大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术.docx

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大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术

大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术

向木生1张世飙2张开银1沈典栋3沈成武1

1.武汉理工大学交通学院，湖北武汉　430063

2.湖北省汉十高速公路指挥部，湖北十堰　441000

3.湖北省公路局科研所，湖北武汉　430000

 摘　要：

根据有限元理论计算和施工过程中对主梁挠度和线形的测量，使用人工神经网络等控制理论进行高程偏差调整和预测，综合确定主梁施工预拱度。

借助预埋钢弦传感元件，测试主梁混凝土应变，分析测试应变中温度等诸多影响因素，确定实际结构的真实应力，为大跨度预应力混凝土桥梁的安全施工和合理成桥状态提供技术依据。

关键词：

公路桥梁；预应力混凝土；施工控制技术

 0　引　言

桥梁结构设计时，参数的选取（如材料特性、密度、截面特性等）、施工状况的确定（施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度、时间等参数）和结构分析模型等诸多因素的影响，以及混凝土材料的非均匀性和不稳定性，大跨度预应力混凝土连续梁、T型刚构、连续刚构等梁桥施工过程中结构的实际状态与设计状态很难完全吻合。

因此在桥梁施工过程中，必须对施工预拱度、主梁梁体内的应力等进行严格的施工控制。

目前施工控制方法主要有三种：

一是采用纠偏终点控制法；二是应用现代控制理论中的自适应控制法；三是设计时给予主梁标高和内力最大的误差容许值控制法。

1　桥梁结构的理论计算分析

桥梁结构的理论计算通常用有限元素法进行分析，主要是对各节段施工工况下的相应截面的应力、位移进行分析，作为监测和施工控制的依据。

目前桥梁施工控制的结构计算方法主要包括：

正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。

正装计算法能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程，得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，同时，能较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩、徐变等问题。

对于大跨度预应力混凝土桥梁，首先必须进行正装计算。

施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程（倒装计算法）来进行结构行为计算和予以确定。

只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。

无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础，将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来，这种方法特别适用于大跨度拱桥和悬索桥的施工控制。

在进行有限元分析时，根据其结构特点建模。

一般地说，大跨度预应力混凝土梁桥可按空间（平面）梁单元进行分析。

在选用计算分析软件时，应考虑工程应用的方便，选用国内外有相当声誉的正版结构有限元分析软件包（如桥梁博士、ANSYS、COS-MOS、SUPSAP、GQJS等）进行计算与分析，这些软件有很好的前后处理功能。

结构载荷应包括：

混凝土自重、挂篮自重及钢筋、人员和设备的重量，挂篮移动各施工阶段的施工荷载，同时考虑二期恒载的重力；预应力索张拉力；温度荷载、风荷载及与结构的形成过程中有关的荷载，如混凝土的收缩徐变等。

这些荷载能引起结构的附加变形和应力。

一般而言，以正装计算结果作为应力监测的依据，以倒装计算结果作为预拱度控制的依据。

2　主梁线形测量

2.1　墩顶测量和基准点的设立

利用大桥两岸大地控制网点，使用后方交汇法，用全站仪测出墩顶测点的三维坐标，将墩顶标高值作为主梁高程的水准基点。

每一墩顶布置一个水平基准点和一个轴线基准点，做好明显的红色标识，每月至少进行一次联测。

2.2　主梁挠度、轴线和主梁顶面高程的测量

在每一节段悬臂端梁顶设立2～4个标高观测点和一个轴线点。

测点用短钢筋或钢板预埋，并用红色油漆标明编号。

标高用水准仪进行测量，根据各节段施工次序，每一节段按三种工况（即浇筑混凝土后、张拉后和挂篮前移后）对主梁挠度进行平行独立测量，相互校核。

轴线使用全站仪和钢尺等进行测量，采用测小角法或视准法直接测量其前端偏位。

视准时，将轴线后视点引至过渡墩，用远点控制近距离点。

在主梁顶面混凝土高程测量过程中，同一截面测2～4点，根据其横坡取其平均值，这样可得到主梁顶面的高程值。

同时，在不同工况下，由观察得到的主梁挠度（反拱）变化值，与给定立模标高（含预拱度）立模的高程值，也可得到主梁顶面的高程值，两者比较后，可检验施工质量。

2.3　主梁立模标高的测量

一般地说，底板底模板选三个特征位置，顶板底模板选六个特征位置较适宜，如图1所示。

用精密水准仪测量立模标高，立模标高的测量应避开温差较大的时段。

施工单位立模到位，测量完毕后，监理单位对施工各节段的立模标高进行复测，监控单位不定期进行抽测。

图1主梁截面立模标高测点

2.4　同跨两边对称截面相对高差的直接测量和多跨线形的通测

当两边施工节段相同时，对称截面的相对高差可直接进行测量和分析比较。

当施工节段不同时，对称节段的相对高差不满足可比性，此时，可选择较慢的一边最末端截面和较快的一边已施工的对应截面作为相对高差的测量对象。

在测量过程中，同一对称截面可测多点，根据其横坡取其平均值，可得到对称截面的对应点的相对高差。

除保证各跨线形在控制范围内外，主梁全程线形应定期或不定期进行通测，确保全桥线形的协调性。

2.5　结构几何形状测量

结构几何形状的测量主要包括：

主梁上下表面的宽度、腹板厚度、上盖板和下底板的厚度、主梁截面高度以及主梁施工节段的长度等。

监控单位采用抽查的方式，不定期地进行测量。

3　线形控制原理与技术

3.1　预拱度控制

主梁悬浇段的各节段立模标高可按下式确定[1]

Hi=H0+fi+（-fi预）+f篮+fx

（1）

式中：

Hi为待浇筑段主梁底板前端底模标高；H0为该点设计标高；fi为本施工段及以后浇筑的各段对该点的影响值；fi预为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值；f篮为挂篮弹性变形对该施工段的影响值；fx为由徐变、收缩、温度、结构体系转换、二期恒载、活载等影响值。

上述各参数在有限元倒向分析基础上，根据实测信息，对计算预拱度进行调整和预测，确定最佳预拱度。

传统的误差调整方法主要有卡尔曼（KALMAN）滤波法、灰色系统、最小二乘法等[2]。

这些方法在桥梁施工控制应用中取得了一些成效。

近年来，人工神经网络、遗传算法等智能型方法，在国外得到了大力发展和应用，国内亦在逐步推广之中。

运用这种方法于主梁预拱度预测中，既克服了灰色理论GM（1，N）输入参数单一的缺点，又改进了卡尔曼（KALMAN）滤波法中仅能考虑输入与输出的线性关系的不足，建立了输入与输出之间的多参数、非线性的映射关系。

图2　3层BP网络

人工神经网络由于有连续函数表现定理，选用图2所示的3层网络，输入层和输出层有与网络输入变量Il（l=1，2，…，L）及输出变量On（n=1，…，N）相应的L和N个神经元，而隐层取M（M=2L+1）个神经元。

神经元的传递函数F通常选用SIGMOID函数[3，4]，即

F（x）=1/（1+e-x）

（2）

网络输出On的值域为（0，1），故需对样本的期望输出

作归一化处理。

通过一定数量样本的网络训练（自学习）过程，实际是确定最适宜的权系数w1lm和w2mn，使其输出On与期望输出

的2次残差E达到

（3）

选择合理的权系数w1lm和w2mn的最优化过程由BP算法完成，而且在

（4）

得到满足时，网络自学习终止。

采用神经网络方法，对实际发生的桥面标高偏差进行预测时，可取影响标高偏差的因素（即神经网络的输入变量）为：

时间；混凝土弹性模量；测量温度T（℃）；张拉截面、讨论截面的主梁高度（m）；及其两截面至“T”构中心的距离（m）；理论计算的张拉后标高变化值W（m），共计8个参数。

样本的期望输出自然取标高偏差ΔW（m）。

即BP网络的输入层神经元数L=8，而输出层N=1。

由于样本的期望输出为测量标高，实际值难免包含某些随机因素和误差，神经网络具备有对这类样本的鉴别能力，因此具有鲁棒性。

网络的输出并非要求严格地等于各样本的期望输出，而是通过网络学习，寻求对全部样本数据均有较好响应的非线性映射关系。

3.2　预拱度指令

预拱度是主梁线形控制的主要参数，也是决定主跨和边跨能否顺利合拢，应力分布是否合理的关键。

施工预拱度指令，一般由监测监控单位拿出方案，经设代组计算审核后，桥梁专业监理工程师签字才能组织施工。

施工预拱度指令除保证其合理性、科学性外，下达时间应保证施工的连续性和及时性。

4　主梁结构应变测量与应力分析

4.1　控制截面选择

对于连续梁、T型和连续刚构梁桥，主梁在悬浇施工中各截面的应力随工况的不同，同一截面上下表面的应力也不断变化。

主梁在悬浇过程中可按静定结构考虑控制截面，悬浇完成后结构体系转换，此时应按超静定结构考虑控制截面，再加上二期恒载的影响，控制截面可选在0#块根部、L/8、L/4、3L/8、L/2、合拢段等处。

在这些截面内布置传感元件，进行应力测试和施工控制。

在每一截面内，随截面形状的不同，布置传感元件的数量和位置也不同。

如某大桥主梁为箱型截面，传感元件的布置可按图3所示进行（“⊕”表示传感元件）。

图3　主梁双室、单室截面传感器布置

4.2　布点时间

在主梁钢筋布置基本就绪、混凝土浇筑之前，在控制断面预埋传感元件，并做好相应的防护工作。

对于预应力混凝土梁桥，主要是测试和控制桥梁结构纵向应力。

因此，布点时，传感元件沿纵向（桥的里程或桩号方向）布置，用铁丝捆扎在主梁纵向钢筋的上（下）缘。

4.3　传感元件测试原理及其应变测量

混凝土应力测试传感元件类型较多，目前通常使用钢弦应变计，其测试效果较好。

钢弦传感器应变与频率间的关系通常是以标定表和折线图的形式给出的，用二次曲线或三次曲线进行最小二乘拟合，便能得到较好数学表达式。

如型号为JXH-2、规格为30MPa的混凝土钢弦应变计，应变与频率间的关系为

　　∈g=a+bf+cf2或∈g=a+bf+cf2+df3（5）

式中：

∈g为钢弦的应变（μ∈）；f为钢弦的自振频率（Hz）；a、b、c、d为待定系数。

钢弦传感器埋入混凝土内后，在轴向受力后形变，其自振频率发生变化，在电脉冲激励下作微幅振动，钢弦的两支点间的弦长与混凝土变形协调，即：

∈g=∈c，混凝土结构的应力为

σc=Ec∈c（6）

式中：

σc为混凝土结构的应力；Ec为混凝土的弹性模量；∈c为混凝土的应变。

将测得的频率值代入式（5），便可得到钢弦和混凝土的应变值，再由式（6）得到了混凝土结构的应力值。

主梁悬浇施工过程中，应变的读数频度按各工序（混凝土浇筑前后；预应力索张拉前后；挂篮前移以及温度变化等情况）进行应变等跟踪测量。

5　测试应力的影响因素

在时刻τ承受单轴向、不变应力为σ（τ）的混凝土构件，在时刻t测量总应变∈（t）可分解为[1]

∈（t）=∈i（τ）+∈c（t）+∈s（t）+∈T（t）+∈m（7）

式中：

∈i（τ）为加载时初应变；∈c（t）为时刻t>τ时的徐变应变；∈s（t）为收缩应变；∈T（t）为温度应变；∈m为测量系统应变误差。

由于测试应变中含有非混凝土应变的分量，在计算混凝土的应力时必须予以铲除或进行应力修正。

这些因素主要表现在初值设定、漂移、徐变、温度等方面。

5.1　钢弦元件初值设定时机

钢弦应变计埋设后，在混凝土泵送过程中，将承受各类影响读数的非混凝土应力的因素，为此需在混凝土初凝时刻设定应力初值。

而初读数的时机把握是相当困难的。

如果该时机把握不好，混凝土未承载时钢弦已反应出的应力就不能及时排除，主梁测试应力将小于（大于）实际结构真实应力。

5.2　温度影响

温度变化时，若预应力混凝土主梁无约束自由伸展，则埋入其中的钢弦应变计也会随同变形。

由于温度的影响，钢弦丝的应变和自振频率均将发生改变。

由∈g=4ρL2f2/Eg知，温度引起的应变增量为

（8）

一般情况下

，则有

（9）

 因此，混凝土主梁结构的实际应变为

（10）

然后再由式（6）确定混凝土结构的应力。

事实上，日照下混凝土主梁上表面近20cm范围内的温度梯度很大，温度分布极不均匀，而其它部位的温度分布趋于均衡。

主梁顶面温度升高时，应沿纵向膨胀，但受到腹板及底板的约束而不能自由延伸，而结构的最终变形与混凝土主梁内的温度分布密切相关。

一般来说，主梁顶板相对腹板及底板的抗拉刚度来说要小得多，整个悬臂主梁的下挠变形并不太大，主梁上缘应力增大，下缘应力减小或基本不变。

钢弦受主梁的约束而弦丝在温度作用下的应变发生了改变，约减少αgΔt（其中αg为弦丝的热膨胀系数，Δt为温升），有

（11）

此时，主梁顶板处的钢弦应变计附加了由混凝土主梁产生的温度应变，而主梁上缘的实际应变修正为

（12）

若以主梁结构施工9个月工期考虑，蠕变使得测试应变累计偏小约12.0μ∈；而温漂视环境温度升高还是降低相应修正（加或减）测试应变约3.0μ∈/10℃。

5.3　应变滞后性

测试数据表明，预应力混凝土的应变具有滞后性。

预应力索张拉完后，由于种种因素的影响，应变在主梁各截面的传播速度随施工节段的不同而各异。

当预应力索较短、管道较畅通时，应变的滞后性不明显。

当预应力索较长、管道不太畅通时，各截面应变的滞后性与张拉端的位置有关；靠近张拉端的截面与索较短时的情况比较接近；远离张拉端的截面，应变的滞后性十分明显。

5.4　混凝土干缩、徐变的影响和剪滞效应

无论在多低的应力状态下，混凝土也会产生徐变。

在恒定应力和被测点与周围介质湿度、温度平衡条件下，随时间增加的应变称为基本徐变。

如果在被测结构干燥过程的同时，施加了载荷，通常认为徐变和干缩是可以叠加的。

边干燥边承受载荷测得的徐变大于基本徐变的代数和。

总之，对于混凝土应变的长期测量而言，要获取准确的机械应变，消除徐变干缩的影响是必不可少的。

在竖向载荷作用下，主梁应力存在剪滞效应。

由于翼板存在剪切变形，弯曲应力在截面横向是不均匀的，这种效应随上下缘翼板的宽度而变化，翼板愈宽，梁高愈低，剪滞效应就愈突出。

5.5　其它因素的影响

混凝土的弹性模量随其“龄期”变化，且逐步达到其设计值，如果不能准确测量钢筋混凝土实际弹性模量，主梁实际结构的弹性模量与按规范取值存在一些差别。

此外，钢弦的质量（即元件的稳定性、重复性）对测量数据有影响。

排除这些影响因素，测试的结果才具有可靠性。

6　结　语

（1）通过监测与施工控制，施工工艺参数更具合理性，为合理成桥状态提供技术依据。

（2）有限元理论计算和施工线形测量相结合，使用人工神经网络等控制理论进行高程偏差调整和预测，能得到合理的施工预拱度，使桥梁的线形控制在或接近设计线形。

（3）借助现代测试技术，对实际结构进行测试，分析测试应变中温度等诸多影响因素，能掌握实际结构的真实应力，通过结构应力分析，发现可能出现裂纹的部位，对那些应力不足或危险截面采取补救措施，防患于未然。

（4）收集施工和成桥试验全过程的信息，为桥梁结构理论、桥梁科学研究和发展奠定基础。

参考文献：

[1]　李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京：

人民交通出版社，2000.38—40.

[2]　徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京：

人民交通出版社，2000.69—125.

[3]　KITAHARAM,ACHENBACHJD,GUOQC.Neuralnetworkforcrack-dapthdeterminationfromultrasonicbackscatteringdata[J].ReviewofProgressinQuantitativeNondestructiveEvaluation,1992,11（6）：

701—708.

[4]　阎平凡，张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京：

清华大学出版社，2000.17—32.

 （摘自：

《中国公路学报》2002年10月