浅析牛栏江连续钢构特大桥施工监控
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摘 要:根据昭通至会泽高速公路牛栏江特大桥的施工监控,对高墩、大跨度连续钢构桥悬臂施工的应力、线形监控方法进行了研究。
关键词:牛栏江；连续钢构;施工监控
中图分类号：U448.23文献标识码:A
连续钢构桥是墩梁固接的连续梁桥。它是在连续梁桥和T型钢构桥的基础上发展起来的大跨径桥梁最常用的形式之一,具有跨越能力大、行车舒适、无需大型支座等特点。该类桥梁特别适合于跨越深谷、大河、急流的桥位。在西部大开发的交通建设中,穿越山岭重丘区架设在陡坡深谷之间的高墩大跨度桥梁日益增多,给高墩、大跨度连续钢构桥的发展带来了新的机遇;同时,如何有效地提高该类桥梁的施工控制水平,确保结构的安全和稳定,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,就需要严密的施工监控来提供准确可靠的数据，及时调整施工方案及施工工艺。
一、工程概况
牛栏江特大桥位于昭通至会泽高速公路牛栏江段。桥型为高墩大跨径连续钢构桥,跨径布置如下: 7×30+(102+190+102)+5×30m，其中主桥上部构造为102+190+102m三跨预应力混凝土连续刚构箱梁，箱梁根部梁高11.7m，跨中梁高4.2m，箱梁高度和底板厚度按1.8次抛物线变化。箱梁0号节段长13m，每个悬浇“T”纵向对称划分为22个节段。悬浇节段最大控制重量3000kN，边、中跨合拢段长均为2m，边跨现浇段长6.0m。箱梁根部设四道厚0.8m的横隔板，中跨跨中设一道厚0.4m的横隔板，边跨梁端设一道厚1.50m的横隔板。
主墩墩身采用双肢变截面矩形空心墩，墩柱双向放坡（按80：1放坡），单肢顶部截面尺寸8.5×4m，纵向壁厚0.8m，横向壁厚1.0m。每个主墩双肢之间设一道预应力横系梁。过渡墩墩身采用横向放坡的空心墩，按100：1放坡，顶部截面尺寸为6.0×3.5m，壁厚0.6m。
连续钢构体系在施工过程中要经历多次体系转换,结构单元数量、荷载逐步变化,是一种复杂的超静定结构。为了保证工程施工质量,就需要有一个科学合理的施工控制系统来综合考虑各种影响因素,严格监控整个施工过程中结构的变形、应力分布情况,以确保桥梁的成桥线形及结构受力状态符合设计要求。其控制原则为:
(一) 施工过程中以截面的应力和内力为主要控制对象;
(二) 悬臂段合拢相对高差控制在20mm 以内;
(三) 桥面线形调整引起的桥面垫层厚度增减绝对值最小,平均值符合设计要求;
(四) 桥面预拱度满足二期恒载、1/ 2 活载作用和设计混凝土徐变年限内的徐变变形要求。
三、施工监控的方法
施工监控方法主要可以分为两个部分:施工过程模拟分析和参数调整。参数调整方面,运用了参数识别和灰色理论预测相结合的方法进行监控。
（一）施工过程模拟分析方法
施工过程模拟分析是桥梁监控的理论依据,由工程实际建立理论模型,对结构各阶段的内力和挠度进行计算。在施工控制计算中,将各主梁离散成梁单元,3 个墩底视为固结,两边跨端视为链杆支承。将单元几何信息及各施工阶段的荷载、徐变、收缩、预应力等信息输入数据文件,先进行前进分析计算,再进行倒退分析计算。牛栏江特大桥的施工仿真计算采用了目前能够应用于施工监控的大型空间有限元软件MIDAS/ Civil 进行施工仿真计算。
（二）参数调整理论
在桥梁的实际施工中,由理论模型计算的某一施工阶段的内力、挠度等会与实际量测结果存在一定偏差,为了确保施工质量,必须将偏差控制在容许范围内,当偏差超出容许范围时,就必须对理论模型中的主要设计参数进行识别。设计参数识别是根据施工中结构线形或内力的实测值对主要设计参数进行识别,寻找产生偏差的原因。然后将修正过的设计参数反馈到仿真数值模型中去,重新给出施工中内力和挠度的理论期待值,以消除理论值和实测值不一致的主要部分,最后达到内力和挠度双控的目标。至于灰色预测控制,则是将各控制点的标高理论计算值减去实测值得到误差序列,建立误差序列的GM(1 ,1) 模型,求得误差函数,得到误差估计值,将误差估计值和理论值相加得到预测值。
灰色理论的特点在于预测,通过数据处理功能对误差进行预测。参数估计是参数识别理论的核心,参数识别法把握了控制参数产生偏差的主要因素。由于连续钢构桥悬臂施工中对线形总误差的纠正措施比较少,控制误差的产生就显得尤其重要。鉴于此,在预应力混凝土梁桥挠度控制过程中,可以将这两种理论相结合,充分发挥各自的所长。其思路是:在施工阶段,根据状态变量(控制点位移、控制截面内力) 的实测值和相应理论值,运用参数识别法对影响参数进行识别和修正,重新给出理论期望值;然后根据理论期望值和实际值的差别,运用灰色预测法对下一节段的误差进行预测。这样既消除了产生偏差的主要因素,又将控制系统本身的误差及其他难以精确计算的随机因素的影响降到最小。
四、施工监控的主要内容
施工监控的主要内容有: (1) 箱梁高程线形监控; (2) 箱梁平面线形监控; (3) 箱梁和薄壁墩控制断面应力监控; (4) 箱梁温度监控。对于大型特大桥一般采用线形监控为主和应力监控为辅的双控措施。主要介绍高程线形控制和应力控制的主要方法。
（一）高程线形控制
对于高程线形监控,目前一般有卡尔曼滤波法、自适应控制法和人工网络神经(BP 网络) 等方法。由于自适应控制方法易于被广大工程技术人员理解和掌握,已在桥梁建设中成功应用,因此,牛栏江特大桥在高程线形监控方面采用自适应控制方法。
自适应控制方法进行箱梁高程监控,其关键技术有3 点:箱梁理论标高的计算;箱梁挠度测试方法;实测数据处理,参数识别,预测立模标高。现具体介绍如下:
1、箱梁理论标高的计算:在实施监控之前,必须做好箱梁设计线形、目标线形和预拱度线形设计。箱梁三条理论曲线确定后,即可以应用预拱度曲线确定箱梁立模标高:
Hi 立模= Hi 设计+ fi1/ 2静活载+ fi后期徐变+ Fi竣工
式中: Hi 立模———第i 阶段的立模标高;
Hi 设计———第i 阶段的设计标高,由设计方提供;
fi1/ 2静活载———桥梁承受1/ 2 静活载所引起的变形;
fi后期徐变———桥梁竣工后由于混凝土后期徐变引起的变形,可通过结构计算求得;
Fi竣工———结构某一点在立模之后,由于以后的施工操作使该点产生变形,这种变形直到成桥竣工时为止。
在标高控制中,只要理论模型与实际吻合,就可以根据上式得到立模标高,在节段施工时,准确放样立模标高,即可以达到控制的目的。当实测变形和理论计算值不符时,应调整计算参数,修正理论模型,消除理论和实际的偏差,掌握实际变形的规律,通过调整立模标高对桥梁进行控制。
2、箱梁挠度测试方法:结合以往施工监控经验,在牛栏江特大桥施工中,对每个箱梁悬臂浇注阶段进行4 次测量: ①挂篮移动后; ②节段混凝土浇注完; ③张拉预应力筋前; ④张拉预应力筋后。这样既抓住了施工控制的关键阶段,也满足了施工控制的全面要求。
3、箱梁实测数据处理、参数识别和预测标高是相互关联的3 个环节。对于实测数据处理的要求是及时准确,处理时对疑问数据要及时复测、复查;参数识别是依四阶段测量的实测值对主要设计参数进行分析,然后将修正过的设计参数反馈到控制计算中,重新给出施工中的结构内力、变形值,以消除理论值和实测值的偏差;预测标高在参数识别的基础上进行,参数识别时对实测数据的分析要准确无误,对温度影响,采用温度- 挠度变形测量解决。
4、温度变化对高程线形的影响:实测数据的主要影响因素是温度,因此,对温度变化影响高程线形的研究是必不可少的。由于温度场随时随地都在变化,要精确计算温度的影响几乎是不可能的。为了尽量避免温度变化对高程线形的影响,在箱梁施工阶段确立立模标高的时候,应尽可能选择在温度较稳定、影响较小的时刻进行。
（二）应力控制
施工控制中应对结构分析所确定的关键截面的受力情况进行应力监控,适时发出安全预警以采取处置措施和保证结构安全。应力控制是将现场实测值和理论计算值相比较,通过二者偏差调整设计参数修正计算模型,以达到应力控制的目的。目前应力检测是通过检测应变来反映,而应变检测常用钢弦式应力计和钢筋式应力计。钢弦式应力计由于具有性能稳定、使用简便、受温度影响小且适于长期观测而得到广泛应用。为了减小温度的影响,观测宜安排在早晨进行,这样能将温度引起的误差降到最低。
五、结束语
(一) 对大跨径连续钢构桥进行施工监控是十分有必要的。设计文件所提供的预拱度一般不能满足实际施工要求,施工监控不但能起到补充设计和辅助指导施工的作用,更重要的是能起到对影响施工目标实现的各种因素的深入研究、检测及相关问题的解决,对深刻认识大跨径连续钢构桥的受力及变形特点,提高大跨径连续钢构桥梁的设计、施工水平是十分有意义的。
(二) 施工监控技术有待进一步研究和完善。应该研发专用的施工监控分析软件,这样能减少工作量和避免出错;在影响箱梁挠度的众多因素中,对温度因素应特别重视,有待深入研究。
(三) 施工监控工作应向桥梁运营阶段延伸,桥梁运营期间的内力和挠度监测能进一步检验施工控制效果,能完善和提高实际和施工控制的技术水平,同时能预报桥梁运营期间可能出现的病害。