连续刚构桥施工控制Word文档格式.docx
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本文通过白
水湘江大桥主桥施工阶段和合拢后成桥阶段箱梁温度场及其温度效应的
24小时连续观测，对连续刚构桥温度效i应进行了详细的分析，采用新西
兰规范和我国铁路规范相结合的简化温度梯度模式，计算结果与实测值
较为接近。
本文最后结合白水湘江大桥高温合拢的实际情况，通过对不同合拢
温度的选取，对由此年温差产生的结构内力进行了比较分析，对连续刚
构桥合拢温度的合理选取进行了初步的探讨，并提出了一项有效的施工
措施以保证在高温条件下合拢结构安全。
关键词:
预应力混凝土连续刚构桥;
施工控制;
灰色预测控制系统;
温
度效应Construction
Long一span
ControlandTemperature
PCContinuousRigidFrame
Effectof
Bridge
ABSTRACT
丫
户/
Astheimportantpartofmodernconstructiontechnology,construction
controlisplayingamoreandmoreimportantroleinthesuccessfulerection
oflong一spanbridges.Becausethebalancingcantileversegmental
constructionmethodhasbeenwidelyappliedinthebuildingoflong一span
continuousrigidframebridge,itisnecessarytoexecuteaconstruction
controleffectivelytoensurethestructuralsafety,successfulclosureofa
spanandtheidealalignmentofsuperstructureduringandaftererectionof
thebridge.Inthisthesis,agreypredictivecontrolsystemforone
constructioncontroloflongspanpccontinuousrigidframebridgehasbeen
developedfromthegreysystemtheoryandthemodernpredickivecontrol
theory,andthesystemhasbeenappliedontheconstruction’controlof
BaishuiBridgeacrossXiangjiangRiverinQiyangthatisaPCcontinuous
rigidframebridgewithtwomainspansof120meterstopredictandcontrol
allconstructionstates.IthasbeenprovedthattheapplicationofGrey
predictivecontrolsystemcanensureconstructionsafety,makeideal
alignmentofsuperstructureandtheinternalforceofBaishuiBridgeafter
closing-jointomeetthedesignrequirementsuccessfully.
ThestresscausedbysunshineisanimportantpartofreactionofPCbox
girderanditiscrucialtohaveacertaintemperaturefieldtodeterminethe
temperatureeffectofthePCboxgirderbridge.Basedonthe24hours
continuousobservationonthetemperaturefiledandthecorresponding
effectsoftheBaishuiBridgeduringandafteritsconstruction,asimplified
temperaturegradientspatternisputforward,theeffectoftemperature
differenceonthePCcontinuousrigidframebridgeisthoroughlyanalyzed
onthebaseofthetemperaturegradient,andthecalculatingresultsagree
wellwithmeasuredones,whichdemonstratethetemperaturegradient
0modelpresentedhereisfeasible.
WhenBaishuiBridgeisclosedjoinathighairtemperature,theinternal
forcesinthestructurecausedbythehighertemperaturedifferenceare
analyzed,andareasonablemeasurementhasbeenputforwardtoensurethe
bridgeclosedsuccessfullyinthehigherairtemperature.
Keywords:
PCcontinuousrigidframebridge;
Constructioncontrol;
Grey
predictivecontrolsystem;
Temperatureeffect土箱梁桥的温度应力进行了深入的研究，取得了一系列重要成果。
刘兴
法在文献〔29」中，系统论述了预应力混凝土箱梁桥的温度分布与温度应
力问题，建立了预应力混凝土箱梁桥的控制温度荷载及相应的温度应力
计算方法。
他将箱梁桥温度场简化为二维温度场，按竖向和横向的一维
温度场计算再进行简单的叠加来计算温度应力，同时考虑了横向温度荷
载。
该成果已被纳入铁路桥涵设计规范中〔12]。
刘兴法在文献[[30〕中系统
论述了混凝土工程结构在自然环境中温度变化作用下的计算理论与方
法，对混凝土结构日照温度荷载、骤然降温荷载及相应的温度应力均进
行了分析。
近年来，国内的学者在箱形梁的温度效应问题做了一系列的
工作[31]（32][33][34][35][36][371，并取得了相当的成果，也积累了许多宝贵
的经验。
但是，温度场的合理确定是温度应力计算的关键，而按不同的
温度梯度模式对同一结构计算，温度应力相差很大，有时甚至出现反号
的情况[381139][401。
并且在我国公路桥梁设计规范中只给出了T形截面梁
的日照温差分布图式，而对于不同的桥型，温度效应分析也应有所区别。
因此不能笼统套用同一温度梯度模式，并且，实验和理论分析已证明:
按公路桥梁设计规范进行温度应力计算是偏于不安全的。
因此，对于箱
形桥梁的温度场和温度效应问题还有必要作进一步的深入研究。
.3本文研究的主要内容
本文以湖南白水湘江大桥为背景，针对目前大跨径连续刚构桥悬壁
施工的实际情况，以确保施工中及成桥后结构线形与理想施工状态线形
尽可能一致，结构挠度、内力均在容许范围之内为目的，运用灰色系统
理论和现代预测控制理论，对连续刚构桥的施工控制系统进行了较为系
统的研究。
并对连续刚构桥的日照温差效应、合拢温度进行了一些有益
的探讨。
本文研究工作主要包括:
（1）基于灰色系统理论和现代预测控制理论，结合大跨径预应力混
凝土连续刚构桥的施工特点，提出了预应力混凝土连续刚构桥施工的灰
色预测控制系统，并在白水湘江大桥施工控制过程中验证了其有效性与
实用性，保证了白水湘江大桥施工控制的顺利进行。
（2）结合施工进程，对在不同施工阶段箱梁的温度场进行了实测，
根据温度场实测结果，对连续刚构桥的温度效应进行了详细的分析，并对采用不同的温度梯度模式的温度应力进行了比较。
（3）对连续刚构桥的合拢温度进行了分析，对如何合理确定合拢温
度以及高温条件下合拢应采取的措施进行了探讨。
第二章连续刚构桥施工的灰色预测控制系统
2.1概述
2.1.1预应力混凝土连续刚构桥的施工特点
大跨径预应力混凝土连续刚构桥一般均采用悬臂施工法施工。
;
悬臂
施工法是利用己建成的桥墩沿桥跨方向对称施工，其施工的必要条件是:
施工中墩与梁固结，施工过程中桥墩需承受不对称弯矩。
悬臂施工时随
梁段增长，梁内出现的负弯矩不断增大，对梁上缘需逐段施加预应力，
使其与完成的梁段形成整体。
它一般是由两个以上相邻的桥墩同时向两
侧分段进行，水平推进，直到跨中合拢。
其总体施工特点为:
桥下无需
搭设支架，对深水、大跨、通航、峡谷、高墩的条件下是最优的方案;
工艺简单，施工设备少;
能节省施工费用，降低工程造价等。
悬臂施工法通常分为悬臂浇筑和悬臂拼装两类。
由于悬臂浇筑法实
用性强，对运输、起吊设备要求低，接缝全部为湿接头因而结构的整体
性更好，因而在,a内一般采用悬臂浇筑法施工。
当采用悬臂浇筑法施工
时，挂篮是主要的施工设备。
其施工程序大致可分为以下几个步骤:
（1）在桥墩处搭设临时支架，在支架上现浇少数梁段做为拼装挂篮
的场所。
（2）拼装挂篮
（3）立模、安装模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土、养护、张拉预应力
钢筋。
（4）移动挂篮。
（5）每一节段重复第（（3）、（4）步直至合拢。
（6）张拉后期预应力筋束。
2.1.2施工控制的目的和内容
桥梁施工控制的目的就是确保施工过程中结构的可靠性，保证桥梁
成桥状态的线形以及受力情况符合设计要求。
大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工控制包括两个方面的内容:
变
形控制和内力控制。
变形控制就是严格控制每一节段箱梁的竖向挠度及其横向偏移，若有偏差并且偏差较大时，就必须进行误差分析并确定调
整方法，为下一节段更为精确的施工作好准备工作。
内力控制则是通过
对影响桥梁结构应力状态的主要设计参数实施有效的控制并对预应力筋
的张拉控制应力进行调整，使其与设计状态下的应力偏差控制在允许的
范围内，从而保证结构的安全。
对于分节段悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续刚构桥来说，施工控
制就是根据施工监测所得的结构参数估计值进行施工阶段计算，确定出
每个悬浇节段的理论立模标高，并在施工过程中根据施工监测的成果对
误差进行分析、预测和对下一立模标高进行调整，以此来保证成桥后桥
面线形、合拢段两悬臂端标高的相对偏差不大于规定值以及结构内力状
态符合设计要求。
2.2施工控制计算
大跨径预应力混凝土连续刚构桥通常采用分节段逐步向前推进的施
工方法。
结构的最终形成，必将经历一个漫长而又复杂的施工过程，对
施工过程中每个阶段的受力分析，是桥梁施工控制中最基本的内容。
桥
梁施工控制的目·
的就是确保施工过程中结构的安全，保证桥梁成桥线形
及受力状态符合设计要求。
为了达到施工控制的目的，必须对桥梁施工
过程中每个阶段的受力状态和变形情况进行预测和监控。
因此，必须采
用合理的分析理论和计算方法来确定桥梁结构施工过程中每个阶段在受
力和变形方面的理想状态。
根据这条理想状态的参考轨迹，对施工控制
过程中每个阶段的结构行为（内力和变形状态）进行控制，以使结构在
施工过程中尽可能接近这条参考轨迹，使其最终成桥线形和受力状态满
足设计要求。
施工控制中结构计算方法不仅能对整个施工过程进行描述，
反映整个施工过程结构的受力行为和变形状态，而且还能确定结构各个
阶段的理想状态，为施工控制提供中间目标状态。
对大跨径预应力混凝土连续刚构桥，施工过程的结构分析采用平面
杆系有限元法就可基本满足实际施工控制的需要，对特殊部位的结构内
力和施工控制中温度应力的精确分析有必要对其进行空间有限元分析。
2.2.1施工控制中的结构计算方法
大跨径桥梁结构，尤其是采用悬臂施工的结构，都是一个分阶段施工过程，结构的某些荷载如结构自重、施工荷载、预应力等是在施工中
逐段施加的，每一施工阶段都可能伴随着徐变发生、边界约束增减、预
应力张拉和体系转换等。
前期结构的力学性能与后期结构的施工情况有
着密切的联系。
在施工方案确定后，如何分析各施工阶段及成桥结构的
受力变形状态是施工控制的首要任务。
为了计算出桥梁结构在成桥后的
受力状态，只有根据实际结构的配筋情况和既定施工方案逐个阶段地进
行计算，最终刁’能得到成桥结构的受力状态和变形情况。
现阶段桥梁结构施工控制的计算方法主要包括:
前进分析法、倒退
分析法。
现对前进分析法和倒退分析法分述如下:
（l）前进分析法
所谓前进分析法是根据连续刚构桥悬臂施工的顺序，依次计算各施
工阶段结构的内力和位移。
前进分析法的特点是:
随着施工阶段的推进，
结构形式、边界约束、荷载形式在不断的改变。
前期结构内将发生徐变，
其几何位置也在改变，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。
前进分析法能够较好地模拟桥梁结构的实际施工历程。
对于悬臂浇
筑施工的预应力混凝土连续刚构桥，其前进分析计算可按如下步骤进行:
①确定桥梁结构的原始状态，主要包括:
中跨、边跨（次边跨）的
大小、桥面线形、桥墩的高度、横截面信息、约束信息、预应力索信息、
施工时荷载信息、二期恒载信息、体系转换信息等。
这些信息可以通过
阅读施工设计图和施工组织设计获得。
②基础、桥墩和0号块浇筑的完成:
计算己浇筑部分在自重和外加
荷载作用下的变形和内力。
③在每一桥墩上对称地依次悬臂浇筑各个块件，直到悬臂浇筑完
成、挂篮拆除。
计算每一次悬臂浇筑混凝土时结构的变形和内力，每一
阶段计算均依照上一阶段结束时结构变形后的几何形状为基础。
④进行边跨合拢（次边跨合拢）、中跨合拢，计算这几个主要阶段
结构的内力和变形。
⑤桥面铺装:
计算二期恒载作用下结构的内力和变形。
通过以上分析，可以看出前进分析法具有以下几个特点:
①桥梁结构在作前进分析之前，必须先制定详细的施工方案，只有
按照施工方案中确定的施工加载顺序进行结构分析，才能得到结构的各个中间阶段或最终成桥阶段的实际变形和受力状态。
②在结构分析之初，先要确定结构最初的的实际状态，即以符合
设计的实际施工结果倒退到施工的第一阶段作为结构前进分析计算的初
始状态。
③本阶段的结构分析必须以前一阶段的计算结果为基础，前一阶
段的结构位移是本阶段确定结构轴线的基础。
④对于混凝土徐变、收缩等时差效应在各个施工阶段中逐步计人。
前进分析不仅可以为成桥结构提供较为精确的结果，还为结构强
度、刚度验算提供依据，而且可以为施工阶段理想状态的确定，为完成
桥梁结构施工控制奠定基础。
（2）倒退分析法
前进分析法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，最终结构线形不可能完全满足设计
线形要求。
对于分段施工的预应力混凝土连续刚构桥，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。
而预拱
度的确定必须知道结构施工的理想状态，即为使桥梁成桥状态线形和受
力满足设计要求，而在施工各阶段结构应有的位置和受力状态。
倒退分
析法利用结构的倒拆能很好的解决这一问题。
它的基本思想是，假设t=to
时刻内力分布满足前进分析t。
时刻的结果，轴线满足设计线形要求。
在
此初始状态下，按照前进分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次拆
除一个施工阶段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析得到的结构位移、
内力状态便是该阶段结构理想的施工状态。
倒退分析时的初始状态必须
由前进分析来确定，但初始状态中的各杆件的轴线位置可取设计位置。
混凝土的收缩徐变与结构的形成历程有着密切的关系，徐变应变不
仅与混凝土的龄期，而且与作用在混凝土构件上的应力有关。
因而一般
来说，倒退分析无法直接进行混凝土收缩、徐变计算。
倒退分析中的收
缩、徐变计算一般采用间接的办法进行处理。
2.2.2施工控制计算应考虑的因素
（1）施工方案
由于连续刚构桥的恒载内力与施工方法和架设顺序密切相关，在进
行施工控制计算前，必须熟悉施工图纸和施工组织设计，对施工方法和架设程序作一番较为深入的研究，并对主梁架设期间的施工荷载给出一
个较为精确的数值。
（2）计算图式
施工控制计算一般采用平面杆系静力程序计算。
应用杆系结构有限
单元法进行结构分析时，首先要建构一个与真实结构等价的计算模型，
然后将结构模型划分为有限个杆件单元，利用电算程序进行电算分析。
因此，计算模型与实际结构的构造和受力特点的符合程度，是保证计算
分析结果真实性的关键。
对于预应力混凝土连续刚构桥，边界条件、支
座的计算图式的选取应尽量符合实际情况。
如墩与基础的约束、边跨活
动支座、主跨固定支座的处理应尽量与实际情况相一致。
而且在施工过
程中，连续刚构桥需要经过悬臂施工和数次合拢，结构体系不断地发生
变化，因而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。
（3）非线性的影响
对小跨径的连续刚构桥，结构的非线性影响可以忽略，但对于大跨
径桥梁则有必要考虑非线性的影响。
（4）预加应力影响
预加应力直接影响结构的受力与变形，施工控制应在设计要求的基
础上，充分考虑预加应力的实际施加程度。
（S）混凝土收缩、徐变的影响
在桥梁施工过程中，由于混凝土龄期短，其徐变、收缩影响较大，
故在施工控制分析计算时必须计人混凝土收缩、徐变对内力与变形的影
川句。
（6）温度
连续刚构桥对于温度荷载比较敏感，温度对结构的影响也是复杂的。
通常的做法是对年温度变化在计算中予以考虑，这在规范中已有明确的
规定。
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。
（7）施工进度
由于混凝土的收缩、徐变都是时间的函数，实际的施工进度影响到
混凝土收缩、徐变变形的发展程度。
故在施工控制计算时，必须考虑实
际施工进度对结构内力与变形的影响。
设计参数
应力状态
温度变化
几何状态
传感组件或其它方式
信号监视、数据采集、输出
图2-1施工监测系统示意
2.3.3施工监测的内容和方法
（1）结构设计参数的测定
在进行结构设计时，结构设计参数主要是按规范取用，由于设计参
数的取值都有一个安全储备，因此，大多数情况下，采用规范设计参数
计算的结构内力及位移均较实测值大，这对结构是偏于安全的，但对桥
梁施工控制来说却是不容忽视的偏差，因为它将直接影响到成桥后结构
线形及内力是否符合设计要求。
因此，有必要对部分主要设计参数提前
进行测定，以便施工前对部分设计参数进行一次修正，为保证该桥成桥
后满足设计要求奠定基础。
影响结构线形及内力的基本技术参数有很多个，就其对结构行为影
响程度而言，可将技术参数分为两大类:
主要技术参数与次要技术参数。
主要技术参数对结构行为影响大，在施工控制计算中应重点加以考虑，
对于预应力混凝土连续刚构桥需测定的参数如下:
①混凝土弹性模量
②预应力钢绞线弹性模量
③混凝土容重
④混凝土收缩徐变系数
⑤材料热膨胀系数
⑥施工临时荷载
⑦挂篮重量及其变形参数
（2）结构变形监测
主梁结构变形监测主要包括:
①在每一节段施工完成后与下一节段立模前桥面标高的观测;
②混
凝土浇筑前后、预应力张拉前后、挂篮行走前后的挠度观测。
为了尽量
减少日照温差对观测的影响，观测时间一般安排在每天的o:
00-7:
00
时间段。
（3）应力监测
对于大跨径预应力混凝土连续刚构桥，主要测试桥墩和箱梁截面的
应力，一般来说，桥墩上测点布置在墩底、墩顶截面处，主梁上测点布
置在悬臂根部、L/4,L/2等关键截面上。
测试仪器有各种应力计和应变
计。
（4）温度观测
温度是影响主梁挠度的主要因素之一。
温度变化主要包括季节温度
变化和日照温度变化两个部分。
季节温差一般假定整个桥梁结构的温度
变化是均匀的，它对主梁的挠度影响比较简单，通过一般的结构分析程
序即可计算，对于日照温差，则较为复杂，它对箱梁内力与挠度的影响
现在还没有一个统一的计算模式，一般是通过在墩和主梁埋设温度传感
组件，实测获得一个较为符合实际的温度场，再进行平面有限元分析和
空间有限元分析。
2.4施工控制的理论和方法
通过施工阶段的结构模拟分析计算，可以确定桥梁各个施工阶段的
中间理想状态，即施工过程中的参考轨迹。
这种理想状态是我们期望在
施工中实现的目标。
为了使结构的最终状态符合设计要求，在施工过程
中必须使结构尽可能地接近这条参考轨迹。
但是在实际施工中，桥梁的
实际状态与理想状态总是存在着一定的误差。
究其原因，主要是由设计
参数误差、施工误差、测量误差、结构分析模型误差等综合干扰所致。
大跨径预应力混凝土连续刚构桥的悬臂施工是从0号块分节段逐步
向前推进的。
施工控制是一施工、量测、识别、调整的循环过程，其目
的就是在施工过程中，使主梁节段标高尽可能的接近这条理想的参考轨
迹，从而使最终成桥线形符合设计标高。
而实际上，不论是理论分析所
得到的理想状态的参考轨迹，还是在实际施工中都存在误差，所以施工
控制的核心任务就是通过对已完成节段各种主要参数的实测获得的原始
数据，对各种误差进行分析、识别、调整，从而对下一节段
升级会员 