预应力连续桥梁的施工控制方法.docx

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1、预应力连续桥梁的施工控制方法 李宝枝 常溧高速CL-5标摘 要：随着我国科学技术和交通事业的发展，预应力混凝土连续梁桥以其施工简便、造价经济、受力合理、行车舒适等独特的优势在近年来得到了迅速的发展。目前，跨度在40150m范围内的桥梁中，预应力混凝土连续箱梁桥占据了主导地位。本文对连续桥梁施工控制方法进行了综述，并对施工控制误差影响因素和调整方法做了分析，为大型混凝土连续桥梁的施工控制提供了理论依据。关键字：连续梁桥 施工控制 误差影响因素 调整方法前言大跨度预应力混凝土连续梁桥属超静定桥梁结构，其主要施工方法是悬臂施工法。在施工过程中，结构体系不断改变，相应的结构内力和变形也不断发生变化，使

2、得成桥的梁部线形和结构内力与施工过程密切相关。另一方面，由于各种因素(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、温度影响等)的随机影响以及在测量等方面产生的误差，结构的原理论设计值难以做到与实际测量值完全一致，两者之间会存在偏差。尤其值得注意的是，某些偏差(如主梁的竖向挠度误差)具有累积的特性。若对偏差不加以及时有效的调整，随着梁的悬臂长度的增加，主梁的标高会显著偏离设计值，造成合龙困难或影响成桥的内力和线形。特别是采用悬臂施工技术的大跨度桥梁，施工中的不合理误差状态如不能及时地加以识别和处理，主梁的应力有可能发生积聚而超出设计安全状态发生施工事故。施工控制的任务，就是根据实际

3、的施工工序以及现场获取的参数和数据，对桥跨结构进行实时理论分析和结构验算；对每一施工阶段，根据分析验算结果给出其主梁悬臂端的挠度(每阶段施工挂篮的立模标高或梁段定位标高)等施工控制参数，分析施工误差状态，采用应力预警体系施工状态进行安全度评价和灾害预警。这样，才能保证结构的受力和变形始终处于安全的范围内，成桥后的结构内力和线形接近设计的理想状态。1. 桥梁施工技术的发展我国在20世纪50年代就己注意到施工中结构内力和变形的调控(1957)年建成的武汉长江大桥在施工过程中就做了应力、标高的调整)，但在现代桥梁施工控制技术方面的研究相对起步较晚，然而发展较迅速。进入80年代以后，随着计算机在桥梁工

4、程中应用的普及和深入，桥梁工作者开始用计算机辅助桥梁施工，1982年建成的上海柳港大桥(主跨200M的斜拉桥)首次根据现代工程控制论的基本思想，有效地进行了主梁挠度和索塔水平位移的施工控制。柳港大桥的控制成功引起了桥梁界对桥梁施工监控的目的。紧接着又对悬索桥、拱桥、连续梁(刚构)桥等的施工控制技术展开了研究与实践，并取得了较好成绩。近些年我国修建了一批大跨悬索桥，在悬索桥施工控制技术研究方而也有了很大进步。交通部公路研究所和长安大学联合开发研究了灰色预测控制法，并成功的运用干虎门大桥的施工控制。该方法主要依据灰色预测控制理论对悬索桥的施工过程进行预测控制，依照悬索桥的施工特点把施工控制分为主缆

5、架设阶段和加劲梁吊装阶段。主缆架设阶段要求确保成缆线形达到设计标准；加劲梁吊装阶段要求成桥线形达到设计要求。在大跨度连续梁桥和连续刚构桥施工控制方面上海城建学院的李国平等人提出大跨连续梁桥线形最优施工控制的理论和方法，该方法将大跨径连续梁桥成桥线形和施工期结构变位状态，作为离散、线性、确定性动态结构系统最优控制的对象，并根据大跨径连续梁桥悬臂施工的特点，来控制状态与变量、目标函数、约束条件以及具体实施方法等，其成果在富春江大桥和上海吴松大桥的施工中得到应用。重庆交通学院的顾安邦等人提出随机最优控制理论，在重庆黄花园嘉陵江大桥施工控制中予以运用。虎门大桥副航道连续刚构桥施工过程中采用线性回归分析

6、的方法对线形进行了控制，取得了较好的效果。如上所述，由于国外在桥梁施工控制技术方面的研究和应用起步较早，众多发达国家早已将施工控制纳入常规施工管理工作中，控制方法已从人工测量、分析与预报发展到自动监控、分析预报、调整的计算机自动控制，并已形成了较完善的桥梁施工控制系统。即便如此，国外对桥梁施工控制技术的研究还在继续，这是由于影响桥梁施工的因素太多、太复杂，同时不断涌现的、新型的、规模(跨径)更大的桥梁工程也对桥梁施工控制提出了更高的要求。国内在桥梁施工控制技术方面的研究与应用起步较晚，在20世纪80年代以后，虽在桥梁施工中已注意到结构应力调整和预拱度的设置，但并未将系统控制概念引入。在以后的研

7、究中，主要集中在斜拉桥上，在90年代中后期，对桥梁施工控制的研究才逐渐在其他桥梁上展开和应用。比较起来，我国在该领域还有差距，主要表现在对桥梁施工控制的理论与实践研究还不够、监测手段落后、对影响施工控制的因素研究不透、预测和判断精度不够、还未建立起一套完善的施工控制技术系统和组织管理系统。因此，深入研究桥梁施工控制理论和方法，运用更加合理、实用的控制软件以及更加方便和精确的监测设备，建立完善的桥梁施工控制技术系统和组织管理系统是今后桥梁建设事业发展迫切需要进行的工作。技术研究的高潮。80年代后期，对斜拉桥施工监控技术进行了全面研究，己初步形成系统。该系统主要依靠现场微机用理想的施工倒退分析程序

8、和考虑混凝土徐变收缩影响的控制分析程序提供每一施工阶段的理想状态计算控制值，在现场将理想状态计算控制值与实测值进行比较分析，并通过对设计参数的识别和拉索索力的优化调整等方法，实现施工作业与控制之间的良性循环，最后达到对主梁挠度和拉索索力实施双控。2. 续梁桥施工控制影响因素和误差调整方法21 连续桥梁施工控制的影响因素大跨度桥梁施工控制的主要目的是使施工最大限度地与理想设计状态(线形与受力)相吻合。要实现这个目标，就必须全面掌握和分析可能使施工状态偏离理论设计状态的所有因素，并且从中辨认出敏感因素、较敏感因素和一般因素，以便对施工实施有的放矢、有效控制。1）结构参数不论何种桥梁的施工控制，结构

9、参数都是必须考虑的重要因素，结构参数是控制中结构施工模拟分析的基本资料，其准确性直接影响分析结果的准确性。事实上，实际桥梁结构参数一般是很难与设计所采用的结构参数完全吻合的，总是存在一定的误差，施工控制中如何恰当地计入这些误差，使结构参数尽量接近桥梁的真实结构参数，是首先需要解决的问题。结构参数主要包括：(1)结构构件截面尺寸。任何施工都可能存在截面尺寸误差，验收规范中也允许出现不超过限值的误差，而这种误差将直接导致截面特性误差，从而直接影响结构内力、变形等的分析结果。所以，控制过程中要对结构尺寸进行误差分析。(2)结构材料弹性模量。结构材料弹性模量和结构变形有直接关系。对通常遇到的超静定结构

10、来讲，弹性模量对结构分析结果影响更大，但施工成品构件的弹性模量(主要是混凝土结构)总与设计值有一定差异。所以，在施工过程中要根据施工进度做经常性的现场抽样试验，特别要注意混凝土强度波动较大的情况，随时在控制分析中对弹性模量的取值进行修正。(3)材料容重。材料容重是产生结构在施工过程中的内力与变形的主要因素，控制中必须要计人实际容重与设计取值间可能存在的误差，特别是混凝土材料，不同的集料与不同的钢筋含量都会对容重产生影响。施工控制中必须对其进行准确识别。(4)材料热膨胀系数。热膨胀系数的准确与否也将对控制产生影响。(5)施工荷载。在所有自架设体系中，都存在施工荷载，这部分临时荷载对受力与变形的影

11、响在控制分析中是不能忽略的，一定要根据实际进行取值。(6)预加应力。预加应力是预应力混凝土结构内力与变形控制考虑的重要结构参数，但预加应力值的大小受到很多因素的影响，包括张拉设备、管道摩阻、预应力钢筋断面尺寸、弹性模量等。控制中要对其取值误差做出合理估计。2）施工工艺施工控制是为施工服务的，反过来，施工的好坏又直接影响控制目标的实现要求施工工艺必须符合控制要求外，在施工控制中必须计入施工条件非理想化而带来的构件制作、安装等方面的误差，使施工状态保持在控制之中。3）施工监测监测是桥梁施工控制的最基本手段之。监测包括应力监测、变形监测等。因测量仪器、仪器安装、测量方法、数据采集、环境情况等存在误差

12、，所以，结构监测总是存在误差。该误差一方面可能造成结构实际参数、状态与设计或控制值吻合较好的假象，也可能造成将本来较好的状态调整得更差的情况。所以，保证测量的可靠性对控制极为重要。在控制过程中，除要从测量设备、方法上尽量设法减小测量误差外，在进行控制分析时必须将其计入。4）结构计算分析模型无论采用什么分析方法和手段，总是要对实际桥梁结构进行简化和建立计算模型，这种简化使计算模型与实际情况之间存在误差，包括各种假定、边界条件处理、模型的本身精度等。控制中需要在这方面做大量工作，必要时还要进行专门的试验研究，以使计算模型误差所产生的影响减到最低限度。5）材料收缩、徐变及温度变化温度变化对桥梁结构的

13、受力与变形影响很大，这种影响随温度的改变而改变，在不同时刻对结构状态(应力、变形)进行量测，其结果是不一样的，如果施工控制中忽略了该项因素，就必然难以得到结构的真实状态数据(与控制理想状态比较)，从而也难以保证控制的有效性，所以，必须考虑温度变化的影响。温度变化相当复杂，包括季节温差、日照温差、骤变温差、残余温度、不同温度场等，而在原定控制状态中又无法预先知道温度的实际变化情况，所以在控制中是难以考虑的(要考虑也将是非常复杂的)。通常都是将控制理想状态定位在某一特定温度下，从而将温度变化对结构的影响相对排除(过滤)。一般是将一天中温度变化较小的早晨作为控制所需实测数据的采集时间，但对季节性温差

14、和桥体内温度残余影响要予以重视。对混凝土桥梁结构而言，材料收缩、徐变对结构内力、变形有较大影响，这主要是由于大跨径桥梁施工中混凝土普遍存在加载龄期小、各阶段龄期相差大等引起的，控制中要予以认真研究，以期采用合理的、符合实际的徐变参数和计算模型闭。22大跨度桥梁施工控制的误差调整方法在桥梁结构的悬臂施工过程中，一方面由于存在着施工随机误差的干扰，使得各个施工阶段的几何线性或内力状况不同于按理想倒退分析所确定的该阶段理想状态：第二方面结构状测量过程中也多少存在着测量误差，这就要求对实时量测结果进行最优估计，以便在误差已经存在的前提下，对后继施工阶段的状态进行预测、估计、和控制。下面讨论基于工程控制

15、理论的系统模型和施工控制中参数估计和误差调整的方法。参数识别法是在大桥施工过程中根据实测主梁的内力和挠度等信息运用最小二乘法识别和修改设计时采用的参数。例如：节段重量、有效预加应力、弹性模量、徐变系数等，对结构进行实时分析，对原有设计值进行校核和调整，重新给出标高和预加力的施工控制值。由于此方法纯粹依靠参数识别的跟踪分析系统，总是滞后于施工，因而不能预先指导施工，使得参数识别法的应用受到一定的限制。最佳成桥状态法定义了最佳设计成桥状态、最佳施工阶段、最佳成桥状态三个重要概念，并论证了三者的关系。该方法的实质是将施工期结构的状态变量与成型结构状态的目标及约束条件联系在一起，使状态变量与目标及约束

16、条件之间建立起解析的函数关系。通过调整状态变量，使每一施工阶段成为最佳施工阶段，最终实现最佳成桥状态。然而该法没有反馈预测功能，是一种“被动的控制。无应力法是将成桥状态各单元的无应力长度和无应力曲率作为安装过程的控制量，来实现对成桥目标的自动逼近。但实际上，在安装过程中，设计计算参数误差、施工误差、量测误差、制作误差等必然使还原后的结构内力和线形与设计成桥状态有差异，累积后的误差可能会很大，使结构较大的偏离设计成桥状态，因为无应力状态法没有修正、控制误差的功能，也就没有预测的功能。线形回归分析法是通过对悬臂箱梁挠度与悬臂长度、悬臂重量的一元线形回归处理或二元线形回归处理，总结建立挠度回归数学模

17、型。它可以用于分析箱梁挠度变形的规律，也可以用于预测待施工节段的挠度。但它无法对温度和施工引起的误差进行修正，并且要求有较多有规律的数据才行，在梁段数比较少时所得到的回归曲线的精度难以保证。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。灰色系统理论控制法将灰色系统理论引入桥梁施工控制中。灰色系统可以看

18、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)灰色控制理论是基于系统发展变化的预测控制，是对结构参数及环境影响因素的预测控制，可根据需要把预测得到的结果代入结构方程，从而求得结构的状态参数，这种预测控制方法符合结构实际状态，具有较高的准确性。(2)灰色预测控制建模是少数据建模，是数据的新陈代谢建模，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寻找数据的规律，是一种寻找数据

19、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，越具有规律性越好。(3)灰色预测控制，是“采样瞬态建模”控制，其过程是：每采集一个新数据便建立一个新模型，随之更新一组模型参数，所以控制过程也就是不断采集数据，不断建模，不断更新参数，不断预测，不断提高新模型下的预测值精度的过程。这实际上是采用模型参数的不断更新，来适应行为的不断变化、环境的不断影响、噪声的不断干扰，所以这种控制方法具有较强的适应性。(4)灰色预测控制是后果控制、行为控制，不需要追究行为变化的原因，也不须将系统的控制行为与噪声加以分离，即不必处置复杂的随机过程，这使得控制大为简化。(5)影响主梁挠度变化的主

20、要因素都具有灰色信息的特征。3. 结论（1）国外在桥梁施工控制技术方面的研究和应用起步较早，众多发达国家已将施工控制纳入常规施工管理工作中，控制方法已从人工测量、分析与预报发展到自动监控、分析预报、调整的计算机自动控制，并已形成了较完善的桥梁施工控制系统。我国在该领域还有差距，主要表现在对桥梁施工控制的理论与实践研究还不够、监测手段落后、对影响施工控制的因素研究不透、预测和判断精度不够、还未建立起一套完善的施工控制技术系统和组织管理系统。（2）总结了影响连续梁桥施工控制的影响因数，对各因素做了详细的分析和讨论。归纳起来，影响施工控制的主要因素有：结构参数、施工工艺、施工监测、结构计算分析模型和

21、材料徐变、收缩及温度变化等。（3）讨论了大跨度桥梁施工控制误差的调整方法。最佳成桥状态法定义了最佳设计成桥状态、最佳施工阶段、最佳成桥状态三个重要概念，并论证了三者的关系。该方法的实质是将施工期结构的状态变量与成型结构状态的目标及约束条件联系在一起，使状态变量与目标及约束条件之间建立起解析的函数关系。对灰色预测控制进行了分析，并对其特点进行了归纳。参考文献1 张永水桥梁的施工监测与控制机械工业出版社，20052 任和生现代控制理论及其应用电子工业出版社，19923 舒迪前预测控制系统及其应用机械工业出版社，19964 汪剑，方志大跨径预应力混凝土连续梁施工控制研究湖南大学学报，2003，30(3)