淮萧铁路预应力混凝土连续续梁桥线性监控.docx
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淮萧铁路预应力混凝土连续续梁桥线性监控
本科毕业设计（论文）
GRADUATIONDESIGN（THESIS）
论文题目：
淮萧铁路（48+80+48）m预应力
混凝土连续续梁桥线性监控
本科生姓名：
李发全学号：
201202237
指导教师姓名：
陈权职称：
副教授
申请学位等级：
学士学位专业：
土木工程桥梁
论文提交日期：
（小四号楷体加黑）论文答辩日期：
（小四号楷体加黑）
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年月日签字日期：
年月日
本科毕业设计论文
兰州交通大学本科毕业设计（论文）格式规范
FormatCriterionofUndergraduateGraduationDesign（Thesis）ofLZJTU
姓名：
李发全
学号：
201202237
学院：
土木工程学院
专业班级：
土木1205班
指导教师：
陈权
完成日期：
兰州交通大学
LanzhouJiaotongUniversity
摘要
近年来预应力混凝土连续梁桥发展迅速，在城市和公路桥梁中广泛采用。
其施工难度大，过程复杂。
对此大跨度桥梁采用线性监控是确保成桥状态符合设计要求的重要措施，同时也是保证施工质量和施工安全的重要措施。
因此有必要对大跨径桥梁施工控制技术进行更进一步的深入研究。
本人借鉴前人工作的基础上，结合跨郑徐连续梁桥的线性监控的过程，对大跨径预应力混凝土连续梁桥的施工监控方法、关键技术等进行了研究。
本文研究的内容主要有如下几个：
（1）、对预应力混凝土连续梁桥施工监控的内容、方法及特点、现状等进行了称述。
（2）、分析了连续梁桥施工控制过程中的误差调整方法及影响因素。
（3）、为了对施工中桥梁的实际状态进行跟踪观测，从而建立了一个完整的施工监控系统。
运用有限元软件MIDAS/civil，对大跨度梁桥的整个施工过程进行了数值模拟分析。
同时对主要结构设计参数进行了分析，确定主要对结构的影响参数，以及进行了调整。
（4）、确定连续梁桥悬臂施工过程中的挠度观测的方法及测量方案;确定了连续梁桥悬臂施工过程中各控制截面的各控制点的应力观测的方法及测量方案。
将箱梁混凝土在各个施工阶段的挠度变形值和箱梁顶底板的应力的实测值与MIDAS/civil数值模拟分析中得到的的理论值进行了对比，结果表明实测值与理论值吻合良好。
关键词:
大跨度桥梁；施工控制；仿真分析；参数识别
Abstract
Recentyears,prestressedconcretecontinuousbeambridgesdevelopquickly.Itiswidelyusedinthecityandrodebridgebuilding.Itsconstructionismoredifficult,andprocessmorecomplicated.Thebridgeconstructioncontrolisanessentialmeasureandsteptoensurethatthequalityandsafetyareobtainedduringbridgeconstruction,alsotoensurethatthefinalstructuralstateisinagreementwithwhatthedesignerrequires.Anditisnecessarytodomoreresearchontheconstructioncontroltechnologiesforthelong-spanprestressingconcretebridges,thisarticlehasconductedtheresearchtothemethodsandkeytechnologyofconstructioncontroloflong-spanprestressedconcretecontinuousbridge.Themaincontentsareasfollows:
（1）.Thecontent,method,characteristicandpresentresearchsituationofpre-stressedconcretecantileverbridgehavebeenanalyzed,anddifferentstructuralanalysismethodshavebeencomparedincourseofconstructioncontrol.
（2）.Analysisofcontinuousbeamcontrolfactorsanderroradjustmentmethod.（3）.Establishedacompletemonitoringsystem,theconstructionofabridgeontheactualstatusoffollow-upobservations.UsingfiniteelementsoftwareMIDAS/civil,simulatedandanalyzedontheBridgethroughoutofmethodondeflectionexaminationandfulfillmentmeasuresinthecourseofcantileverconstruction；definitionofmethodonstressexaminationineverycontrolsectionandfulfillmentmeasuresinthecourseofcantileverconstruction.ComparedtheactualvalueofthebeamdeflectionduringtheconstructionoftheroofandfloorboxgirderdeformationandstressmeasuredvaluetotheMIDAS/civilcomputationtheoryvalueoftheboxbeamsconcretestress,finallyindicatesthattheactualvalueandthetheoryvalueidenticalwell.
Keywords:
Long-spanprestressedbridge,Constructioncontrol,Simulationparameteranalysis,Identification
1绪论
1.1研究的背景和意义
预应力混凝土连续梁桥现在越来越成为普遍采用的一种桥型。
在城市高架桥的建设中，大部分都是采用这种桥型。
其施工方法，由满堂支架法浇筑，发张到挂篮悬臂浇筑，推顶法施工等后，适用范围更广。
我国是从20世纪60年代中期，将悬臂施工方法，从刚桥引入到预应力混凝土桥梁施工，打破了建造预应力混凝土桥梁只能采用预制装配和在支架上现浇施工的单一局面，使预应力混凝土桥梁结构的设计与施工得以全面发展，出现了预应力混凝土T型悬臂桥梁，连续梁桥，连续钢构桥，桁架拱桥和斜拉桥等各种新结构。
从而使预应力混凝土桥梁成为我国桥梁工程的主要类型，并且在100-500,m范围内的大跨桥的建设中，打破了刚桥一统天下的局面，在竞标及经济利益比较下，预应力混凝土大跨度桥梁使用悬臂施工方法的方案，往往优于钢桥方案。
自从1824年水泥研制生产以后，混凝土材料已经广泛运用于土木结构工程中。
混凝土桥梁和钢筋混凝土桥梁都相继在国际上建成。
国外从20世纪40年代末开始又将悬臂施工方法用于建造预应力混凝土桥梁，其中拱桥当属南斯拉夫的克拉克桥，最大跨径为390m。
到1928年，Freyssinet已用悬臂施工方法建造了主跨为185m的钢筋混凝土大跨径拱桥，1930年又由E.Baumgart用悬臂施工法建造了68m主跨的钢筋混凝土大跨径桥梁，但是由于钢筋混凝土结构容易开裂的材料特性，使其在悬臂施工中造成钢筋浪费，后来较少采用。
我国第一座预应力混凝土桥梁采用悬臂施工的方法是在20世纪60年代中期建造的第一座T型钢构桥。
70年代以后修建了几十座大中跨径的预应力混凝土T型钢构桥，如1971年建成的福建乌龙江公路大桥，主跨径为3×144m；1980年建成的重庆长江公路大桥，该桥共8孔，总长为1000m，最大跨径为174m。
随后使用悬臂施工法还建造了预应力混凝土连续梁桥，连续钢构桥，桁架拱桥，斜拉桥等。
在经过长时间对预应力混凝土梁桥的研究，我们的专家同样也对桥梁施工监控技术有了深刻的了解。
分阶段悬臂浇筑方法是目前国内外预应力混凝土连续梁桥的主要施工方法，当桥梁下部结构施工完成后，在主墩的顶部进行浇筑箱梁的0号块，逐段进行立模浇筑混凝土各个施工节段，张拉预应力钢绞线，直到全桥合拢。
由于在桥梁施工过程中各个阶段结构的内力和变形都与设计值相不吻合，这是由于在施工过程中还要受到荷载、混凝土收缩、徐变、预应力损失、温度及施工误差的影响。
所以在施工过程中要不断的进行跟踪监测。
分析实际状况与设计状况的关系，对施工控制过程及有关控制参数进行调整和监控。
这样才能保证桥梁成桥之后结构的线形和受力与设计状态相符合。
因此在施工过程中对桥梁进行施工监控，提供施工方准确的控制数据对桥梁的施工质量有着中大的意义。
1.2国内外研究现状
国外早在20世纪50年代初就已经展开了桥梁施工监控技术的探索。
美国的P-K桥、加拿大的安纳西斯桥在修建时，同样都采用了施工监控技术。
最早把工程控制理论引入到桥梁管理中的是日本。
20世纪80年代初，在日夜野预应力混凝土连续梁桥修建时建立了施工控制的观测系统。
到80年代后期，日本建立了施工控制的自动监控系统，利用计算机网络传输技术自动对拉索应力调整。
此后，日本有研制一个斜拉桥施工双控系统。
次系统可以在现场完成自动测试、分析和控制的全过程，并可以进行设计值敏感分析和实际结构行为预测。
我国在20世纪八九十年代才开始施工监控技术的研究。
20世纪80年代起，桥梁施工监控技术逐渐成为我国桥梁工程界的新兴研究动向，至90年代中后期，我国桥梁工作者经历了大量理论研究与实践，对涉及包括悬索桥、斜拉桥及连续钢构桥在内的大跨度桥梁的施工控制问题。
我国采用悬臂法建造预应力混凝土桥梁，始于20世纪60年代成昆铁路悬臂拼装法施工的旧何庄河1号桥和悬臂灌注法施工的孙水河5号桥，两座预应力混凝土铰接悬臂梁桥，30年代来悬臂法在我国得到了广泛的应用，对推动大跨度混凝土梁的发展起到很大的作用。
钢筋混凝土拱桥采用悬臂法施工建造，大大提高了他与其他桥型的竞争能力。
1974年日本首先采用悬臂灌注法，修建了170m的外津桥。
1980年前南斯拉夫采用悬臂拼装法，建成当时世界上最大的跨度为390m的KRK大桥。
二十世纪八十年代以来，我国在南方采用悬臂拼装法，修建了多座大跨度悬臂拱桥。
斜拉桥梁体尺寸较小，有拉索支持，塔索还可用来设置辅助拉索，因为悬臂施工法是混凝土灌注施工的，在施工技术、施工监控方面，积累了丰富的经验。
虽然施工控制的应用最先起于斜拉桥，但今年来，预应力施工技术的进步使混凝土桥梁向着大跨度方向发展，也使施工控制技术在大跨度预应力混凝土桥梁中的应用上引起了桥梁专家的重视。
1.3论文的主要研究内容
本文从淮北到萧县北连续梁桥的施工监控内容主要包括两个方面：
箱梁的变形和内力控制，变形控制就是控制每一施工阶段梁体的竖向挠度，若有偏差并且偏差较大时，就必须立即进行误差分析并确定调整方法，为下一阶段更为精确的施工做好准备工作；内力控制则是控制主梁在施工过程中以及成桥后的应力，尤其是合拢时间的控制，要使在合拢时候更为安全的进行施工或在施工过程中造成主梁的破坏。
对于分析悬臂浇筑施工的预应力混凝土梁结构来说，施工控制就是根据施工监测过程中得到的结构实际参数进行施工阶段计算，确定出每个悬臂浇筑阶段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测得到的成果与有限元分析所得到的的设计值进行误差分析、预测和对下一阶段立模标高的调整，以此来保证成桥后的桥面线形、保证合拢段悬臂合拢精度的大小。
对该桥进行施工控制的目的就是确保施工过程中结构的线形和内力符合要求，及可靠又安全。
主要控制内容：
箱梁线形、受力。
2连续梁桥施工控制的基本理论和方法
2.1施工监控的内容
衡量一座桥的质量标准就是看保证已城桥的线形以及受力状态是否符合设计要求。
如何实现这一要求就需要通过桥梁施工监控来控制，桥梁施工控制的具体内容包括：
结构线性控制、结构稳定性控制、应力控制、安全控制四个方面
2.1.1结构线性控制
对于大跨度预应力混凝土连续梁桥而言，桥梁结构尺寸的控制是施工控制的基本要求。
由于施工阶段要受结构自重、预加应力、环境温度、湿度、混凝土的收缩徐变、施工临时荷载等多种因素的影响，结构在施工过程中均要产生变形，加之施工过程中各种误差的积累，因此任何一个结构不可能达到设计尺寸准确无误的吻合，因此我们对结构进行线性控制才能保证桥梁的标高和平面位置能符合设计要求。
桥梁线形控制是施工的核心内容，在施工过程中准确的设定梁段的立模标高是保证线形合理重要标志。
线形控制不仅要控制桥梁的标高，还要控制桥梁轴线在平面内的走向。
即需要进行平面线形和竖向线形的双向控制，竖向线形控制即就是严格的控制每一阶段梁的竖向挠度，若有偏差就必须立即进行误差分析并确定调整方法，竖向线形不仅关乎于桥梁成桥后的外观美，同时是桥梁是否能顺利合拢的关键。
竖向线形如果控制不好，合拢段梁段标高相差超过规定容许误差，就会造成合拢困难。
并且强行合拢还会使得桥梁内部内力产生应力重分布，造成安全隐患。
在施工过程中误差是难免的的，但要尽量减少结构尺寸与设计尺寸的偏差并将其降低到允许的程度。
悬臂浇筑混凝土梁允许偏差见表2.1。
表2.1悬臂浇筑混凝土梁允许偏差
项目
允许偏差（mm）
悬臂浇筑段
悬臂梁段高程
+15
-5
合龙前两悬臂端相对高差
合龙段长的1/100，且不大于15
梁段轴线偏差
15
梁段顶面高程差
±10
合龙段
轴线偏位
L≤100m
10
L＞100m
L/10000
顶面高程
L≤100m
±20
L＞100m
L/5000
相邻节段高差
10
断面尺寸
高度
+5
-10
顶宽
±30
顶底腹板厚
+10
0
同跨对称点高程差
L≤100m
20
L＞100m
L/5000
2.1.2结构的稳定性控制
桥梁施工过程中存在多种影响因素与不确定的外力作用，从而使桥梁的整体稳定性与局部稳定性发生变化，对此要求浇筑过程中一定按照操作规定进行确保人员的安全结构的受力合理。
施工过程中应各尽其责，避免施工差错，及时解除安全隐患。
世界上有不少桥梁因失稳而丧失承载能力，或在施工过程中发生坍塌等。
关于结构的稳定性目前已经引起了人们的重视。
目前主要通过稳定分析计算，并结合结构应力、变形情况来综合评定控制其稳定性。
2.1.3应力控制
为保证结构构件的安全，桥梁在施工过程中以及成桥后的应力状态应满足设计的要求，这是施工控制的一个重要的内容。
因为结构的应力状态随着施工的进行各个阶段的应力由于各种因素的影响都会发生变化。
若控制不当，结构将趋于不安全会发生严重事故，结构应力监控的内容包括：
自重下的应力、施工荷载下的应力、结构施加预应力、斜拉桥拉索张力、悬索桥主缆及吊杆拉力、拱桥吊杆拉力、温度应力、其他应力。
2.1.4安全控制
安全控制是保证桥梁安全施工和运营的重要内容，保证了桥梁施工过程的安全，桥梁才能顺利建成。
而桥梁安全控制实际上是线形控制、应力控制和稳定控制的综合体现。
实际施工控制中，应根据桥梁的结构形式，影响因素等，确定安全控制的重点。
2.2施工控制的方法
桥梁施工中的控制方法很多，但是根据桥梁施工控制的方法随桥梁结构形式、施工特点及具体控制内容不同，方法也不同，可以选择不同的施工控制方法。
目前常用的控制方法有以下几种：
事后控制法、预测控制法、自适应控制法、最大宽容法等。
总的来讲桥梁施工控制的方法分为:
开环控制法、闭环控制法、自适应控制法以及最大宽容法等。
2.2.1开环控制法
开环控制法一般用于小跨径并且结构比较简单的桥梁结构。
这类桥梁按照设计荷载计算出成桥阶段的结构理想状态，并根据各个施工阶段的施工荷载作用进行叠加从而求出预拱度值，施工完成后结构状态基本上能够达到结构理想状态。
开环控制法是单向向前的，不需要根据实际结构状态来改变预拱度值，不需要考虑施工过程中各种因素的影响，即预拱度值在整个桥梁建设中是确定的。
施工完成后应保证大桥的结构安全强度、刚度验算符合规定、线形变为满足要求。
2.2.2闭环控制法
开环控制法是桥梁施工控制的主要方法。
开环控制法以现代控制论为理论基础，针对施工每一阶段索要达到的设计目标状态，全面考虑影响桥梁结构变形的各种因素，对结构的每一个施工阶段（或节段）形成前后的状态进行预测。
其预测方法常见的有卡尔曼滤波法、灰色理论法等。
在施工中，对结构施工状态进行跟踪控制，即对结构标高和内力的实测值与目标值进行对比，对结构的主要参数进行识别，发现与预测目标不符时，即应找出原因，采取措施进行调整，是施工沿着预定状态进行。
由于目标状态与实际状态间不可避免地会有误差存在，某一阶段形成的误差对后续阶段或成桥目标状态的影响，将作为后续桥梁状态的预测及调整。
如此循环渐进，直到施工完成并获得与设计符合的结构状态。
这种方法的关键在于对影响结构变形和内力的主要参数进行识别，并通过对偏差参数的及时调整，是结构实测状态与预测目标良好拟合。
这种方法适用于所有梁桥的施工控制，而对于那些已成结构状态不可调整的桥梁则必须采用此法。
如悬臂施工的预应力混凝土连续梁体系桥，其已建成节段的状态是无法调整的，只能通过后续的施工阶段的预测状态进行改变。
2.2.3自适应控制法
自适应控制法是可以进行预测并且预先调整，也能对参数进行识别。
在悬臂施工过程中，挂篮移动、浇筑混凝土、张拉预应力重复进行的状态下，可能会引起状态误差的参数进行识别的工作，把这种识别结果应运于结构研究，尽量可以使结果误差最小化。
利用最小二乘法和灰色理论的方法进行参数识别和预测，从而达到施工的实际状态趋于现场实际模型模拟。
实时监测和调整存在误差，进行及时的跟踪施工控制。
2.2.4最大宽容法
最大宽容法是在设计时，主梁的高程和内力有一个最大容许值。
这种产生了其他问题，如斜拉锁支座长度问题等，同时这种做法减少了桥梁施工控制的难度，对于跨郑徐连续梁桥的施工中的支架变形控制则主要是通过支架应力，变形进行跟踪监测，得到监测实测值与理论值进行对比，判断是否在安全容许范围内，查找原因进行误差分析，确保施工安全可靠性。
本论文所涉及的研究对象是预应力混凝土连续梁桥，施工工艺为悬臂现浇施工，具有施工阶段重复性很强的特点，因此可以运用自适应控制法对某些参数进行识别及实时调整。
2.3桥梁施工过程模拟分析方法
桥梁施工控制结构模拟分析方法是指理论模型的建立及结构分析方法。
目前施工控制中主要采用的结构计算方法有：
正装分析法、倒装分析法、无应力状态法。
对于分节段悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续梁桥、连续刚构桥，施工控制结构计算的计算方法也采用正装分析法和倒装分析法。
2.3.1正装分析法
对于大跨度径桥梁结构，一般是采用分阶段的施工方法。
随着施工阶段的推进，结构形式、边界条件、荷载形式等在不断的改变，前期结构将发生徐变、预应力张拉和体系转换等，其几何形状也在改变。
因而，前一阶段结构状态将是当前施工阶段结构分析的基础。
正装分析法，也称前进分析法，就是按照桥梁施工阶段的前后顺序，根据实际结构的状态和施工方案的设计，分阶段地模拟计算结构的变形和受力，最终得到成桥之后结构的受力状态。
它能较好地分析桥梁结构的实际施工过程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的挠度变形和受力状态，达到桥梁设计与实施，为施工监控提供依据。
正装分析法在桥梁结构形成过程中对结构的影响因素，如结构的变形和混凝土收缩、徐变等问题。
正因为如此，正装分析法在桥梁结构的施工分析中占有重要的位置。
2.3.2倒装分析法
倒装分析法是按照桥梁实际的施工阶段顺序的逆过程，从而进行桥梁结构的分析。
倒装分析法，对于分阶段施工的连续梁桥、斜拉桥、悬索桥等复杂梁桥，为了是桥梁竣工后梁体的线形满足设计要求，一般都会给予施工控制点标高或设置预拱度。
它的原理是：
假设某一阶段结构内力分布满足该时刻正装分析的结果，线形满足设计要求，在此初始状态下，按照正装分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每一个拆除一个施工段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析的出的结构位移、应力状态，便是该阶段结构施工的理想状态。
一座桥梁的设计图，都会给出最终成桥状态的设计线形和标高，但一般不会明确给出桥梁结构各施工过程中间的状态要求。
要想得到桥梁结构施工初始状态和施工中间各阶段的理想状态，就要从设计图给出的最终成桥状态开始，逐步进行倒拆计算，得到施工各个阶段中间的理想状态和初始状态。
只有按照倒装分析给出的各个阶段标高指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。
正因为倒装分析可以解决这一问题，所以它适用于各种桥型结构的施工计算，尤其适用于以悬臂施工为主的大跨度连续梁桥、钢构桥和斜拉桥。
2.3.3无应力状态法
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原理，将桥梁结构的成桥状态和施工各个阶段中间状态联系起来，进行结构状态分析的方法。
无应力状态法可用于各种桥型的安装计算，特别适用于大跨度拱桥和悬索桥的施工控制。
由于大跨度拱桥的主要承重结构主拱圈、悬索桥的主要承重结构主缆索等，都是按无应力状态加工成型后在现场安装的，并且在安装时，其长度一般难以调整，因而如何确定这些主拱圈和主缆索的加工长度，是大跨度拱桥或悬索桥施工控制的关键。
2.4桥梁施工控制的影响因素
大跨度连续梁桥施工过程复杂，影响参数多，如施工荷载、混凝土收缩徐变、温度及预应力等。
无论何种桥梁的施工控制，结构参数都是必须考虑的重要因素。
事实上实际桥梁结构参数一般是很难与设计所采用结构参数吻合，总存在一些误差，施工控制中如何恰当的计入这些误差，使实际状态与设计状态相一致，是首先需要解决的问题。
1、结构参数
（1）结构构件截面尺寸
结构构件截面尺寸，任何施工都可能存在截面误差，在规范要求总也允许出现截面尺寸误差但不超过限值的误差，因为这种误差会导致桥梁后续施工的结构内力与变形发生变化。
所以，对结构构件截面尺寸的控制过程中要实时跟踪动态取值。
（2）结构材料弹性模量
结构材料弹性模量：
对经常遇到的超静定结构来说，结构分析得到的结果主要受到弹性模量的影响，并且它与结构变形有直接关系，对于那些竣工后的桥梁结构而言其弹性模量与设计值不完全吻合，所以在桥梁施工过程中根据施工进度
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