大跨径桥梁施工监测.docx
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大跨径桥梁施工监测
广西大学土木建筑工程学院
在职研究生课程论文（作业）
课程大跨径桥梁施工监测
任课教师
专业、年级
研究生
预应力混凝土连续刚构施工控制技术
内容提要以九架棚大桥为例，简要论述预应力混凝土连续刚构桥施工控制技术。
连续刚构桥属于自架设方式施工，且以成形结构的状态（包括受力、变形）具有不可调整性，由于其节段多、工期长，受多种因素影响会出现偏差的因素多，可能性搭，所以确保成桥线形与内力状态符合要求显得非常重要。
关键词连续刚构施工控制
1引言
预应力混凝土连续刚构桥通常用在较大跨径的梁式桥上，一般采用悬臂浇筑施工，目前采用的墩梁固结结构后，避免了墩梁临时固结和解除固结这个复杂过程，所以看起来比连续梁桥简单些，而实际上，由于连续刚构桥跨径大，孔数多（三孔或五孔），施工中遇到的问题较多。
2工程简介
317国道改线工程E合同段九架棚大桥起讫桩号为K848+826.8–K849+081.4，全长254.6米，位于四川省阿坝州理县境内，九架棚大桥为66米+120米+66米的预应力混凝土连续刚构桥。
主梁采用单箱单室、双向预应力混凝土箱型断面，上部宽度9m。
悬臂浇筑梁段7×3米+8×4米，0号梁段12米，边、中跨合拢段2.0米,边跨现浇段5.0米。
张拉时间按照设计要求为浇筑后3天且混凝土强度达到设计强度的85％，张拉采用双控。
3连续刚构施工易出现的问题
连续刚构施工中遇到的问题总的来说如下：
（1）连续刚构桥墩为柔性，主梁相对纤细，施工过程中桥墩、主梁的受力安全、稳定性需要特别注意。
（2）悬臂施工节段多、工期长，纵面高程受多种因素影响，易出现较大的悬臂标高误差。
（3）施工中实施的强迫合拢，将在结构中产生不利的附加应力，影响结构受力安全。
所以确保成桥线形与内力状态符合要求非常重要，直接影响桥梁的使用功能。
4本桥实施施工控制的目的和意义
大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工监测的目的就是在悬臂施工过程中，通过监测主墩和主梁结构在各个施工阶段的应力和变形，来达到及时了解结构实际行为的目的。
根据监测所获得的数据，首先确保结构的安全和稳定，其次保证结构的受力合理和线形平顺，为大桥安全、顺利地建成提供技术保障。
5施工控制的内容
悬臂施工属于典型的自架设施工方法。
在施工中以成的结构状态是无法事后调整的，所以九架棚大桥施工控制主要采取预测控制法，主要控制是施工控制模拟结构分析、施工监测（包括结构变形与应力监测等）、施工误差分析以及后续施工状态预测几个方面。
6施工控制方法与最优控制计算
6.1大跨径连续钢构桥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。
在施工控制中，需从受到或多或少噪声污染的结构状态中估计出真实的结构状态。
同时，为了达到施工控制的最基本要求，即它的最优性能指标，可针对施工过程组成随机最优控制系统，对结构状态理论值与实测值之间的误差进行分析、调整、预测。
本桥运用工程控制论的思想，采用最优控制理论与计算机相结合的技术，将九架棚大桥成桥线形和施工期结构变化状态，作为线形离散、确定性动态系统最优控制的对象，通过卡尔曼滤波法，建立随机的数学模型和性能指标，用递推滤波的思想，从被噪声污染的状态中估计出真实的状态，并用估计出来的状态变量，按确定性的最优控制规律构成闭环状态反馈系统，求出最优控制变量值，不断对各阶段进行调整、控制，最终达到随机最优控制的目的。
施工控制流程见图1
图1施工控制流程
6.2施工控制计算的原则
（1）施工方案
本桥主要是研究施工方案，从而确定悬臂施工期间的施工荷载：
一是挂篮荷载根据设计图确定；二是施工期间的其它荷载。
（2）计算图式
九架棚大桥主要经过悬臂施工和三次合拢，则在施工中结构体系不断变化，因此在各个施工阶段应根据符合实际状况的结构体系和荷载状况选择正确的计算图式进行分析、计算。
由于主桥合拢前后结构体系将发生转变，即由对称的单“T”静定结构边为对称的超静定结构，故在合拢前后调整时，只需取单“T”分别进行调整。
本桥控制计算模型的建立如图2所示。
（a）悬臂浇筑连续刚构桥计算模型
（b）悬臂浇筑连续刚构桥计算模型中预应力筋布置
图2悬臂浇筑连续刚构桥Midas分析模型
（3）结构分析程序：
对连续梁桥、连续刚构桥的施工控制计算而言．采用平面结构分析方法基本可以满足实际施工控制的需要。
（4）非线性影响：
非线性对中小跨连续梁桥、连续刚构桥的影响可以忽略不计，但对大跨径则有必要考虑非线性的影响。
（5）预加应力影响：
预加应力直接影响结构的受力与变形，施工控制中应在设计要求的基础上控制预应力的实际施加程度。
（6）混凝土收缩、徐变的影响：
连续梁桥、连续刚构桥必须计入混凝土收缩、徐变对变形影响。
（7）温度：
温度对结构的影响是复杂的，通常的做法是对季节性温差在计算中予以考虑，对日照温差则在观测中采取一些措施予以消除，减小其影响。
（8）施工进度：
施工控制计算需按实际的施工进度以及确切的预计合拢时间分别考虑各个部分的混凝土徐变变形。
6.3最优控制理论的采用
对于悬臂施工的连续刚构桥，其后一块件是通过预应力筋使混凝土与前一块件相连接而成，因此，每一施工阶段都是密切相关的。
分析各施工阶段及成桥结构的外形和受力特性就变得必不可少。
为了使结构在最终成桥状态时达到设计要求的各项性能指标，确定各施工阶段结构的线形的桥梁悬臂施工中最重要的任务之一，而决定上部结构每一待浇块件的预拱度尤其重要。
因为①合拢前，一个单跨的两个悬臂端部应该尽可能在同一水平面上；②桥梁在施工和运营状态下，上部结构的标高频繁发生变化（上挠或下挠）。
因此，在上部结构各个截面的施工中应该预留容许偏差，以期保证在“无限长时间”（约15年～20年）以后结构物能够保证在设计所规定的标高范围内。
由于建桥材料的特性、施工误差等是随即变化的，因而施工条件部可能是理想状态。
为了解决上述问题，在九架棚大桥的施工中，从前进分析、倒退分析、实时跟踪分析三方面入手，相互结合，实现成桥结构在线形、内力各方面满足设计要求的目标。
（1）前进分析
前进分析的目的在确定成桥结构的受力状态。
这种计算的特点是：
随着施工阶段的推进，结构型式、边界约束、荷载型式在不断变化，前期结构发生徐变和几何位置的改变。
因而，前一阶段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。
我们将这种按施工阶段进行的结构分析称为前进分析法。
前进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，而且还可以为施工阶段理想状态的确定形成一个描述结构状态的数据文件，作为完成桥梁结构施工设计、控制的基础。
（2）倒退分析
前进分析系统可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于分析中结构节点坐标的迁移，最终结构轴线不可能达到设计轴线。
实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要，线形误差将影响桥梁的合拢等。
为了使竣工后的结构保持设计线形，在施工过程中用设置预拱度的方法来实现。
而对于分段施工的连续刚构件，一般要给出各个施工结构物控制点的标高（预拱度），以便最终使结构物满足设计要求，这个问题比较复杂。
倒退分析系统可以从根本上解决这一问题。
它的基本思想是，假定t=t0时刻结构内力分析满足前进分析t0时刻的结果，线形满足设计轴线。
在初始状态下，按照前进分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次拆除一个施工段对剩余结构的影响。
在一个阶段内分析得到的结构位移、内力便是理想施工状态。
各个理想施工状态的确定都是前进分析的逆过程，倒退分析程序系统的设计与前进分析相似，此外还注意了以下几点：
①倒退分析系统用到的输入数据文件由前进分析提供，初始状态由前进分析确定。
②拆除构件用相应单元退出工作的方式模拟，即在形成结构总刚度时，约束退出工作的节点，并去除退出工作单元的刚度。
拆除大拿园的等效荷载，用被拆单元接缝处的内力反向作用在剩余主体结构接缝处来加以模拟。
③拆除构件后的结构状态为拆除杆件前的结构状态与被拆除杆件等效荷载作用状态的叠加，即认为载这种情况下线性叠加原理成立。
④被拆构件应满足零应力条件，剩余主体结构新出现接缝面应力等于此阶段对该面施加的预应力。
这是倒退分析的必要条件。
（3）反馈控制的实时跟踪分析。
6.4现场测试与参数识别
为了确保施工的顺利实施，施工过程中各项技术参数的准确测定至关重要，它时进行施工控制的必要初始参数，它为施工计算提供可实测依据，是最终实现施工控制目的的最关键一步。
以下介绍九架棚大桥现场测试的内容及结果。
6.4.1应力测试
在大桥上部结构（箱梁）的控制截面布置应力量测点，以观察在施工过程中这些截面的应力变化及应力分布情况。
结合反馈控制的实时跟踪分析系统（即随机最优控制系统），由反馈控制子系统提供最优可调变量的调整方案，由实时跟踪分析系统分析在计入误差荷变量调整之后每个阶段乃至竣工后结构的实际状态（这将有利于桥梁结构可靠度的后评估），同时可根据当前施工阶段向前计算至竣工，预告今后施可能出现的状态并预报下一阶段当前已安装构件或即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态，以确定是否在本施工阶段对可调变量实施调整。
1）测试仪器的选择
在九架棚大桥上，根据对多种应力测试仪器的性能比较，考虑要适合长期观测并能保证足够的精度，选用丹东市电器仪表厂生产的刚弦式应力计荷配套的频率接收仪作为应力观测仪器。
该应力计的温度误差小、性能稳定、抗干扰能力强，适合于应力长期观测。
主要性能指标如下：
量程：
0～40Mpa
分辨率：
〈0.2%FS〉
稳定性：
3～5Hz（0.1～0.16Mpa）/3个月；3～4Hz（0.1～0.13Mpa）/10℃
2）测点布置
应力计按预定的测试方向固定在主筋上，测试导线引至混凝土表面。
上部结构（箱梁）总共布置74个应力量测点。
拟选下游幅靠市中区侧的两个“T”作为箱梁应力观察对象。
两个“T”的4个根部截面各布置8个测点，除侧板2个测点与水平成45°方向布置外（测主应力），其余6个测点均为顺桥向布置；其它7个截面各布置6个测点，均为顺桥向布置，具体位置见图3。
3）应力观测结果
在各测点位置用应力计可测得实际施工状态时箱梁内的应力，并以此来对结构安全进行评价。
表1列出2号墩箱梁在施工8号块件时的钢束内力观测结果。
6.4.2挠度观测
挠度观测资料实控制成桥线形最主要的依据。
根据以往的经验，在每个施工块件上布置3个对称的高程观测点，这样不仅可以测量箱梁的挠度，同时可以观测箱梁是否发生扭转变形。
在施工过程中，对每一截面需进行立模、混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、钢筋张拉前、钢筋张拉后的标高观测，以便观察各点的挠度及箱梁曲线的变化历程，以保证箱梁悬臂端合龙精度及桥面线形。
高程控制点布置在离块件前端10cm处，采用φ16钢筋在垂直方向与顶板的上下层钢筋点焊牢固，并要求竖值。
测点（钢筋）露出箱梁混凝土表面5cm，测头磨平用红油漆标记。
1）测点布置
（1）0号块件高程测点布置
布置0号块件高程观测点是为了控制顶板的设计标高，同时也作为以后各悬浇节段高程观察的基准点。
每个0号块件的顶板各布置11个高程观测点。
表1钢束内力实测表
T04钢束
T05钢束
T06钢束
T07钢束
距离
内力/KN
距离
内力/KN
距离
内力/KN
距离
内力/KN
0
1441.07
0
1454.905
0
1465.139
0
1480.076
0.76
1522.589
0.76
1536.577
0.76
1547.562
0.761
1563.928
1.563
1571.013
1.563
1585.76
1.564
1598.402
1.567
1616.59
5.559
1769.932
5.56
1782.853
5.566
1807.367
5.577
1836.6
10.309
1820.148
10.81
1804.763
10.816
1823.293
10.827
1847.022
15.309
1857.273
11.56
1806.988
11.566
1825.168
11.577
1848.447
17.309
1853.624
14.31
1832.858
14.566
1833.91
14.577
1854.128
19.809
1803.414
18.31
1862.539
15.316
1835.748
15.327
1855.541
20.309
1801.952
20.31
1858.867
16.316
1846.309
16.077
1856.952
20.809
1800.499
22.31
1855.399
17.316
1848.697
17.577
1859.769
22.809
1764.295
25.06
1800.089
25.816
1842.268
18.327
1861.175
25.059
1753.123
25.81
1798.004
26.816
1839.994
20.327
1864.45
25.809
1750.118
27.31
1794.051
27.316
1838.862
22.327
1860.721
26.569
1640.274
28.06
1788.276
28.816
1827.289
24.327
1857.002
27.374
1576.047
29.56
1784.126
30.316
1823.876
26.327
1854.268
28.219
1543.099
30.31
1782.16
31.816
1818.868
28.827
1858.833
29.869
1453.825
31.81
1774.221
33.316
1815.445
29.827
1856.969
30.63
1332.689
33.376
1599.48
34.066
1811.321
30.327
1856.036
35.067
1545.473
35.566
1807.739
31.827
1853.232
36.633
1355.236
36.316
1805.983
33.327
1850.422
37.816
1801.073
34.827
1847.603
38.576
1690.189
35.577
1846.188
39.383
1624.196
36.327
1844.773
40.23
1591.884
37.827
1841.931
41.884
1497.026
38.577
1840.502
42.644
1373.059
39.327
1839.068
40.827
1836.167
41.577
1834.691
42.327
1833.169
43.827
1829.349
45.396
1647.808
46.247
1621.736
47.905
1522.627
48.666
1395.91
（2）各悬浇节段的高程观测点布置
每个节段各设2个测点，对称布置在悬臂板与承托的交接点，离块件前端10cm处.
2）观测时间与项目
为尽量减少温度的影响，挠度的观测安排在早晨太阳出来之前进行。
在整个施工过程中，主要观测内容包括：
立模、混凝土浇筑前后、预应力张拉前后以及拆除挂篮后、边（中）跨合龙前、最终成桥前的各项标高值。
以这些观测值为依据，进行有效的施工控制。
3）观测结果
观测结果的正确性示进行最优控制的先决条件。
对于每一施工阶段的挠度及标高的量测，都需经过详细的分析。
现将挂篮拆除后1号墩箱梁各节段测点的实际标高列于表2。
6.4.3温度观测
温度是影响主梁挠度的最主要的因素之一。
温度变化包括日温度变化和季节温度变化两部分。
日温度变化比较复杂，尤其是日照作用，会引起主梁顶底板温度差，使主梁发生挠曲，同时，也会引起墩身位移。
季节温差对主梁挠度的影响比较简单，其变化是均匀的，可采集各节段在各施工阶段的温度，输入计算机计算挠度。
因此，为了摸清箱梁截面内外温差和温度在截面上的分布情况，在梁体上布置温度观测点进行观测，以获得准确的温度变化规律。
考虑到各个“T”的温度大致相同，故选一个“T”的一个悬臂（定为1号墩靠岸侧的悬臂）作为温度测试对象，共设2个观测截面，每个截面各布置4个温度观测点。
将温度传感器绑扎在钢筋上，做防潮和防机械损伤处理后埋入混凝土体内，测试导线引到混凝土表面。
测点布置如图4所示。
图4箱梁温度测点布置示意图
6.4.4混凝土弹性模量及容量的测量
1）弹性模量的测量
混凝土弹性模量的测试主要是为了混凝土弹性模量（E）随时间（t）的变化过程，即E-t曲线。
采用现场取样通过万能实验机实压的方法，分别测定混凝土在3d、7d、14d、28d、60d、90d龄期的值，以得到完整的E-t曲线
2）容重的测量
混凝土容重的测试是在现场取样，采用实验室的常规方法进行测试。
其测试记录见表8-8。
表2混凝土容重测试记录表
测次
容重筒质量
（Kg）
总质量（Kg）
混凝土净重
（Kg）
混凝土
（Kg/m3）
1
1.7
13.7
12.0
24.0
2
1.7
13.9
12.2
24.4
3
1.7
13.8
12.1
24.2
混凝土容重均值（Kg/m3）
24.3
7结构状态确定
选取状态矢量为每一节段控制点的标高（位移）选取控制矢量为相邻两个阶段上控制点标高（位移）的差值（状态差值），选取目标函数为几何线形和控制矢量的泛函。
为正确反映桥梁结构悬臂施工过程中的标高（位移），把各节段梁底标高作为状态矢量和控制矢量的监测值，梁体采用预埋一根从梁底至顶板的Ф22钢筋来引取，并在钢筋安置后测出钢筋顶或底的标高差，作为标高或位移的控制测量结果，包括以下五个工序的标高测量和控制：
（1）起始段标高
起始段控制标高由理想控制目标几何线形标高及其预变形、支架变形及基础沉降抛高以及支座受压变形抛高组成。
其中，支架变形及其基础沉降对标高影响最大。
（2）挂篮就位标高
挂篮就位标高涉及到三部分，即理想控制目标几何线形标高、结构施工期预变位和挂篮变形附加抛高。
挂篮就位标高是直接控制结构几何线形的关键内容。
因此，在挂篮就位操作过程中，应保证前吊带完全均匀受力、后吊带与后锚收紧、控制点标高正确。
（3）混凝土浇筑后标高
混凝土浇筑后各控制点标高数值主要用于已建结构几何线形的校核，以便修正已建结构标高的计算值和预测未浇节段的计算参数，调整与优化成桥状态几何线形，确定出待浇段的控制标高。
（4）预加应力后标高
预应力作用后结构控制标高的量测目的在于利用实测结构分析参数了解预加力值是否发生偏差，以便决定是否修改预加力的设计值。
（5）合拢段标高
合拢段施工标高是根据未浇节段线形平顺并且与设计标高偏差最小的原则确定的。
由于节段施工标高的误差，预计的合拢段标高将不被修正，直至结构合拢。
因此，节段标高的偏差虽然发生在局部，但从结构几何线形平顺的要求出发，却是个影响整体的问题。
（6）立模标高为：
HL=HS+YY+Δg
式中：
HL——立模标高；
HS——设计标高；
YY——计算所得得预抛高值（包括自重挠度总和；张拉后挠度总和；混凝土收缩、徐变的挠度；施工临时荷载引起的挠度；使用荷载引起的挠度）；
Δg——挂蓝变形值。
预计标高为：
HY=HL–x0–Δg
式中：
x0——浇筑当前块件的下挠值或张拉钢筋后的总下挠值。
但是，实际的施工状态与理想得施工状态是有差别的，这就是说，如果按照计算得预抛高值施工，最终成桥状态不一定是理想的状态，这时，具有反馈控制的实时跟踪分析系统就是实现桥梁结构施工控制的关键。
通过卡尔曼滤波器，预告出各阶段的实际状态值，再由最后的最优控制，结合实际观测值，得出最优调整过程。
以上这三大系统均由计算机完成。
其整个施工控制流程图如图5。
九架棚大桥进行了实施调整，整个计算过程及结果如下。
1．输入数据
输入文件包括两部分数据：
一是结构计算部分数据，二是控制部分数据。
（1）结构计算部分数据
结构计算简图如图1所示。
截面抗弯惯矩、截面面积以及截面高度均采用设计方提供的资料，并以此来划分材料的类型。
其中，混凝土的弹性模量取值为4.04×104MPa；预应力束信息主要是是根据预应力束得几何要素以及计入预应力束的摩阻损失来获得；徐变收缩信信息主要是依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》（JTJ023—85）中的公式并考虑环境温度、理论厚度和收缩应变终值，并结合九架棚大桥得实际施工条件而取定的；在结构计算中，荷载主要考虑自重荷载。
依据上述输入数据，便可计算出结构静力部分得挠度和内力，为将要进行的施工控制计算提供了结构部分的数据依据。
（2）九架棚大桥的施工控制流程图
图5九架棚大桥的施工控制流程图
2、九架棚大桥边、中跨合拢段高程
按照实际观测的高程，1＃桥墩中跨实测高程高于设计高程0.075m，边跨实测高程高于设计高程0.024m，2＃桥墩中跨实测高程高于设计高程0.068m，边跨实测高程高于设计高程0.029m，计算时结合上述的因素并结合实测高程的差值，确定15＃高程调整为：
1＃桥墩中跨高程高于设计高程0.086m，边跨实测高程高于设计高程0.038m，2＃桥墩中跨实测高程高于设计高程0.0858m，边跨实测高程高于设计高程0.029m，边跨现浇段高程结合14＃块的高程以及下挠计算，确定为设计高程＋支架下沉值＋挠度调整值。
最终实测合拢段高差为：
0.005m、0.008m、0.002m，可以看出利用Midas分析模型结合实测调整，最终确保了合拢段施工高差，可以减少高程压重，对整体桥型的控制和减少施工工序均取得满意的控制效果。
7结束语
在九架棚大桥施工按照上述方案施工，保证了工程质量和施工进度，实践证明采取的措施是有效的。
高原高空高寒地区连续刚构冬期施工，涉及较多的控制措施，本文仅在施工的部分方面进行了总结，目的是在类似的工程上提供借鉴的参考数据，以后会根据九架棚大桥的冬期施工经验继续总结。
参考文献
公路桥涵施工技术规范·中华人民共和国交通部·2000年11月
桥涵·人民交通出版社，2000年10月
冬期施工手册·中国建筑工业出版社，2005年9月
悬臂浇筑预应力混凝土梁桥·人民交通出版社，2004年3月
路桥施工计算手册·人民交通出版社，2004年8月
建筑保温隔热材料·化学工业出版社，2006年3月
预应力混凝土桥梁施工要点·人民交通出版社，2004年1月
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