桥梁施工控制对策分类分析

随着大跨度桥梁建造数量的不断增加，桥梁架设过程中的线形及应力状态控制工作越来越显重要，在大跨度桥梁架设过程中，一般均需对线形及应力状态进行专门的分析研究。但是，施工过程的控制工作仍然是大跨度桥梁建设中的一个薄弱环节，目前在已完成的桥梁中，不少就出现的线形不好、内力状态不合理的问题。大跨度桥梁施工是一系列复杂的体系转换过程，不同桥型有不同的特点，针对它们的特点采用不同的对策是控制成功的关键，本文作者根据自己的工程实践，对斜拉桥、大跨度连续梁、组合拱桥的控制对策进行了比较分析。

　　一、桥梁施工控制的目标
　　桥梁施工控制的目标可以分为两个部分：成桥状态总目标和施工过程中的分目标，各个目标必须包括应力状态和线形状态。
　　成桥时合理应力状态确定的方法在斜拉桥和拱桥设计中已经有了大量的研究；由于桥梁跨度的增大，混凝土收缩、徐变对桥梁线形的影响不可忽视，线形控制目标必须是桥梁长期线形达到设计竖曲线，在桥梁竣工时应保证足够的徐变预拱度。
　　从成桥合理状态确定施工阶段控制目标的理论方法主要有：倒拆法、无应力法等。随着桥梁跨径的增大，主梁相对刚度逐渐减小，再加上前支点长挂篮的使用，节段重量较大，如果完全追求按成桥状态来反推施工的控制目标，可能导致施工阶段梁体应力过大，施工中应力控制在允许范围内的要求与成桥状态的理想内力状态发生矛盾，这时就必须将施工阶段的控制目标与成桥状态目标分开考虑，在全桥合龙后进行一次调索，实现两个目标之间的转换。 理论上这些方法可以用于确定施工阶段的内力及标高状态，由于徐变、几何非线性、构造问题（实际结构不可能安装带有初应力的构件）等因素，它们只能用于初步确定施工阶段的内力状态，不能用于确定施工阶段的标高。施工标高控制过程是一个复杂的预拱度控制过程，施工阶段的标高状态必须根据施工模拟计算所得的挠度反向确定。

　　二、施工控制方法分类
　　桥梁施工控制方法经历了从简单到复杂的过程，从控制思路上可以分为三种形式：开环控制，反馈控制和自适应控制。
　　1．开环控制
　　对于较简单桥型施工，一般按设计中估计的预拱度施工，施工完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线型和内力。这就是一个开环的施工控制过程，因为施工过程中控制是单向的，并不需要根据结构的反应来改变施工中的预拱度。在各部件的制造和安装精度很高，或者结构安装误差影响不大时，这种方法是可行的、方便的，大部分中小桥采用的都是这种方法。
　　2．反馈控制
　　实际上施工状态和计算状态之间存在误差，随着桥梁跨度的增大，积累误差将不可忽略，以致到施工结束时结构的线型和内力远远地偏离了理想的成桥状态。在出现误差之后就必须即时地纠正，而纠正的措施和控制量的大小是由误差经反馈计算所决定的，这就形成了一个闭环反馈控制过程。
　　3．自适应控制
　　反馈控制方法将注意力集中在实际结构上。但是，每个工况达不到设计时所确定的施工阶段目标的重要原因是有限元计算模型中计算参数的取值，与实际情况有一定的差距。即使在某一工况，以前的累计误差已经被调整掉，由于计算模型中参数差距的存在，以后的施工中仍然会出现新的误差，因此又需要新一轮的状态调整，这样将大大增加施工的工序。要控制误差的产生，必须分析误差产生的原因--结构计算参数取值与实际结构的差距，正确估计参数的实际值。
参数估计是根据施工中实测到的结构反应修与计算预报值的比较来实现的。经过几个阶段的施工，与实际结构磨合一段时间的，计算模型就适应了实际结构的物理力学规律。在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统辩识过程，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，把误差输入到参数辨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，按上节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，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。图1为自适应施工控制系统的控制原理图。
　　上述自适应控制思路特别适用于采用悬臂拼装或悬臂浇筑的方法施工桥梁。主梁在塔根部的相对线刚度较大，变形较小，因此，在控制初期，参数不准确带来的误差对全桥线形的影响较小，经过几个节段的施工后，计算参数已得到修正，为跨中变形较大的节段的控制创造了良好的条件。 三、不同桥型控制对策比较
　　虽然桥梁施工控制的方法大致可分为上述三种类型，但是，具体桥型的控制有不同的特点，应采取不同的对策。

　　1．悬臂浇筑混凝土斜拉桥
　　悬臂浇筑混凝土斜拉桥是我国最常见的斜拉桥形式。成桥后的理想受力状态通常由刚性支承连续梁法、优化方法和内力平衡法确定。施工中的控制目标常用倒拆法、考虑非线性因素的倒拆法、倒拆正装交替迭代法以及无应力状态法等得到。
　　悬浇混凝土斜拉桥施工的主要特点是：①结构参数的准确性较差，而且要等到节段施工完成后才能确定；②主梁的刚度较大，节段的局部变形很小；③素力调整对局部线形的调整作用很小，调整范围受到混凝土应力的限制；④挂篮刚度对局部变形有较大影响；⑤未施工节段的立模标高可以任意确定，与已浇筑梁段无关。
　　上述自适应控制方法是悬浇混凝土斜拉桥控制的理想方法。根据上述特点应采取下列对策：
　　（1）对于已建成梁段的线形误差在一定程度上可以通过斜拉索索力的调整来纠正，但是，由于主梁刚度较大，不可能通过索力调整纠正所有误差。残斜的误差可以通过下一节段的立模标高来调整。
　　（2）及时识别误差产生的原因，估计计算程序参数的实际值，主要是混凝土的弹性模量,材料的比重、徐变系数等，重新计算施工阶段索力及相应的标高目标值，避免出现新的误差。
　　（3）由于立模标高可以随时满整，索力值应该作为控制的依据，某节段标高只要控制在允许范围之内即可认为满足要求。如果索力到达设计值时标高同时达到预计值，说明计算模型与实际结构是吻合的，否则，说明两者之间存在差异，必须对参数进行重新估计。
　　（4）挂篮刚度只影响正在浇筑的梁段标高，但由此引起的误差将永远存在于主梁线形中，因此必须充分估计准确。
　　2．悬臂拼装混凝土斜拉桥
　　悬臂拼装混凝土斜拉桥与悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制目标的确定基本相同，现场控制阶段的不同之处是：①主梁每个节段的定位标高受到预制线形的限制，只能通过接缝间的契块调节，余地很小；②全部节段的重量在拼装前可以预先获得；③没有挂篮变形的影响。上述自适应控制方法仍然是比较理想的方法，其控制的对策为：
　　（l）由于定位标高可调余地较小，拼装阶段的线形应该作为控制的主要依据，如果标高到达设计值时索力同时达到预计值，说明计算模型与实际结构是吻合的，否则，说明两者之间存在差异，必须对参数进行重新估计。
　　（2）参数估计的对象对主要是主梁的刚度及徐变系数，在估计后重新确定每阶段的张拉索力。
　　（3）由于没有挂篮刚度及节段重量误差，每节段吊装完成时，标高误差较小，可以通过索力调整来纠正。
3．结合梁或钢斜拉桥
　　结合梁斜拉桥施工阶段的特点是：①主梁的线形在钢梁预拼装阶段已经完全确定，现场拼装时节段之间相对位置几乎没有调整的余地；②全部节段的重量在拼装前可以预先获得；③拼装阶段钢梁刚度很小，索力及荷载对标高的影响非常明显；④钢梁的抗拉、抗压能力均较强。其控制的对策为：
　　（1）在确定施工控制目标时，应充分利用钢梁的抗弯能力使混凝土桥面极承担较大压应力。
　　（2）由于梁段间相对位置不能调整，某一梁段的误差除影响本节段外，误差的趋势还将影响以后的梁段，因此，拼装阶段的线形是控制的主要目标，必须在下一节段拼装前通过斜拉索索力的调整来纠正已建成梁段的线形误差，而将索力控制在一定误差范围内。
　　（3）参数估计的对象对主要是主梁的刚度，特别是已安装好桥面板但尚未形成结合梁的梁段，此时的刚度实际上是处于裸钢梁与结合梁之间，需要通过参数估计算法来估计。
　　（4）在参数估计后应重新确定每阶段的张拉索力，如果不进行修正，则在以后每个阶段施工完成时索力与标高均不能同时达到控制目标，从而每次均需要标高调整，这将大大增加施工调索工作量。
　　（5）由于线形主要靠索力调整来保证，但是索力调整必须在梁体强度允许的范围之内，因此，必须分析索力误差对主梁在各施工阶段应力的影响，确保施工应力控制在允许范围之内。
　　4．悬臂施工混凝土连续梁桥
　　大跨径连续梁线形控制与斜拉桥施工控制有相同之处，也有不同之处。
　　首先，两者的控制目标不完全相同。混凝土连续梁桥由于在悬臂施工阶段是静定结构，合龙过程中如不施加额外的压重，成桥后内力状态一般不会偏离设计值很多，因此连续梁桥施工控制的主要目标是控制主梁的线形。
　　其次，两者实施控制的手段不相同。对于混凝土连续梁桥，已施工梁段上出现误差时，只能通过张拉预备预应力束调整，而这一调整量是非常有限的，因此，一旦出现线形误差，误差将永远存在，只能通过立模标高消除已施工梁段的残余误差，有时调整需经过几个梁段才能完成。
因此，悬臂浇筑连续梁桥施工中标高控制的特点是，已完成梁段的误差无法调整，而未完成梁段的立模标高只与正装模拟计算有关，与已完成梁段的误差基本无关。根据这一特点连续梁控制对策为：
　　（1）在进行施工模拟计算时必须充分考虑各种施工因素，特别要正确计算主梁的轴线坐标，同时计算中要计入竖曲线的影响。
　　（2）由于没有高效的调整措施，必须合理制定施工步骤，使每个步骤的变形量减小，这样即使某个施工步骤产生误差，该误差在总体变形中所占比例就较小。
　　（3）在图1自适应施工控制原理图中的下半环，即控制量反馈计算，在连续梁施工控制中一般不起作用。上半环，即参数估计就显得尤为重要，只有与实际施工过程相吻合的计算模型计算出的预报标高才是可实现的，施工结果的误差才能减小。
　　5．组合拱桥的控制
　　相当多的组合拱桥采用预架设钢劲性骨架的方法进行施工，首先劲性骨架吊装组拼，灌筑各钢管混凝土、分层现浇混凝土，张拉预应力、安装桥面系等。在施工过程中循环性的工序相当少，且对已施工结构进行调整的措施不多，这就意味着反馈控制和自适应控制方法无法应用，只能采用开环控制，即在设计阶段必须制定完整的施工步骤，现场严格按施工步骤执行。
　　因此，施工前对施工过程的充分预计是施工控制成功的关键。为了最大可能地使成桥状态接近设计的理想状态，在设计阶段应该对各种施工误差对成桥结果的影响进行分析，制定合适的施工精度要求。
　　表1列出了上述以上各种桥型控制对策的比较。

　　四、结语
　　自适应控制是目前桥梁施工控制较理想的方法，但是对于不同的桥型，在具体实施中应采取不同的对策，对计算模型的参数进行正确估计是实现成功控制的基础，施工误差对控制结果的影响分析是制定允许施工误差的关键。

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