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大跨径预应力连续梁桥施工控制仿真技术研究闵祥龙（武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉，430070）摘要：随着我国交通事业的迅速发展,我国相继修建了许多大跨度预应力混凝土桥梁。预应力混凝土连续梁由于受力合理、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,施工到成桥各阶段的受力体系及所受荷载等都在不断变化,桥梁的内力状态和变形都比较复杂,加上施工过程中各种因素的干扰,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、线形、行车条件和经济性等方面带来不利影响。因此对悬臂施工过程进行施工控制是十分必要的。本文介绍了连续梁悬臂施工法施工控制的目的意义及内容,并就施工控制的结构仿真分析技术进行了讨论。关键词：大跨径预应力连续梁桥；悬臂浇筑；仿真计算；施工控制Studyonsimulationtechnologyofconstructioncontroloflong-spanprestressedconcretecontinuousbeambridgeMinXianglong(SchoolofCivilengineeringandArchitecture,Wuhanuniversityoftechnology,Wuhan,430070)Abstract：Manygreatspansprestressedconcretebridgeisbuiltoneafteranotherwithrapidlydevelopmentofourcountrytransportation.Itismassivelyusedintheprojectbecausewhichhastheadvantageofdrivingsmooth,theconstructionconvenient,andthecostofmaintainsfew.Thiskindofbridgeconstructionplanusesmuchfromerectsthesystemofbrackettechnology;stresssystemisunceasinglytochange,beforethebridgesetup.Possiblycausestocloseupthedifficulty,causesthebridgelinearandtheendogenicforceconditiondeviationdesignwant.Andthebridgeconstructionsecurity,linear,aspectandsoondrivingconditionandefficiencybringstheadverseeffect.Thereforecarriesontheconstructioncontroltothebracketconstructionprocessisextremelyessential.Thetutorialintroducethecontentandintentaboutconstructioncontroloftheconstructiononcantilevercasting,Besides,discusstheanalysistechnologyofstructureandsimulationonconstructioncontrol.Keyword:greatspanPCcontinuousbeambridge;cantilevercasting;simulatinganalysis;constructioncontrol1绪论1.1引言十九世纪中期以前，各种桥梁均采用有支架的施工法。有支架施工是在桥跨位置架设支架，在支架上拼装钢梁或浇筑混凝土主梁，整个施工过程主梁处于无应力状态。对桥梁的主梁来说，无支架施工是最简单、最可靠的施工方法，但随着科学技术的发展，桥梁跨度不断增大，尤其对跨越大江、大河和深沟的桥梁，若仍然采用有支架的施工方法，将变得非常困难，甚至不可能。悬臂桁梁的出现不仅解决了当时设计上的难题，在施工中，悬臂桁梁的施工应力与营运应力的一致，给悬臂施工即无支架施工方法提供了有力的依据，使无支架施工方法得以广泛采用。20世纪70年代，随着预应力混凝土工艺的完善，尤其是后张学会于1976年的成立，使用于桥梁上的预应力混凝土工艺更加成熟。德国工程师率先采用挂篮悬臂浇筑混凝土，修建预应力连续梁桥，为至今仍采用的悬臂浇筑混凝土连续梁、Ｔ型刚构、斜拉桥等无支架施工方法奠定了基础。无支架施工方法的采用，促进了大跨度桥梁的建设，但是，无支架施工方法的采用，在施工中又将带来许多问题。桥梁的大跨化和各种新工艺的采用，使桥梁内力和位移变化更为复杂，为了保证桥梁施工质量、施工安全和对服役桥梁进行健康监测，桥梁施工控制已成为桥梁建设不可缺少的内容。近年来，在古典控制论基础上发展起来的现代控制论在土木工程学科领域得到了广泛的应用。桥梁工程作为土木工程的一个分支，具有结构复杂、技术含量高的特点，现代控制理论在桥梁施工控制中的应用逐渐成为指导大跨径桥梁建设的得力工具。1.2国内外施工控制情况及发展趋势在国外，早在50年代初，第一座现代斜拉桥Stromsund桥施工时，如何就索力和标高达到设计要求的问题，已被高度重视。1958年Dusseldorf完工的260m跨度的TheodonNenss桥的施工设计中，设计者第一次提出了“倒退分析”法的概念，即在确定了最优成桥状态之后，采用模拟逆施工过程的分析方式算出各施工阶段结构的标高与初张索力；1978年竣工的美国P-K斜拉桥也使用了这一技术。系统实施桥梁施工控制的历史并不长，最早较系统地把工程控制理论应用到桥梁施工管理中的是日本。20世纪80年代初，日本修建日夜野预应力混凝土连续梁桥时，就建立了监测施工控制所需应力、挠度等参数的观测系统，并运用计算机对所测参数进行了现场处理，然后将处理后的实测参数送回设计室进行结构计算分析，最后将分析结果返回现场进行施工控制，这也是国外传统的施工监控方法。到80年代后期，日本成功地利用计算机网络传输技术建立了一个用于斜拉桥施工控制的自动监控系统，实现了施工过程中实测参数与设计值的快速验证比较。它对保证施工安全和精度，提高工程进度起到了决定性的作用。它主要由测量数据自动采集、精度控制支持和结构计算机分析三系统构成。这也是国外传统的施工监控方法。但由于结构计算机分析是借助设计室大型计算机进行的，因此，受通讯电缆架设费用昂贵等因素的影响，使其推广应用受到一定限制。以后，日本又研制了一个以现场微机为主要分析手段的斜拉桥施工控制系统，这一系统除包含上述提及的三个子系统外，还增加了两个数据库，即测量参数和计算参数数据库。此系统的最大特点是在现场完成自动测试、分析和控制全过程，并可进行设计值敏感分析和实际结构行为预测。该系统在1989年建成Nitchu桥和1991年建成的Tomel-Ashigara桥上应用，效果良好。有关介绍预应力混凝土连续梁桥施工监测和控制技术的国外文献较少，至今尚未见到系统介绍类似于斜拉桥施工监控的资料。目前在预应力混凝土连续梁桥上所做的监控工作，主要是研究开发适合于模拟施工过程的结构计算分析软件，进行施工过程模拟分析计算，得出诸如应力、悬臂端预拱度等控制参数，并将实测参数值与理论计算值直接比较，从而达到控制的目的。在预应力混凝土连续梁桥施工监测方面，国外采用的测试手段主要是用预埋钢弦式应变计测定主梁的控制应力：用激光水准仪或电子速测仪等光学仪器测定主梁变形；用热电偶或半导体测量结构温度等。中国在桥梁施工监测与控制方面的研究起步相对较晚，但发展迅速。已建成的黄石长江公路大桥是预应力混凝土刚构桥，国内首次立项进行了该类型桥梁施工监控技术的研究，为预应力混凝土梁桥的监测监控技术的发展开创了新的局面。20世纪80年代后期，对斜拉桥的施工监控技术进行过研究，已初步形成系统，并在上海南浦大桥和浙江涌江斜拉桥施工中进行了实际应用。该系统主要是依靠现场微机用理想的施工倒退分析程序和考虑徐变收缩影响的控制分析程序提供每一施工阶段的理论计算控制值，在现场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等方法，实现施工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行双控的目标。90年代初已推出了一套施工控制分析软件，该软件分三个系统，即按施工阶段进行的前进分析系统、倒退分析各施工阶段理想状态系统以及结合反馈控制的实时跟踪分析系统。所有这些研究都为中国的桥梁施工控制分析做出了积极的贡献。目前国内桥梁施工控制大多采用卡尔曼滤波法，该法是在建立现场量测系统的前提下，通过状态方程，量测方程的建立，定义控制指标，建立最优随机控制过程，在斜拉桥施工挠度控制方面有明显效果。卡尔曼滤波法在预应力混凝土刚构桥监测监控中也取得了成功，重庆黄花园嘉陵江大桥的施工控制即采用卡尔曼滤波一步预测法，实现了施工控制的目标。但卡尔曼滤波法的控制变量与状态变量之间为线性关系模型，与桥梁实际施工效应模型存在一定的差异，在实用上还存在一定的局限性。灰色系统理论近年来在经济、水利、气象、军事等领域得到广泛应用，其主要原因是在理论上已形成了以灰色空间为基础的分析体系，以灰色模型GM为主体的模型体系，以灰过程及其生成空间为基础内涵的方法体系，系统分析、建模、预测、决策、控制、评估为纲的技术体系，在桥梁的施工控制中也逐渐采用。1.3连续梁桥的施工控制1.3.1连续梁桥的施工特点大跨度预应力混凝土梁桥常用施工方法即为悬臂施工法。悬臂施工法是在已建成的桥墩上沿桥墩跨径方向对称地逐段施工的方法。结构的上部梁体在墩上向两边平衡悬臂施工，先形成一个T字型悬臂结构，相邻的两个T字型悬臂在跨中用预应力钢筋和现浇混凝土区段连成整体。悬臂施工的必要条件是在施工过程中需要墩与梁固结，桥墩要承受施工产生的不平衡弯矩。悬臂施工法通常分为悬臂浇注和悬臂拼装两类。大跨径预应力混凝土悬臂梁桥、连续梁桥、T型刚构桥、连续刚构桥多采用悬臂浇注法施工，悬臂浇注施工中挂篮是主要的施工设备，其构造图如图1-1所示。悬臂浇注法施工顺序大致可分为以下几个主要步骤：1)墩顶处搭设临时支架，在支架上现浇少数梁段作为拼装挂篮的场地。2)拼装挂篮，在挂篮上悬臂浇筑其余各梁段，逐段进行。3)在支架上浇筑边跨现浇段，按设计合拢顺序合拢。采用挂篮悬臂浇筑法施工时，影响施工进度的一个主要因素是现浇梁段的混凝土强度增长速度缓慢，一般每阶段的施工周期为6-10天，尤其是在气温较低的地区施工，工期长的问题就更为突出。图1-1悬臂浇筑施工示意图60年代，在法国首先出现了悬臂拼装施工法(见图1-2)。悬臂拼装施工法，就是首先在预制场地将主梁分阶段预制好，待梁段达到规定强度要求后，再将预制好的梁段依次运至吊装现场；随后逐阶段地用吊机将预制块件在桥墩两侧对称起吊、安装就位后，张拉预应力钢筋；如此反复操作，使主梁悬臂不断伸长，直至合拢。概括地讲，悬臂拼装施工的基本工序是：梁段分段预制；移位、堆放和运输；梁段依次起吊、拼装；穿预应力束、施加预应力。图1-2悬臂拼装施工示意图悬臂施工法施工最大的优点就是桥跨间不需要搭设支架，施工时不占用河道、不影响桥下交通，同时使用的施工机具设备也较少，而且在施工过程中可以比较方便地根据具体需要来调整主梁标高。在整个施工过程中，施工机具和人员等重量均全部由已建梁段承受，随着施工的进展，悬臂逐渐延伸，机具设备也逐步移至梁端，不需用支架支撑。所以悬臂施工法可以应用于通航河流、深谷或跨线立交等大跨径桥梁。预应力混凝土悬臂梁桥、连续梁桥、T型刚构桥、连续刚构桥等桥梁均充分利用了预应力混凝土承受正、负弯距能力强的特点，将主梁跨中较大正弯距的一部分转移为主梁支点(即墩顶处)负弯距，并根据主梁截面的受力需要将主梁沿跨径方向设计成变截面的形式，不仅省材且能提高跨越能力。悬臂施工法能保证整个施工过程中墩顶处主梁仅承受负弯距，无需使主梁在施工和成桥阶段经受复杂的体系转换过程，且悬臂现浇能方便的满足变截面的施