新建太兴铁路TXJX-01标段龙泉河大桥上跨太佳高速公路（40+56+40）m预应力混凝土连续梁施工监控技术方案兰州交通大学土木工程学院2013年4月新建太兴铁路TXJX-01标龙泉河大桥上跨太佳高速公路（40+56+40m）预应力混凝土连续梁施工监控技术方案1 工程概况龙泉河大桥上跨太佳高速公路（40+56+40）m预应力混凝土连续梁上部结构如图1所示。图1龙泉河大桥上跨太佳高速公路(40+56+40)m连续梁上部结构图梁体为单箱单室，直腹板，变高度，变截面结构。底板、腹板、顶板局部向内侧加厚。全联在端支点及中支点处共设5个横隔板，横隔板及梁端底板设有孔洞，供检查人员通过。挡碴墙内侧净宽4.5m，桥梁建筑总宽7.4m。梁全长137.4m，计算跨度为（40+56+40）m，中支点处梁高4.5m，跨中直线段及边跨11.7m直线段梁高为2.5m，梁底下缘线按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端0.70m。主梁设纵向预应力，纵向预应力钢筋采用抗拉强度标准值为1860MPa的高强低松弛钢绞线，公称直径15.2mm，其技术条件应符合GB/T5224-2003标准。本桥采用菱形挂篮悬臂施工方法，悬臂施工法是预应力混凝土连续梁的主要施工方法，对于预应力混凝土连续梁来说，采用悬臂施工方法虽有许多优点，但是这类桥梁的形成要经过一个复杂的过程，当跨数增多，跨径较大时，为保证合拢前两悬臂端竖向挠度的偏差不超过容许范围，须对该类桥梁的施工过程进行控制。2 施工监控的意义和目的本桥梁体为预应力混凝土连续箱梁，采用悬臂施工。该类桥梁的形成要经过一个复杂的过程，施工工序和施工阶段较多，各阶段相互影响，且这种相互影响又有差异，这就造成各阶段的位移随着混凝土浇筑过程变化而偏离设计值的现象，甚至超过设计允许的位移，若不通过有效的施工控制及时发现、及时调整，就可能造成成桥状态的梁体线形不符合设计要求。在施工过程中，为保证合拢前悬臂端竖向挠度的偏差、主梁轴线的横向位移不超过容许范围、保证合拢后的桥面线形良好，必须对该桥主梁的挠度等施工控制参数做出明确的规定，并在施工中加以有效的管理和控制，以确保该桥在施工过程中的安全，并保证在成桥后主梁线形符合设计要求。对于分阶段悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续梁桥来说，施工控制就是根据施工监测所得的结构参数真实值进行施工阶段计算，确定出每个悬浇阶段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测的成果对误差进行分析、预测和对下一阶段立模标高进行调整，以此来保证成桥后的桥面线形、保证合拢段悬臂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。对该桥连续梁部分进行施工监控的目的就是确保桥梁成线形符合设计要求，主要控制内容为主梁线形。3 施工监控的原则和方法本桥的施工监控主要为梁的变形控制，变形控制就是严格控制每一阶段梁的竖向挠度，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。梁部结构采用的悬臂施工方法属于典型的自架设施工方法，对于本桥来讲，由于在施工过程中的已成结构（悬臂阶段）状态是无法事后调整的或可调整的余地很小，所以，针对主梁的结构和施工特点，梁部的施工监控主要采用预测控制法。预测控制法是指在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标后，对结构的每一个施工阶段形成前后的状态进行预测，使施工沿着预定状态进行。由于预测状态与实际状态间有误差存在，某种误差对施工目标的影响则在后续施工状态的预测中予以考虑，以此循环，直到施工完成并获得和设计相符合的结构状态。4 施工控制体系为有效地开展施工监控工作，在本桥的施工监控中需要建立如图2所示的施工监控体系。5 施工控制基本理论在龙泉河上跨太佳高速公路（40+56+40）m连续梁桥的施工监控中，对梁体线形、应力进行重点控制。在控制过程中，监控方采用自适应控制方法对本桥进行线形控制，采用最小二乘法对结构参数进行调整、估计。施工体系张拉预应力挂篮前移(下阶段钢筋)施工现场设计体系设计计算设计指定参数砼容重、弹模块件重量、尺寸施工荷载偶然荷载现场测试体系实时测量体系材料强度测量线形测量温度时间主梁线形物理测量力学测量施工控制预测计算施工控制实时计算施工控制计算体系计算核对实测值现场测试参数参数识别、修正施工控制计算参数施工控制计算值比较修正量计算分析发布施工控制指令下阶段施工资料：立模标高预告及挂篮变形量预测图2 龙泉河大桥上跨太佳高速公路(40+56+40)m连续梁施工监控体系5.1 连续梁桥施工控制的特点连续梁桥在悬臂施工阶段是静定结构，合拢过程中如不施加额外的压重，成桥后内力状态一般不会偏离设计值很多，因此连续梁桥施工控制的主要目标是控制主梁的线形。若已施工梁段上出现误差，除张拉预备预应力束外，基本没有调整的余地，且这一调整量也是非常有限的，而且对梁体受力不利。因此，一旦出现线形误差，误差将永远存在，对未施工梁段可以通过立模标高调整已施工梁段的残余误差，如果残余误差较大，则调整需经过几个梁段才能完成。根据上述分析，悬臂浇筑连续梁桥施工中标高控制的特点是，已完成梁段的误差无法调整，而未完成梁段的立模标高只与正装模拟计算有关，与已完成梁段的误差基本无关。因此，在图3自适应施工控制原理图中的下半环，即控制量反馈计算，在连续梁施工控制中一般不起作用。同时，上半环，即参数估计及对计算模型的修正就显得尤为重要，只有与实际施工过程相吻合的计算模型计算出的预报标高才是可实现的。5.2 自适应施工控制系统 对于预应力混凝土连续梁桥，施工中每个工况的受力状态达不到设计所确定的理想目标的重要原因是有限元计算模型中的计算参数取值，主要是混凝土的弹性模量、材料的比重、徐变系数等，与施工中的实际情况有一定的差距。要得到比较准确的控制调整量，必须根据施工中实测到的结构反应修正计算模型中的这些参数值，以使计算模型在与实际结构磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律。在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数辩识过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。图3为自适应控制的原理图。图3 自适应施工控制基本原理当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数识别算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果相一致。得到修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，按照上述反馈控制方法对结构进行控制。这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。对于采用悬臂浇筑的桥梁，主梁在墩顶附近的相对线刚度较大，变形较小，因此，在控制初期，参数不准确带来的误差对全桥线形的影响较小，这对于上述自适应控制思路的应用是非常有利的。经过几个节段的施工后，计算参数已得到修正，为跨中变形较大的节段的施工控制创造了良好的条件。5.3 参数识别在本桥的施工控制中按照自适应控制思路，采用“最小二乘法”进行参数识别和误差分析，其基本方法是：当预应力混凝土连续梁悬臂施工到某一阶段时，测得已施工梁段悬臂端个阶段的挠度为：设原定理想状态的梁体理论计算挠度为：上述两者有误差量：若记待识别的参数误差为：由引起的各阶段挠度误差为：式中：参数误差到的线性变换矩阵。残差：方差：将上式配成完全平方的形式：+当时，即0时，上述不等式中的等号成立，此时达到最小，因此的最小二乘估计为：引入加权矩阵：有： 在连续梁桥悬臂施工的高程控制中，可以由结构性能计算出，按工程条件定义，由箱梁阶段标高观测得到挠度实测值，计算，最后获得参数误差估计值，根据参数误差对参数进行修正。6 桥梁施工控制结构分析6.1 结构分析依据及计算参数的确定6.1.1 结构分析计算依据(1) 龙泉河大桥上跨太佳高速公路（40+56+40）m连续梁桥施工图(2) 铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-2005)(3) 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10002.3-2005)(4) 铁路桥涵地基和基础设计规范(TB10002.5-2005)(5) 新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定(铁建设函2005285号文)(6) 新建客货共线铁路设计暂行规定(铁建设200376号文)(7) 新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定(2003年6月颁布)(8) 其他相关规范、规程6.1.2 结构计算参数的确定在进行结构设计和施工控制初步分析时，结构设计参数主要按规范取值，由于部分设计参数的取值小于实测值，因此在多数情况下，采用规范设计参数计算的结构内力及位移均较实测值大，这对设计是偏于安全的，但对于施工控制来说即是不容忽视的偏差，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，因此应对部分主要设计参数进行测定以便在施工前对部分结构设计参数进行一次修正，从而进一步修正结构线形，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参数由很多个，需测定的参数主要有：（1） 混凝土弹性模量，前期结构计算按照规范取值，在施工过程中根据试验结果确定，混凝土的弹性模量的测试应采用现场取样的方法分别测定混凝土在3天、7天、28天龄期的弹模值，为主梁预拱度的修正提供数据。（2） 预应力钢绞线弹性模量，按照现场取样试验结果采用；（3） 恒载按设计图提供的尺寸，并根据施工现场采集的混凝土容重等参数进行必要的修正，考虑结构自重和临时荷载,并考虑梁面坡度的影响；（4） 混凝土收缩、徐变系数，按照规范采用，计算按规范考虑结构局部温差效应及考虑混凝土实际加载龄期的收缩、徐变的影响；（5） 材料热胀系数，按规范取值；（6） 施工临时荷载，现场进行统计，尽量减少材料等的堆放，本阶段不用的材料堆放在0块附近；（7） 预应力孔道摩阻系数，根据现场摩阻试验确定。6.2 施工监控结构计算6.2.1 施工监控结构计算在施工之前，应对该桥在每一施工阶段的应力状态和线形有预先的了解，故需要对其进行结构计算，该桥的施工控制计算除了必须满足与实际施工方法相符合的基本要求外，还要考虑诸多相关的其它因素。（1） 施工方案连续梁桥的恒载内力、挠度与施工方法和架设程序密切相关，施工控制计算前首先对施工方法和架设程序做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。在开始施工前，施工单位应给出挂篮的荷载值及刚度值（或变形），监控单位将根据此数据进行计算分析。（2） 计算图式梁部结构要经过墩梁固结悬臂施工合拢解除墩梁固结合拢的过程，在施工过程中结构体系不断的发生变化，故在各个施工阶段应根据符合实际情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） 结构分析程序对于连续梁桥的施工控制计算，采用平面结构分析方法可以满足施工控制的需要，结构分析采用BSAS程序进行，并利用MIDAS程序对结果进行校核。（4） 预应力影响预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，充分考虑预应力的实际施加程度。（5） 混凝土收缩、徐变的影响混凝土的收缩、徐变对结构的测试应力和施工阶段中的梁体挠度有较大影响，必须加以考虑。（6） 温度温度对结构的影响是复杂的，在本桥的施工监控中，对季节性温差在计算中予以考虑，对日照温