铁路预应力混凝土连续刚构(84m+152m+84m)方案设计
宁杭高速铁路京杭大运河特大桥项目预应力混凝土连续刚构方案,设计主要包括:桥式方案选定;桥跨布置及结构尺寸拟定;施工方法;各种内力的组合计算;施工过程的模拟;预应力钢索的.设计及布置;下部结构的计算;施工后成桥的应力、变形和强度检算.
作 者：谭宏 作者单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁处 刊 名：黑龙江科技信息 英文刊名：HEILONGJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(13) 分类号：U2 关键词：京杭大运河 预应力 混凝土 连续刚构 双壁墩身 上部构造轻形化 箱梁大跨径连续刚构桥施工控制方法工学论文
摘 要:论述连续刚构桥施工控制的必要性及主要内容,并对几种常用的施工控制方法进行了介绍。
关键词:连续刚构;施工控制;悬臂施工
Abstract:The elaboration continual rigid frame bridge construction control’s necessity and the main content, and introduction the several commonly used construction control method.
Key words:continual rigid frame;construction control;bracket construction
随着交通事业的不断发展,大跨径连续刚构桥的建设越来越多,据不完全统计,目前世界上已建或在建的主跨大于240 m的特大跨径连续刚构桥就有18座之多。然而连续刚构桥施工过程中的各种随机性因素(如材料的弹性模量、混凝土收缩徐变系数、结构自重、施工荷载、温度等),使得桥梁的实际状态偏离理想状态,为了确保大桥成桥后的状态满足设计要求,有必要对大跨径连续刚构桥进行施工监控。
1 桥梁施工控制的内容
桥梁施工控制就是在对桥梁结构进行施工仿真计算分析的基础上,通过现场测试,采集桥梁施工过程中各类数据信息。结合桥梁仿真分析计算,对采集的数据信息进行分析。尤其是对施工中各类结构响应数据(如变形、内力、应力)分析,运用现代控制理论对误差进行分析,并根据需要研究制定出精度控制和误差调整的具体措施,最后以施工控制指令的形式为桥梁的施工提供反馈信息。桥梁施工控制的主要内容有:①主梁线形控制;②箱梁控制断面应力监控;③稳定控制。
2 施工控制方法
在实际施工中,桥梁的.实际状态与理想状态总是存在着一定的误差,施工控制就是采用现代控制理论和方法去分析这些误差,并调整误差,使成桥线形和结构内力的最终状态符合设计要求,并且确保桥梁施工过程中的结构安全。大跨度桥梁施工控制采用的理论和方法主要有:参数识别与调整(最小二乘法)、Kalman滤波法和灰色理论法。
3.1 参数识别
参数识别就是分析结构的实际状态与理想状态的偏差,用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的主要设计参数的误差,经过设计参数误差的调整来控制桥梁结构的实际状态与理想状态之间的偏差,使结构的成桥状态与设计尽可能一致。参数识别在中国的桥梁施工控制中有着广泛的应用。其计算通常采用最小二乘法。相对于Kalman滤波法和灰色理论法,参数识别方法具有以下特点:
(1)参数识别方法将引起误差的因素完全归结于设计参数,认为引起结构状态偏差是由于设计参数的取值(如砼弹模、砼容重、预应力筋管道偏差系数、管道摩阻系数、砼收缩徐变系数等)与实际不符。忽略了施工定位误差、测量系统误差、温度影响误差等。由此可能导致所估计的参数并非实际值,而是包含了施工定位误差、测量系统误差、温度影响等的数值。
(2)参数识别一般采用最小二乘进行线形回归分析,其回归方程为:Y=θ+E。
式中:Y:误差向量;
:线性转化矩阵(即被估参数与挠度之间的线性关系矩阵);
θ:估计参数向量;
E:残差(包含量测误差、参数估计误差、系统误差)。
其中Y可由理论分析值与实际观测值相减求得,而矩阵m,n则需要根据结构力学计算求得,其物理意义为,单位θn变化m节点所产生的挠度Ym。在桥梁施工监控中,一般需要采集每一施工工况下各节段测点的挠度数据,从而使得矩阵m,n的计算显得尤为复杂,且随着数据的增加,矩阵m,n的规模也越大,采用常用桥梁分析软件根本无法计算,需要编制专用程序求得。
(3)最小二乘法的原理是求得一组参数θ,使得模型的输入输出数据之间关系拟合的最好,这就要求残差E最小,因而若数据被噪声污染的越厉害(如温度影响、施工误差等因素),参数估计的准确性也就越差。
(4)为了能够使得参数识别更加准确,这就要求数据有较好的规律性,且需要较多数据,因此在梁段数比较少时所得到的回归曲线的精度难以保证。
3.2 卡尔曼滤波法
卡尔曼滤波法的实质是从被噪声污染的信号中提取真实的信号,采用由状态方程和观测方程组成的线形随机系统的状态空间来描述滤波器,并利用状态方程的递推性,按线性无偏最小均方误差估计准则,采用一套递推算法对滤波器的状态变量作最佳估计,从而求得滤掉噪声后有用信号的最佳估计,即估计出系统的真实状态,然后用估计出来的状态变量,按确定的控制规律对系统进行控制。卡尔曼滤波法具有以下特点:
(1)卡尔曼滤波法将概率论和数理统计理论用于解释滤波估计问题,提出了新的线性递推方法,不需要储存过去数据,只需根据新数据和前一时刻估计量,借助状态转移方程,按照递推公式计算新的估计量,从而节约计算时间。
(2)卡尔曼滤波法进行递推的关键在建立状态转移方程,通过状态转移方程,使得误差估计具有一定的收敛性,特别当数据污染严重的情况下,估计量仍有一定的信服力。
(3)卡尔曼滤波法进行递推计算时,需要输入系统状态初始值,而初始值对计算结果有很大影响,若初始值取值不当,会使结果失真。
3.3 灰色系统理论
灰色系统可以看作是在一定时间内变化的随机过程,环境干扰将使系统行为特征量过分离散,为此灰色系统用灰色数生成对原始数据进行处理得到随机性弱化、规律性强化了的序列,在此基础上以灰色动态GM模型作为预测模型,并及时对模型进行滚动优化和反馈校正。灰色预测控制具有以下特点:
(1)灰色预测控制建模是可利用少数据建模,是一种实时控制。在处理方法上,灰色过程是通过原始数据的整理来找数的规律,是一种就数找数的现实规律的途径,而数理统计方法是按先验规律来处理问题,要求数据越多越好,越具规律性越好。
(2)灰色预测控制是后果控制,不需要追究引起状态变化的原因,不必处置复杂的随机过程,这使得控制大为简化。
(3)灰色系统理论是“瞬态建模”,每新增数据便生成新的模型,因而数据的取舍对于灰色系统至为关键,数据太多将降低模型预报精度,数据太少,模型将找不出数据间的规律。
(4)当数据污染严重时,灰色系统预测结果也同样有较大的偏差,数据估计的收敛性较差。
4 工程应用
在祁临高速仁义河特大桥施工监控中,采用参数识别进行误差分析,结果在不同施工阶段,所估计参数也不一样,且随着悬臂的逐渐加长,识别的参数差异性也就越大。这说明,悬臂越长,数据越容易被污染,因而估计的准确性也就越差。
同样,在晋济高速公路桥梁施工监控中,分别采用灰色系统理论和卡尔曼滤波法进行误差分析,在悬臂施工初期,由于主梁变形不大,二者差别不大,但进入长悬臂施工后,相对而言,卡尔曼滤波法预测值较小,数据曲线较为光滑平顺。
5 结束语
(1)大跨径连续刚构桥采用参数识别进行误差分析,计算繁琐,要求数据有较好的规律性。在实际监控工作中,对于设计参数引起的误差,应尽可能采用实际试验结果,在出现明显系统误差情况下进行参数识别。
(2)施工控制应采取多种方法进行综合分析。目前进行施工控制分析的方法有多种,但各种方法计算原理及侧重点有所不同,而影响误差的因素却很多,因此在施工控制中应结合以经验,综合考虑各种因素影响,结合多种方法进行误差分析,保证预测精度。
