大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工控制技術(shù)

1、大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工控制技術(shù)向木生1張世飆2張開銀1沈典棟3沈成武11. 武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063湖北省漢十高速公路指揮部，湖北十堰441000湖北省公路局科研所，湖北武漢430000摘要：根據(jù)有限元理論計算和施工過程中對主梁撓度和線形的測量，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制理論進(jìn)行高程偏差調(diào)整和預(yù)測，綜合確定主梁施工預(yù)拱度。借助預(yù)埋鋼弦傳感元件，測試主梁混凝土應(yīng)變，分析測試應(yīng)變中溫度等諸多影響因素，確定實際結(jié)構(gòu)的真實應(yīng)力，為大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的安全施工和合理成橋狀態(tài)提供技術(shù)依據(jù)。關(guān)鍵詞：公路橋梁；預(yù)應(yīng)力混凝土；施工控制技術(shù)0引言橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，參數(shù)的選?。ㄈ绮牧咸匦浴⒚芏?、

2、截面特性等）、施工狀況的確定（施工荷載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失、溫度、濕度、時間等參數(shù)）和結(jié)構(gòu)分析模型等諸多因素的影響，以及混凝土材料的非均勻性和不穩(wěn)定性，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、T型剛構(gòu)、連續(xù)剛構(gòu)等梁橋施工過程中結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)很難完全吻合。因此在橋梁施工過程中，必須對施工預(yù)拱度、主梁梁體內(nèi)的應(yīng)力等進(jìn)行嚴(yán)格的施工控制。目前施工控制方法主要有三種：一是采用糾偏終點控制法；二是應(yīng)用現(xiàn)代控制理論中的白適應(yīng)控制法；三是設(shè)計時給予主梁標(biāo)高和內(nèi)力最大的誤差容許值控制法。1橋梁結(jié)構(gòu)的理論計算分析橋梁結(jié)構(gòu)的理論計算通常用有限元素法進(jìn)行分析，主要是對各節(jié)段施工工況下的相應(yīng)截面的應(yīng)力、位移進(jìn)行分析

3、，作為監(jiān)測和施工控制的依據(jù)。目前橋梁施工控制的結(jié)構(gòu)計算方法主要包括：正裝分析法、倒裝分析法和無應(yīng)力狀態(tài)計算法。正裝計算法能較好地模擬橋梁結(jié)構(gòu)的實際施工歷程，得到橋梁結(jié)構(gòu)在各個施工階段的位移和受力狀態(tài)，同時，能較好地考慮結(jié)構(gòu)的非線性問題和混凝土收縮、徐變等問題。對于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，首先必須進(jìn)行正裝計算。施工預(yù)拱度應(yīng)按照橋梁結(jié)構(gòu)實際施工加載順序的逆過程（倒裝計算法）來進(jìn)行結(jié)構(gòu)行為計算和予以確定。只有按照倒裝計算出的橋梁結(jié)構(gòu)各階段中間狀態(tài)去指導(dǎo)施工，才能使橋梁的成橋狀態(tài)符合設(shè)計要求。無應(yīng)力狀態(tài)法是以橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的無應(yīng)力長度和曲率不變?yōu)榛A(chǔ)，將橋梁結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)和施工各階段的中間狀態(tài)聯(lián)系起來

4、,種方法特別適用于大跨度拱橋和懸索橋的施工控制。在進(jìn)行有限元分析時，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點建模。一般地說，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋可按空間（平面）梁單元進(jìn)行分析。在選用計算分析軟件時，應(yīng)考慮工程應(yīng)用的方便，選用國內(nèi)外有相當(dāng)聲譽的正版結(jié)構(gòu)有限元分析軟件包（如橋梁博士、ANSYSCOS-MOSSUPSAPGQJS等）進(jìn)行計算與分析，這些軟件有很好的前后處理功能。結(jié)構(gòu)載荷應(yīng)包括：混凝土白重、掛籃白重及鋼筋、人員和設(shè)備的重量，掛籃移動各施工階段的施工荷載，同時考慮二期恒載的重力；預(yù)應(yīng)力索張拉力；溫度荷載、風(fēng)荷載及與結(jié)構(gòu)的形成過程中有關(guān)的荷載，如混凝土的收縮徐變等。這些荷載能引起結(jié)構(gòu)的附加變形和應(yīng)力。一般而言，以

5、正裝計算結(jié)果作為應(yīng)力監(jiān)測的依據(jù)，以倒裝計算結(jié)果作為預(yù)拱度控制的依據(jù)。2.1 2主梁線形測量墩頂測量和基準(zhǔn)點的設(shè)立利用大橋兩岸大地控制網(wǎng)點，使用后方交匯法，用全站儀測出墩頂測點的三維坐標(biāo)，將墩頂標(biāo)高值作為主梁高程的水準(zhǔn)基點。每一墩頂布置一個水平基準(zhǔn)點和一個軸線基準(zhǔn)點，做好明顯的紅色標(biāo)識，每月至少進(jìn)行一次聯(lián)測。2.2 主梁撓度、軸線和主梁頂面高程的測量在每一節(jié)段懸臂端梁頂設(shè)立24個標(biāo)高觀測點和一個軸線點。測點用短鋼筋或鋼板預(yù)埋，并用紅色油漆標(biāo)明編號。標(biāo)高用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，根據(jù)各節(jié)段施工次序，每一節(jié)段按三種工況（即澆筑混凝土后、張拉后和掛籃前移后）對主梁撓度進(jìn)行平行獨立測量，相互校核。軸線使用全站儀

6、和鋼尺等進(jìn)行測量，采用測小角法或視準(zhǔn)法直接測量其前端偏位。視準(zhǔn)時，將軸線后視點引至過渡墩，用遠(yuǎn)點控制近距離點。在主梁頂面混凝土高程測量過程中，同一截面測24點，根據(jù)其橫坡取其平均值，這樣可得到主梁頂面的高程值。同時，在不同工況下，由觀察得到的主梁撓度（反拱）變化值，與給定立模標(biāo)高（含預(yù)拱度）立模的高程值，也可得到主梁頂面的高程值，兩者比較后，可檢驗施工質(zhì)量。2.3 主梁立模標(biāo)高的測量一般地說，底板底模板選三個特征位置，頂板底模板選六個特征位置較適宜，如圖1所示。用精密水準(zhǔn)儀測量立模標(biāo)高，立模標(biāo)高的測量應(yīng)避開溫差較大的時段。施工單位立模到位，測量完畢后，監(jiān)理單位對施工各節(jié)段的立模標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測，監(jiān)

7、控單位不定期進(jìn)行抽測。圖1主梁截面立模標(biāo)高測點2.4 同跨兩邊對稱截面相對高差的直接測量和多跨線形的通測當(dāng)兩邊施工節(jié)段相同時，對稱截面的相對高差可直接進(jìn)行測量和分析比較。當(dāng)施工節(jié)段不同時，對稱節(jié)段的相對高差不滿足可比性，此時，可選擇較慢的一邊最末端截面和較快的一邊已施工的對應(yīng)截面作為相對高差的測量對象。在測量過程中，同一對稱截面可測多點，根據(jù)其橫坡取其平均值，可得到對稱截面的對應(yīng)點的相對高差。除保證各跨線形在控制范圍內(nèi)外，主梁全程線形應(yīng)定期或不定期進(jìn)行通測，確保全橋線形的協(xié)調(diào)性。2.5 結(jié)構(gòu)幾何形狀測量結(jié)構(gòu)幾何形狀的測量主要包括：主梁上下表面的寬度、腹板厚度、上蓋板和下底板的厚度、主梁截面高度

8、以及主梁施工節(jié)段的長度等。監(jiān)控單位采用抽查的方式，不定期地進(jìn)行測量。3.1 3線形控制原理與技術(shù)預(yù)拱度控制主梁懸澆段的各節(jié)段立模標(biāo)高可按下式確定1H=H)+fi+(-fi預(yù))+f籃+fx(1)式中：H為待澆筑段主梁底板前端底模標(biāo)高；H0為該點設(shè)計標(biāo)高；fi為本施工段及以后澆筑的各段對該點的影響值；fi預(yù)為本施工段頂板縱向預(yù)應(yīng)力束張拉后對該點的影響值；f籃為掛籃彈性變形對該施工段的影響值；fx為由徐變、收縮、溫度、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、二期恒載、活載等影響值。上述各參數(shù)在有限元倒向分析基礎(chǔ)上，根據(jù)實測信息，對計算預(yù)拱度進(jìn)行調(diào)整和預(yù)測，確定最佳預(yù)拱度。傳統(tǒng)的誤差調(diào)整方法主要有卡爾曼(KALMAN濾波法、灰

9、色系統(tǒng)、最小二乘法等。這些方法在橋梁施工控制應(yīng)用中取得了一些成效。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能型方法，在國外得到了大力發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)亦在逐步推廣之中。運用這種方法于主梁預(yù)拱度預(yù)測中，既克服了灰色理論GM(1,N)輸入?yún)?shù)單一的缺點，又改進(jìn)了卡爾曼(KALMAN濾波法中僅能考慮輸入與輸出的線性關(guān)系的不足，建立了輸入與輸出之間的多參數(shù)、非線性的映射關(guān)系。圖23層BP網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于有連續(xù)函數(shù)表現(xiàn)定理，選用圖2所示的3層網(wǎng)絡(luò)，輸入層和輸出層有與網(wǎng)絡(luò)輸入變量Ii(l=1,2,，L)及輸出變量O(n=1,，NO相應(yīng)的L和N個神經(jīng)元，而隱層取M(M=2L+1個神經(jīng)元。神經(jīng)元的傳遞函數(shù)F通常選

10、用SIGMOI涵數(shù)"4,即F(x)=1/(1+ex)(2)網(wǎng)絡(luò)輸出O的值域為（0,1）,故需對樣本的期望輸出作歸一化處理。通過一定數(shù)量樣本的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練（白學(xué)習(xí)）過程，實際是確定最適宜的權(quán)系數(shù)Wlm和w/mn,使其輸出O與期望輸出。片的2次殘差E達(dá)到!v_E（it*屆，勺:】（。叫-。心）-*mS2卜IJrI（3）選擇合理的權(quán)系數(shù)Wlm和WL的最優(yōu)化過程由BP算法完成，而且在Clf（,如,寸何4|Or"曠1（4）得到滿足時，網(wǎng)絡(luò)白學(xué)習(xí)終止。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對實際發(fā)生的橋面標(biāo)高偏差進(jìn)行預(yù)測時，可取影響標(biāo)高偏差的因素（即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量）為：時間；混凝土彈性模量；測量溫度T（C

11、）;張拉截面、討論截面的主梁高度（而；及其兩截面至“T”構(gòu)中心的距離（而；理論計算的張拉后標(biāo)高變化值W（m,共計8個參數(shù)。樣本的期望輸出白然取標(biāo)高偏差W（而。即BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元數(shù)L=8,而輸出層N=1。由于樣本的期望輸出為測量標(biāo)高，實際值難免包含某些隨機因素和誤差，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備有對這類樣本的鑒別能力，因此具有魯棒性。網(wǎng)絡(luò)的輸出并非要求嚴(yán)格地等于各樣本的期望輸出，而是通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，尋求對全部樣本數(shù)據(jù)均有較好響應(yīng)的非線性映射關(guān)系。3.2 預(yù)拱度指令預(yù)拱度是主梁線形控制的主要參數(shù)，也是決定主跨和邊跨能否順利合攏，應(yīng)力分布是否合理的關(guān)鍵。施工預(yù)拱度指令，一般由監(jiān)測監(jiān)控單位拿出方案，經(jīng)設(shè)代組計算審

12、核后，橋梁專業(yè)監(jiān)理工程師簽字才能組織施工。施工預(yù)拱度指令除保證其合理性、科學(xué)性外，下達(dá)時間應(yīng)保證施工的連續(xù)性和及時性。4主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量與應(yīng)力分析4.1控制截面選擇對于連續(xù)梁、T型和連續(xù)剛構(gòu)梁橋，主梁在懸澆施工中各截面的應(yīng)力隨工況的不同，同一截面上下表面的應(yīng)力也不斷變化。主梁在懸澆過程中可按靜定結(jié)構(gòu)考慮控制截面，懸澆完成后結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，此時應(yīng)按超靜定結(jié)構(gòu)考慮控制截面，再加上二期恒載的影響，控制截面可選在0#塊根部、L/8、L/4、3L/8、L/2、合攏段等處。在這些截面內(nèi)布置傳感元件，進(jìn)行應(yīng)力測試和施工控制。在每一截面內(nèi)，隨截面形狀的不同，布置傳感元件的數(shù)量和位置也不同。如某大橋主梁為箱型截面

13、，傳感元件的布置可按圖3所示進(jìn)行（“”表示傳感元件）。圖3主梁雙室、單室截面?zhèn)鞲衅鞑贾?.2 布點時間在主梁鋼筋布置基本就緒、混凝土澆筑之前，在控制斷面預(yù)埋傳感元件，并做好相應(yīng)的防護工作。對于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，主要是測試和控制橋梁結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力。因此，布點時，傳感元件沿縱向（橋的里程或樁號方向）布置，用鐵絲捆扎在主梁縱向鋼筋的上（下）緣。4.3 傳感元件測試原理及其應(yīng)變測量混凝土應(yīng)力測試傳感元件類型較多，目前通常使用鋼弦應(yīng)變計，其測試效果較好。鋼弦傳感器應(yīng)變與頻率間的關(guān)系通常是以標(biāo)定表和折線圖的形式給出的，用二次曲線或三次曲線進(jìn)行最小二乘擬合，便能得到較好數(shù)學(xué)表達(dá)式。如型號為JXH-2、規(guī)格為3

14、0MPsH勺混凝土鋼弦應(yīng)變計，應(yīng)變與頻率間的關(guān)系為g=a+bf+cf2或g=a+bf+cf2+df3（5）式中：Cg為鋼弦的應(yīng)變（pO;f為鋼弦的白振頻率（Hz）;a、b、c、d為待定系數(shù)。鋼弦傳感器埋入混凝土內(nèi)后，在軸向受力后形變，其白振頻率發(fā)生變化，在電脈沖激勵下作微幅振動，鋼弦的兩支點間的弦長與混凝土變形協(xié)調(diào)，即：eg=Cc,混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力為（Tc=EcGc（6）式中：（Tc為混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力；丘為混凝土的彈性模量；c為混凝土的應(yīng)變。將測得的頻率值代入式（5）,便可得到鋼弦和混凝土的應(yīng)變值，再由式（6）得到了混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值。主梁懸澆施工過程中，應(yīng)變的讀數(shù)頻度按各工序（混凝土澆筑前后

15、；預(yù)應(yīng)力索張拉前后；掛籃前移以及溫度變化等情況）進(jìn)行應(yīng)變等跟蹤測量。5測試應(yīng)力的影響因素在時刻t承受單軸向、不變應(yīng)力為（T（t）的混凝土構(gòu)件，在時刻t測量總應(yīng)變（t）可分解為1（t）=（t）+ec（t）+es（t）+eT（t）+em（7）式中：i（T）為加載時初應(yīng)變；c（t）為時刻t>t時的徐變應(yīng)變；Cs（t）為收縮應(yīng)變；T（t）為溫度應(yīng)變；m為測量系統(tǒng)應(yīng)變沖妾0由于測試應(yīng)變中含有非混凝土應(yīng)變的分量，在計算混凝土的應(yīng)力時必須予以鏟除或進(jìn)行應(yīng)力修正。這些因素主要表現(xiàn)在初值設(shè)定、漂移、徐變、溫度等方面。5.1 鋼弦元件初值設(shè)定時機鋼弦應(yīng)變計埋設(shè)后，在混凝土泵送過程中，將承受各類影響讀數(shù)的非混

16、凝土應(yīng)力的因素，為此需在混凝土初凝時刻設(shè)定應(yīng)力初值。而初讀數(shù)的時機把握是相當(dāng)困難的。如果該時機把握不好，混凝土未承載時鋼弦已反應(yīng)出的應(yīng)力就不能及時排除，主梁測試應(yīng)力將小于(大于)實際結(jié)構(gòu)真實應(yīng)力。溫度影響溫度變化時，若預(yù)應(yīng)力混凝土主梁無約束白由伸展，則埋入其中的鋼弦應(yīng)變計也會隨同變形。由于溫度的影響，鋼弦絲的應(yīng)變和白振頻率均將發(fā)生改變。由Cg=4pf2/Eg知，溫度引起的應(yīng)變增量為L-dEg=-I丁(8)df一般情況下，則有此2df&,(9)因此，混凝土主梁結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)變?yōu)?會測df£實=&測-f(10)然后再由式（6）確定混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。事實上，日照下混凝土主梁上

17、表面近20cm范圍內(nèi)的溫度梯度很大，溫度分布極不均勻，而其它部位的溫度分布趨于均衡。主梁頂面溫度升高時，應(yīng)沿縱向膨脹，但受到腹板及底板的約束而不能白由延伸，而結(jié)構(gòu)的最終變形與混凝土主梁內(nèi)的溫度分布密切相關(guān)。一般來說，主梁頂板相對腹板及底板的抗拉剛度來說要小得多，整個懸臂主梁的下?lián)献冃尾⒉惶?，主梁上緣?yīng)力增大，下緣應(yīng)力減小或基本不變。鋼弦受主梁的約束而弦絲在溫度作用下的應(yīng)變發(fā)生了改變，約減少agAt（其中ag為弦絲的熱膨脹系數(shù)，t為溫升），有J（11）此時，主梁頂板處的鋼弦應(yīng)變計附加了由混凝土主梁產(chǎn)生的溫度應(yīng)變，而主梁上緣的實際應(yīng)變修正為(12)5.2 若以主梁結(jié)構(gòu)施工9個月工期考慮，蠕變使得

18、測試應(yīng)變累計偏小約12.0ve;而溫漂視環(huán)境溫度升高還是降低相應(yīng)修正（加或減）測試應(yīng)變約3.0/10Co應(yīng)變滯后性測試數(shù)據(jù)表明，預(yù)應(yīng)力混凝土的應(yīng)變具有滯后性。預(yù)應(yīng)力索張拉完后，由于種種因素的影響，應(yīng)變在主梁各截面的傳播速度隨施工節(jié)段的不同而各異。當(dāng)預(yù)應(yīng)力索較短、管道較暢通時，應(yīng)變的滯后性不明顯。當(dāng)預(yù)應(yīng)力索較長、管道不太暢通時，各截面應(yīng)變的滯后性與張拉端的位置有關(guān)；靠近張拉端的截面與索較短時的情況比較接近；遠(yuǎn)離張拉端的截面，應(yīng)變的滯后性十分明顯。5.3 混凝土干縮、徐變的影響和剪滯效應(yīng)無論在多低的應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土也會產(chǎn)生徐變。在恒定應(yīng)力和被測點與周圍介質(zhì)濕度、溫度平衡條件下，隨時間增加的應(yīng)變稱為基本徐變。如果在被測結(jié)構(gòu)干燥過程的同時，施加了載荷，通常認(rèn)為徐變和干縮是可以疊加的。邊干燥邊承受載荷測得的徐變大于基本徐變的代數(shù)和。總之，對于混凝土應(yīng)變的長期測量而言，要獲取準(zhǔn)確的機械應(yīng)變，消除徐變干縮的影響是必不可少的。在豎向載荷作用下，主梁應(yīng)力存在剪滯效應(yīng)。由于翼板存在剪切變形，彎曲應(yīng)力在截面橫向是不均勻的，這種效應(yīng)隨上下緣翼板的寬度而變化，翼板愈寬，梁高愈低，剪滯效應(yīng)就愈突出。5.4 其它因素的影響混凝土的彈性模量隨其“齡期”變化，且逐步達(dá)到其設(shè)計值，如果不能準(zhǔn)確測量鋼筋混凝土實際彈性模量，主梁實際結(jié)構(gòu)的彈性模量與按規(guī)范取值存在一些差別。此外，鋼