大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工监控技术

1 施工监控的作用
　　随着我国交通事业的大发展及西部大开发的进行，西南部崇山峻岭地区将建设多条高等级公路，要求公路中所建桥梁轴线服从路线要求，在平面上呈直线或者曲线形，立面上应用高墩，以跨越深沟，提供顺畅的行车条件，同时综合考虑构筑物与地基变形、少占良田、环境保护以及维修养护等多种因素，加大了桥梁比例，大跨度预应力混凝土连续刚构桥（以下简称刚构桥）越来越多广泛应用在跨越深沟高谷中，施工监控对刚构桥成桥质量及施工过程安全都具有非常重要的作用，因此大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工监控（以下简称施工监控）成为桥梁施工建设中不可缺少的环节。
　　 2 施工监控的原理
　　施工监控一般采用自适应控制法(也称参数识别修正法)。该方法是在系统的运行过程中，通过系统识别或参数估计，不断地修正参数，使设计输出与实际输出相符，从而实现对目标系统的控制。自适应控制系统最早出现在50年代末期，由美国麻省理工学院Wittaker等人提出，尔后出现了许多形式完全不同的自适应系统。一般来讲，一个自适应系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条件的变化（如负荷变化，风、雨等气候条件的变化等）并自动校正控制动作，使系统达到最优或接近最优的控制效果。
　　 3 刚构桥施工监控的特点及对策
　　 3.1 刚构桥施工监控的特点
　　自适应控制法一般适用于被控对象参数未知，或者由于环境条件影响，参数发生较大变化的系统。此自适应控制思路特别适用于刚构桥悬臂浇筑施工，主要在于：主梁在悬臂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。采用自适应控制法进行刚构桥的施工控制，有如下特点：
　　 (1)由于刚构桥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。
　　 (2)对于刚构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。
　　 3.2 刚构桥施工监控的对策
　　由于刚构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。根据这一特点悬臂浇筑箱梁桥控制对策为：
　　 (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)由于控制量反馈计算在悬臂浇筑箱梁桥施工控制中一般不起作用，因此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。
　　 4 刚构桥施工监控体系
　　在刚构桥悬臂施工时，由于影响施工控制的因素很多，特别是随着桥梁跨径的不断增大，施工中所受到的不确定性影响因素也越多，要使桥梁施工安全、顺利地向前推进，并保证成桥状态符合设计要求，就必须将其作为一个系统工程予以严格控制。 大跨度桥梁的施工控制是一个施工→量测→识别→修正→预告→施工的循环过程。在这个过程中需要对主梁标高和内力实行双控。它既是一个技术问题，又是一项系统工程。它主要包括两个部分，一部分是数据采集系统，即在桥上埋设各类传感器和设置监控系统，采集资料。再一个是资料分析仿真模拟系统，将采集到的资料进行分析处理，以确定下一个施工阶段的参数。通过有效的监测监控工作，最终减小或消除设计与实际施工过程差异的影响，保证设计的施工过程和受力状态得以准确实现，确保主梁准确合龙并使最终的主梁线形和内力达到设计状态，减小后期桥面铺装的难度。
　　施工控制的两个核心问题是施工控制计算和现场施工测试。通过测试所获得的桥梁在施工各阶段结构内力和变形的第一手资料是施工中控制、调整内力和位移的主要依据，同时它也是监测施工、改进设计、确保结构在施工过程中安全的重要手段。
　　 4. 刚构桥施工控制的主要内容及方法
　　 5.1 线形控制
　　线形控制分为两个方面，一是平面线形控制，即控制桥梁轴线在平面上符合设计要求或规范要求。结合目前的施工技术，对于悬臂桥梁的平面线性控制已比较简单，容易达到要求；二是竖向线形控制，竖向线形必须符合设计或规范要求，竖向线形控制不好，往往出现合龙困难，梁桥面纵向产生起伏等情况而导致桥面恒载超重，预应力筋偏角增大，从而使得箱梁内力与设计不符并且影响桥梁外观。故竖向线形的控制，尤其是挠度控制是线性控制的重点。
　　混凝土收缩徐变系数的调整是通过分析累积变形来处理的。只有当本阶段变形理论值与实测值相符而累计变形不符时，才对所累计过程混凝土的收缩徐变系数进行调整。
　　综上所述，悬臂浇筑箱梁桥标高监控的步骤可分为:
　　 ①当本节段施工后与计算标高不符时，应调整混凝土弹模、混凝土容重、预应力摩擦系数等参数，消除误差；
　　 ②当节段累积变形与计算值不符时，应调整混凝土收缩、徐变系数对误差予以消除；
　　 ③用这批参数对下一节段施工后的变形进行预测，指导其施工。
　　 5.2 应力控制
　　桥梁结构在成桥后，其受力状态与设计必须保持一致。在施工过程中，混凝土的压应力和拉应力不得超过规定的限值，否则会产生裂缝而降低构件的抗裂性、刚度和耐久性，更有甚者可能引起构件的破坏而引起桥梁坍塌事故。对应力控制的精度和方法还没有明确的规定，需根据实际情况确定，一般考虑结构自重、预加力、施工荷载、温度及基础变位、风雪荷载以及外力撞击、挂篮掉落等偶然因素。
　　 5.3 稳定控制
　　桥梁的稳定性是桥梁结构验算必不可少的一个方面。随着桥梁跨径的不断增大，桥墩高耸化、箱梁薄壁化以及高强度材料的应用，结构整体和局部刚度下降，使得稳定问题比以往更为重要。
　　结构失稳是指在外力增加到某一量值时，稳定性平衡状态开始丧失，稍有扰动，结构变形迅速增大，使结构失去正常工作能力的现象，施工过程要经过复杂的体系转化，体系必须承受住可能出现的各种荷载，而保持稳定，否则就会发生事故。在施工中，通过预测各种不利工况，采用监测手段，采取必要的措施，防止或制止结构失稳的过程称为稳定性控制。
5.4 安全控制
　　桥梁施工过程中的安全控制是桥梁施工控制的重要内容，只有保证了施工过程中的安全，其他控制和桥梁的建成才成为可能。桥梁施工安全控制是上述几何控制、应力控制、稳定控制的综合体现，上述各项得到了控制，安全也就相应地得到了控制。在实际施工中，要根据不同的结构形式确定安全控制的重点。
　　 6 影响刚构桥施工控制效果的因素
　　 6.1 结构参数
　　结构参数是施工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。结构参数主要包括混凝土容重、混凝土弹性模量、混凝土的收缩徐变、施工温度、施工荷载、预加应力、箱梁截面尺寸等。这些参数会对桥梁的变形产生一定的影响，使实际变形与理论变形存在一定的差异，从而影响成桥竣工标高。因此必须根据施工实际，随时调整理论计算模型使之与施工实际情况相符，再按修正后的模型确定新的立模标高，从而达到标高控制的目的。理论模型的修正通过对模型中各相关控制参数的调整来实现的。
　　 (1) 混凝土容重
　　混凝土容重是影响结构自重的最重要因素。大跨度桥梁的施工工期长，浇筑混凝土次数多且方量大，混凝土容重的离散性较大，因此对它的选用和修正都应该十分慎重以力求准确。预应力混凝土容重包括普通钢筋和预应力钢筋的重量，故混凝土容重的处理不能忽略钢材对梁体容重的影响。具体做法如下:
　　 ① 根据设计图，首先计算出梁体各节段的理论容重，给理论模型赋初值。
　　 ② 根据施工时混凝土的实测容重进行修正，消除理论模型与实际结构的容重偏差。
　　对已成梁段混凝土的容重 直接采用实测值。对于未实施节段混凝土的容重进行必要的预期。应通过回归分析，根据已成各节段混凝土容重的实测资料求得，不能随意取值。
　　 (2) 混凝土的弹性模量
　　混凝土的弹性模量是影响结构刚度从而影响变形的重要因素。混凝土弹性模量的离散性较大，对它的初值选用和施工期间的修正调整应该慎重。具体处理方法如下:
　　建立计算模型时，一般是根据设计及相关规范规定给混凝土弹性模量赋初值。施工监控中根据现场实际试验数据对其进行修正，使所选参数计算得到的变形与实测变形相吻合。因为混凝土的弹性模量是随时间变化的，且在混凝土的浇筑龄期为一个月以内时变化较大。考虑到悬臂节段现浇施工的周期较短，通常完成一个节段的时间在8天以内，因此必须考虑时间对混凝土弹性模量的影响。可以通过试验和所查阅的相关资料，建立混凝土弹模E与时间t的关系曲线，并对梁体每一块件的弹模E按时间t的不同进行修正。
　　 (3) 混凝土收缩徐变系数影响
　　钢筋混凝土及预应力混凝土结构内力和位移计算必须考虑混凝土的收缩徐变的影响。影响收缩徐变的主要有水泥品种、集料性质、混凝土配合比、外加剂和其它成分、；加载龄期、环境龄期、环境温度、试件尺寸、应力大小及应力持续时间等因素。混凝土的收缩徐变不仅影响结构在施工期间的变形，而且对结构在成桥竣工后的变形也有较大影响。在建立理论计算模型时，通常根据以往的经验和相关资料进行综合分析来给混凝土收缩徐变系数赋初值。
(4) 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响在控制分析中是不能忽略的，一定要根据实际取值。
　　 (5) 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，施工控制中要对其取值误差做出合理估计。
　　 (6) 实际浇筑尺寸误差的影响
　　由于尺寸偏差引起的刚度变化相对梁体计算刚度较小，而且局部区段梁的体积变化对梁体几何刚度的影响也是可以忽略的。
　　 6.2 施工工艺
　　施工控制是为施工服务的，反过来，施工的好坏直接影响控制目标的实现，除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。
　　 6.3 施工监测
　　监测包括结构温度监测、应力监测、变形监测等，是桥梁施工控制最基本的手段之一。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，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施工控制极为重要。在控制过程中，除要测量设备、方法上尽量设法减小测量误差外，在进行控制分析时必须计入。
　　 6.4 温度变化
　　温度变化对桥梁结构的受力与变形影响很大。在不同时刻对结构状态(应力、变形状态)进行量测，其结果是不一样的，若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，必须考虑温度变化影响。
　　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果的影响相对排除(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。
　　 6.5 施工管理
　　桥梁施工控制的对象就是桥梁施工本身，施工管理的好坏直接影响桥梁施工质量、进度等。特别是施工进度一旦不按计划进行，必然给施工控制带来一定难度。以悬臂浇筑箱梁桥为例，如果箱梁相对悬臂施工进度存在差别，必然使两悬臂在合龙前等待不同的时间，从而产生不同的徐变变形，由于徐变变形较难准确估计，从而容易导致桥梁结构最终合龙困难。
　　 7 结束语
　　根据我国预应力混凝土连续梁桥蓬勃发展的现实情况，有必要对连续梁桥的施工控制技术做更进一步的研究，因此我们要建立以施工为中心，配备先进实用的测试技术和现场分析计算技术的大跨径梁桥的施工监测和控制系统，在施工现场实时地监测各施工阶段的主要控制参数，并通过现场计算分析及时地预测，并采取合理的控制措施用以指导和控制施工。
　　未来桥梁的施工控制的研究方向首先是量测监控的自动化，引入先进的量测系统，并直接把量测结果输入到计算机处理，其次是将现代控制理论、专家系统等的最新研究成果引入施工控制，开发施工控制的可视化软件，从而使桥梁施工控制实现科学化、自动化和智能化，以适应于桥梁实际工程建设的发展需要。