大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)測控制
關(guān)鍵詞：大跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)測
預(yù)應(yīng)力大跨徑連續(xù)剛構(gòu)特大橋主梁各施工階段的變形值及預(yù)拱度雖然可以求出,但如在施工過程中不加以控制及調(diào)整，主梁標(biāo)高將顯著的偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)，造成合攏困難，并影響成橋的內(nèi)力及線形。建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型、目標(biāo)函數(shù)及物理模型,用以監(jiān)測和控制施工過程，能夠保證橋梁線形及內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求,達(dá)到監(jiān)控的目的。
1.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工監(jiān)控的目的和必要性
對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，從基礎(chǔ)施工到通車運(yùn)營，主要經(jīng)歷了下部施工、主梁懸臂施工、全橋合攏及橋面系施工等環(huán)節(jié)。盡管按照現(xiàn)有較為成熟的理論和方法可以方便地求出主梁各施工階段的變形值及預(yù)拱度，但結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形卻未必能達(dá)到預(yù)期結(jié)果，主要是由于各種因素的直接或間接影響，如設(shè)計(jì)計(jì)算所采用材料的力學(xué)參數(shù)（彈性模量、設(shè)計(jì)強(qiáng)度、收縮徐變系數(shù)等）、截面尺寸、施工荷載等與實(shí)際工程施工過程中所表現(xiàn)的相應(yīng)參數(shù)不完全一致，或施工過程中不可避免的立模誤差、測量誤差、預(yù)應(yīng)力張拉測試誤差等，使得實(shí)際橋梁在施工過程中的每一狀態(tài)不可能與設(shè)計(jì)狀態(tài)完全一致，結(jié)構(gòu)的受力和變形表現(xiàn)為非平穩(wěn)的隨機(jī)過程。上述偏差隨連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂段的不斷伸長而逐漸積累，如不加以控制及調(diào)整，主梁標(biāo)高將顯著的偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)，造成合攏困難，并影響成橋的內(nèi)力及線形。
橋梁施工監(jiān)測與控制是對施工中的主要環(huán)節(jié)及過程進(jìn)行監(jiān)測與控制，保證施工過程中結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，以及根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)，對利用各種測試及監(jiān)測手段獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤修正計(jì)算，給出后續(xù)各施工階段的標(biāo)高及內(nèi)力反饋數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)和控制施工過程，保證橋梁線形及內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求。對實(shí)橋進(jìn)行及時有效的監(jiān)控，不僅可以避免施工過程中的不安全因素，而且可以為豐富設(shè)計(jì)理論、完善施工技術(shù)及保證施工質(zhì)量提供可靠的技術(shù)保障。
2.施工監(jiān)控內(nèi)容
橋梁施工控制的任務(wù)就是對橋梁施工過程實(shí)施控制，確保在施工過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形始終處于容許的范圍內(nèi)，確保成橋狀態(tài)（成橋線形與成橋內(nèi)力）符合設(shè)計(jì)要求。
2.1幾何（變形）控制
不論采用什么施工方法，橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中總要產(chǎn)生變形，并且結(jié)構(gòu)的變形將受到諸多因素的影響，極易使橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的實(shí)際位置（立面標(biāo)高、平面位置）狀態(tài)偏離預(yù)期狀態(tài)，使橋梁難以順利合攏，或成橋線形與設(shè)計(jì)要求不符，所以必須對橋梁進(jìn)行幾何變形控制，使其在施工中的實(shí)際位置狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)之間的誤差在容許范圍和成橋狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。
2.2應(yīng)力控制
橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中以及在成橋狀態(tài)的受力情況是否與設(shè)計(jì)相符合是施工控制要明確的重要問題。通常通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力的檢測來了解實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)與理論（設(shè)計(jì)）應(yīng)力狀態(tài)的差別超限就要進(jìn)行原因查找和調(diào)整，使之在容許范圍內(nèi)變化。結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制不象變形控制那樣易于發(fā)現(xiàn)，若應(yīng)力控制不力將會給結(jié)構(gòu)造成危害，嚴(yán)重者將發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，所以它比變形控制顯得更加重要，必須對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格控制。
2.3穩(wěn)定控制
橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全，它與橋梁的強(qiáng)度有著同等的甚至更重要的意義。對橋梁施工過程中出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象，目前主要是通過穩(wěn)定分析計(jì)算（穩(wěn)定安全系數(shù)），并結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形來綜合評定、控制其穩(wěn)定性。施工過程中除橋梁本身的穩(wěn)定性必須得到控制外，施工過程中所用的支架、掛藍(lán)等施工設(shè)備的各項(xiàng)穩(wěn)定系數(shù)也應(yīng)滿足要求。
3.連續(xù)剛構(gòu)橋梁的施工監(jiān)控程序及方法
橋梁施工控制的主要任務(wù)是橋梁施工過程的安全控制和橋梁結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力狀態(tài)的控制。施工控制采用預(yù)測控制法，即全面考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和施工所要達(dá)到的目標(biāo)任務(wù)，對結(jié)構(gòu)的每一個施工階段形成前后狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，使施工沿著預(yù)定狀態(tài)進(jìn)行。由于預(yù)測狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)間總是有誤差存在，某種誤差對施工目標(biāo)的影響則在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測予以考慮，以此循環(huán)直到施工完成和獲得與設(shè)計(jì)相符的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
在實(shí)際監(jiān)控中，首先將由設(shè)計(jì)單位計(jì)算確定的各施工階段的主要測試部位的施工控制目標(biāo)值輸入監(jiān)控管理系統(tǒng)，然后再對施工階段完成后的現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后提出有關(guān)信息供施工控制決策。在橋梁施工過程中，由于混凝土齡期短，其徐變、收縮影響大，必須加以分析和控制�？紤]徐變、收縮后的應(yīng)力、應(yīng)變、拱度等狀態(tài)，監(jiān)控單位按照設(shè)計(jì)單位提供的有關(guān)控制截面的應(yīng)力、變形、橋墩位移、張拉束等控制值，分析、制訂本階段的監(jiān)控目標(biāo)，并在施工實(shí)施后進(jìn)行偏差分析。施工控制的核心任務(wù)就是對各種誤差進(jìn)行分析、識別、調(diào)整，對結(jié)構(gòu)未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。
對于分階段懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定出每個懸澆階段的立模標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進(jìn)行分析、預(yù)測和對下一階段立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，依此來保證成橋后橋面線形、合攏段兩懸臂端標(biāo)高的相對偏差不大于規(guī)定值以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。
3.1材料參數(shù)識別
通過對實(shí)際施工狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)參數(shù)（混凝土的彈性模量、容重、收縮與徐變終值、預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)等等）的實(shí)測值和設(shè)計(jì)理論值之間的比較，對這些結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差分析，最終識別結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差量。
3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)識別
根據(jù)確定的實(shí)際材料參數(shù)建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，計(jì)算出實(shí)際狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)參數(shù)（應(yīng)力、位移等等），識別出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)際計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差值。
3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測
通過已澆注梁段結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差值，采取合適的預(yù)測方法（卡爾曼參數(shù)估計(jì)、灰色理論等等）預(yù)測即將澆注梁段的結(jié)構(gòu)參數(shù)可能的誤差值。
3.4優(yōu)化調(diào)整
有以上的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差值，分析該誤差值對全橋結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力的影響，應(yīng)用合適的優(yōu)化方法（帶權(quán)最小二乘法等等）調(diào)整已澆注梁段與即將澆注梁段的預(yù)拱度，從而確定未澆注梁段的立模標(biāo)高，使成橋后的狀態(tài)最大限度的接近理想設(shè)計(jì)狀態(tài)，并保證施工過程中的受力安全。
4.前進(jìn)分析
前進(jìn)分析的目的在于確定成橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。這種計(jì)算的特點(diǎn)是：隨著施工階段的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)形式、邊界約束、荷載形式在不斷改變，前期結(jié)構(gòu)發(fā)生徐變和幾何位置的改變。因而，前一階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)將是本次施工階段結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。我們將這種按施工階段進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析稱為前進(jìn)分析法。前進(jìn)分析能夠較好地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工過程。
前進(jìn)分析法在一個施工階段中，新拼裝的桿件用激活兩個節(jié)點(diǎn)間的新單元進(jìn)行模擬，計(jì)算是對施工階段循環(huán)進(jìn)行，循環(huán)結(jié)束時分析結(jié)果是成橋若干年后結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。對懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的前進(jìn)分析，其分析過程為：
4.1確定結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)：主要包括：中跨、邊跨（次邊跨）的大小、橋面線形、橋墩高度、橫截面幾何參數(shù)、材料參數(shù)、約束信息、預(yù)應(yīng)力索信息、混凝土徐變信息、施工臨時荷載信息、二期恒載信息、體系轉(zhuǎn)換信息等。
4.2在每一橋墩上對稱地依此懸臂澆筑各個塊件，直到懸臂澆筑階段完成，掛藍(lán)拆除。計(jì)算每一懸臂澆筑時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，每一階段計(jì)算均以上一階段結(jié)束時結(jié)構(gòu)變形后的幾何形狀為基礎(chǔ)。
4.3進(jìn)行邊跨合攏（次邊跨合攏）、中跨合攏計(jì)算這幾個主要階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。
4.4橋面鋪裝：計(jì)算二期恒載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。
前進(jìn)分析系統(tǒng)可以嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)好的施工步驟進(jìn)行各階段內(nèi)力分析，但由于分析中結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的遷移，最終結(jié)構(gòu)軸線不可能達(dá)到設(shè)計(jì)軸線。
實(shí)際施工中橋梁結(jié)構(gòu)線形的控制與強(qiáng)度控制同樣重要，線形誤差將影響橋梁的合攏等。為了使竣工后的結(jié)構(gòu)保持設(shè)計(jì)線形，在施工過程中用設(shè)置預(yù)拱度的方法來實(shí)現(xiàn)。而對于分段施工的連續(xù)梁橋，一般要給出各個施工階段結(jié)構(gòu)物控制點(diǎn)的標(biāo)高（預(yù)拱度），以便最終使結(jié)構(gòu)物滿足設(shè)計(jì)要求。
5.倒退分析
倒退分析系統(tǒng)可以從根本上解決這一問題。它的基本思想是，假定t=t0時刻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布滿足前進(jìn)分析t0時刻的結(jié)果，軸線滿足設(shè)計(jì)線形要求。在此初始狀態(tài)下，按照前進(jìn)分析的逆過程，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒拆，分析每次拆除一個施工段對剩余結(jié)構(gòu)的影響。在一個階段內(nèi)分析得到的結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力狀態(tài)便是該階段結(jié)構(gòu)理想施工狀態(tài)。
6.實(shí)時跟蹤分析
在施工監(jiān)控過程中，現(xiàn)場監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)受力變形的真實(shí)反映，該數(shù)據(jù)與監(jiān)控的目標(biāo)值（即設(shè)計(jì)值）的偏離，是設(shè)計(jì)和施工中最為關(guān)注的問題。因此，首先應(yīng)由設(shè)計(jì)單位提出在施工中幾個階段監(jiān)控項(xiàng)目的目標(biāo)值，以使施工過程得到安全保障，施工質(zhì)量得以控制。橋梁施工控制的任務(wù)就是對橋梁施工過程實(shí)施監(jiān)控，確保在施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形始終處于容許的范圍內(nèi)，確保成橋狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。
設(shè)計(jì)文件中提供的橋面預(yù)拱度在實(shí)際的施工中的現(xiàn)實(shí)意義不太大，必須通過相關(guān)的材料模型試驗(yàn)確定施工過程的設(shè)計(jì)參數(shù)，準(zhǔn)確的按照實(shí)際的施工周期進(jìn)程確定相關(guān)的模型計(jì)算參數(shù)，從而確定更加接近實(shí)際狀態(tài)的預(yù)拱度。對于高墩大跨經(jīng)橋梁在建模計(jì)算過程中，墩身的彈性變形和收縮徐變變形對整個線形的影響很大，所以準(zhǔn)確的測試墩身材料參數(shù)對整體線形控制具有相當(dāng)重要的意義。
