石镇大桥连续刚构悬臂施工的控制

16石镇大桥连续刚构悬臂施工的控制胡钊芳1游勇利2上官兵3（1江西省公路管理局南昌330002）（2江西省公路局科研设计所南昌330002）摘要：石镇大桥主孔悬臂施工长度达到104米，在江西省连续梁连续刚构类中属最大。该桥的悬臂施工控制运用正装结构分析技术和最小二乘法误差分析技术，在没有另外增加施工控制经费的情况下，解决了以往施工中存在的线形偏离设计过大的问题，取得了良好的施工控制效果。关键词：桥梁工程；石镇大桥；连续刚构；悬臂施工；施工控制；线形0前言70年代后，随着我国交通事业的不断发展，大江大河上相继修建了许多大跨度预应力桥梁。连续刚构由于受力合理，行车平顺，施工方便，养护费用少等优点在工程上被大量采用。这种桥型的施工方案多采用自架设体系的悬臂施工法，施工及成桥各阶段的受力体系及所受荷载等都在不停变化，桥梁的内力状态和变形都比较复杂，加上实际施工的各种因素的干扰，可能导致合拢困难，使成桥线形和内力状态偏离设计要求，给桥梁施工安全，外形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不利影响。以往在没有进行施工控制的悬臂施工过程中常出现两种现象：一种是施工人员凭经验拍脑瓜办事的现象，随意性大，结果自然不言而喻。另一种是施工人员为了怕负责任紧抠设计图纸中的上抬量，不顾实际施工情况，导致最终全桥合拢困难，线形与设计也大相径庭。因此对悬臂施工全过程进行施工控制是十分必要的。目前施工控制在国内大型连续梁和连续刚构的建设中被越来越多地实施。在施工控制技术方面，主要包括两大核心：结构计算和误差调整。结构计算强调准确性，误差调整强调可控制性。结构计算主要分正装结构分析和倒装结构分析两种。误差调整方法主要有参数识别法、Kalman滤波法、灰色理论法和最小二乘法等。在施工控制具体实施上，由于技术复杂的原因，业主一般委托大专院校和科研机构专门组成施工控制小组进行全程监测，这样虽然确保了施工的顺利进行，但也另增了一项相当可观的控制费用。由于连续刚构设计上较为成熟，并且石镇大桥的跨度不是很大，所以在石镇大桥施工过程中，我们尝试着在不另外增加施工控制经费的情况下，尽量利用现有的管理框架和人力资源,对石镇大桥实施施工控制（重点放在几何控制上），以保证主孔顺利合拢和成桥后线形流畅并且符合设计要求。1背景工程概述石镇大桥位于万年石镇镇，全长为825.6m，其中主桥主孔为2×75m的预应力连续刚构，主桥副孔为7×30m+2×30m的预应力混凝土简支T梁，共420m。万年岸引桥为15×20=300m钢筋混凝土简支T梁，波阳岸引桥为5×20=100m钢筋混凝土简支T梁，共400m。主孔两跨75米的连续刚构为目前省内同类桥梁中最大跨径。施工采用挂篮悬臂浇筑，总悬臂长度达到2×52＝104米，也是目前省内连续梁连续刚构类中悬臂长度中最大的，加上设计箱梁高较小，挠度变形相对明显，将其作为施工控制的研究对象具有一定典型性。（见图1）8#9#10#11#12#13#现浇段5X400=200020021000#9#8#7#6#5#4#3#2#1#1#2#3#4#5#6#7#4X350=14004X300=12004002X2004004X300=12004X350=1400现浇段13#12#11#10#21002005X400=2000图1石镇大桥主孔2×75m连续刚构示意图17主孔连续刚构截面采用50#预应力混凝土的单箱单室箱梁，三向预应力，支点处梁高5.04m，跨中合拢段及边跨现浇段梁高为2.04m。顶板宽12.5m，厚0.24m，设1.2％的双向横坡，翼板悬臂长3.25m，腹板厚支点处为0.60m，5#块后为0.35m，底板宽6m，上下缘均为二次抛物线，底板厚从支点到跨中在0.24－0.50m范围内变化。主桥设2道横隔板，边跨现浇段在过渡墩支点3.0m范围内横断面局部扩大。2施工控制系统的建立在明确了石镇大桥施工控制的主要目的和内容后，就可以着手开始建立施工控制系统。大跨度桥梁施工控制是一个系统工程，牵涉的面很广，要有效实施施工控制就必须保证施工控制管理和控制技术上的有效性，因此必须先建立完善的施工控制管理系统和制订严密的施工现场控制系统，才能有效保证达到预期的控制目的。本桥的施工控制系统由施工控制管理分系统和施工现场（微机）控制分系统组成。2.1施工控制管理分系统结合石镇大桥施工控制的实际，施工控制管理系统的设计（见图2）。图2石镇大桥施工控制管理分系统框图施工控制管理分系统的设计改变了以往在设计之外另外成立控制组的常规，将设计与控制合为一体，这样做有两个优点：(1)抽调设计代表进行施工控制，可减少大量控制经费。大型桥梁一般都有设计代表常驻工地现场。设计方人员对所设计的项目最为熟悉，在结构计算等方面也有一定优势。特别对于技术较为成熟的桥型，设计工程师完全可以胜任此工作，无需再设立四方以外的机构。(2)将设计方和控制方合并将减少彼此协调的工作量，使变更程序得以简化，避免多头管理和不一致的产生。2.2施工现场（微机）控制分系统施工现场（微机）控制分系统是施工控制系统的技术核心，它包括整个施工控制的主要分析过程，具有数据比较、结构当前状态把握、误差分析、参数识别、未来预测、综合调优决策等功能。根据石镇大桥的实际，按功能上的不同，分别建立多个支系统组成，其中包括数据采集系统、结构分析系统、参数识别系统、状态预测系统、综合调优决策系统。以上所述见图3：图3施工现场（微机）控制分系统框图石镇大桥施工控制的数据采集是施工控制所有后续步骤的前提,其准确性和有效性对最终施工控制的效果起至关重要的作用。高程测量采用三阶段挠度观测法，从挂篮前移定位到预应力钢束张拉完毕是一个施工周期。在这个周期内对三种工况下的箱梁进行挠度观测：即挂篮就位后、浇完混凝土后及张拉完成后，对已施工梁段的监测点进行挠度观测，并记录时间、温度等相关记录。挠度的观测时间应尽量在每天的同一时段观测，以减少施工干扰以及温度对观测结构的影响。测量采用精密水准仪，周期性的对预埋在每梁段的监测点进行观测，不同施工状态下同一点的标高变化就反应了该点在施工过程中的挠度变化。为了准确反映箱梁的挠度变化，采用国家二级水准测量的精度等级要求进行观测，经现场监理复核，签字，确认有效，方可作为有效采集数据提供给施工控制小组。3施工控制的结构分析施工方案的改变，将直接影响成桥结构的受力状态。在确定了施工方案的情况下，如何分析各施工阶段及成桥结构的受力特性及变形是施工设计中的首要任务。对石镇大桥这种规模的桥梁，我们选择正装分析法,原因如下：(1)正装计算分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果，为结构强度、刚度验算提供依据。因此一般连续梁和连续刚构的设计上都优选考虑该法，采用此法可以将设计和施工控制较完美地结合在一起，尤其适用于本桥设计人员主要负责施工控制的情况。(2)现有大多数杆系有限元通用程序能够很好18贯彻正装分析法的计算思路，节约大量人力去专门开发专用程序，也正因此节约大量经费。(3)石镇大桥在大跨径桥梁中规模不是很大，几何非线性不明显，正装分析法能够达到预定精度要求。本桥的结构计算采用了广州市政设计院的桥梁静动力分析系统BRCAD，该系统是仍然以平面杆系计算程序为核心，与其类似的程序在一般设计单位都有。系统将结构离散化，全桥共有节点51个，单元52个。建模的过程中应注意的几点：①边界条件：由于本桥覆盖层薄，封底混凝土连同薄壳沉井已部分与基础岩层联为一体，基础刚度大大增加，因此将承台以下考虑为刚度无穷大，仅考虑桥墩的刚度影响；两过渡墩上均设四氟板支座，可较好适应温度和变形，用链杆来模拟。②结构计算中必须较好地考虑挂篮荷载。挂篮荷载约一半通过后吊带传至主桁上节点，菱形桁架以铰接模式计算杆力，其前下节点支于箱梁顶板前侧，后下节点则通过竖向预应力筋锚于大挂篮。因此用一个竖直力和一个转动弯矩就可考虑分别作用在前后支点的力，并且通过加力和撤力来模拟挂篮的移动。③施工阶段：为更好地服务于施工控制，按照13个阶段，每个阶段3个步骤在程序中来设施工阶段数，加上合拢和体系转换等共56个工况数。④支座位移：考虑过渡墩的支座下沉0.5cm。⑤温差：方案计划按预计温度考虑，方案实施时按实测温度考虑。4施工控制的误差调整通过结构计算分析可以确定桥梁结构各施工阶段中间理想状态，这种理想状态是我们期望在施工中实现的目标。但是在实际施工中，结构的实际状态并不总是与其理想状态吻合，桥梁结构的实际状态与理想状态总存在着一定的误差。施工中结构偏离目标的原因涉及的范围极其广泛，包括设计参数误差(如材料特性、截面特性、容量等)、施工误差(如制作误差、架设误差、预应力索的预张力误差等)、测量误差、结构分析模型误差等，在桥梁施工控制中，我们可以利用误差分析理论，达到控制桥梁结构的实际状态与理想状态的偏差，使结构的成桥状态与设计相一致的目的。石镇大桥的误差调整采用传统经典的最小二乘法，通过它对设计参数的识别与修正，可以使提前预测值不断向真实值逼近，随着数据量的增多，它的准确性也慢慢提高。而本次对石镇大桥的标高将采用H实际挠度＝A×H理论计算＋B×TIME实测＋C的线性回归模式进行控制。在具体运用中，无需专门编写程序，只需运用Excel2000提供了丰富的函数（比如LINEST）实施最小二乘法参数估计，通过对已知量的线性回归，在解出回归系数后即可按照多元线性回归模型对未知量进行预测。实践证明采用此模型简单实用，能够满足施工控制的需要。由于数据众多，在此不一一显示。最终主桥箱顶面标高误差最大不超过3cm，合拢最大误差1.2cm，符合相应的规范规定。5结论通过对石镇大桥预应力连续刚构施工控制的实践，我们得出以下结论：(1)施工控制是一个庞大的系统工程，历时时间长，工作烦琐且艰苦，对管理与技术的要求都非常高，没有良好的沟通和协调将难以实现。建立完善的施工控制管理系统和施工现场控制系统是实施好施工控制的关键，这需要来自建设各方的大力支持和重视。(2)对于石镇大桥这类悬臂长度在100m左右的悬臂施工，在施工控制设计中采用前进分析法进行结构计算，在施工控制实施中采用最小二乘法进行参数估计和调优，大桥主梁的线形是完全可以控制在规范要求以内。而这两项技术成熟，不需专门再花费大量精力和时间编制软件，对于大多数设计单位的设计人员是完全可以掌握的，而且线形控制和合拢效果都很良好。本研究的成果充分显示了它费用省、概念明确、效果明显的优点，具有一定借鉴和推广价值。(3)挂篮和支架的弹性变形的估计对施工控制的影响很大，本桥最大的顶面标高误差就来自于挂篮的弹性变形估计过大，否则施工精度还可再进一步。以后再进行类似的施工控制时，0＃块施工前就应对挂篮进行预拼、预压并做相应的试验了解其弹性变形的规律。支架在浇筑前要预压。另外高程测量的司仪者自始自终指定专门一人读数，可减少系统误差。参考文献：[1]交通部.公路桥涵施工技术规范[S].人民交通出版社,1995.[2]向中富.桥梁施工控制技术[M].人民交通出版社,2001.[3]江西省公路管理局科研设计所.石镇大桥施工控制设计方案[R].2000.19