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1、太原一澳门高速公路xxx特大桥为工程实例摘 要随着桥梁跨度的增大，施工控制问题也日益成为设计和施工中的关键而备受关注。本文以太原一澳门高速公路xxx特大桥为工程实例，针对连续刚构桥悬臂浇筑施工中的结构分析方法、施工中的标高控制两个方面的问题进行了深入研究。首先，介绍目前连续刚构桥的概况及现状和施工控制理论，其中对连续刚构桥结构分析中的前进法和倒退法进行了较详细的介绍，通过对这两种方法的讨论，提出了简单实用又满足精度要求的计算方法。其次，运用MIDAS/CIVIL建立全桥施工过程分析计算模型，通过分析计算，给出连续刚构桥在施工过程中位移、内力结果，并对计算分析数据和实测数据进行对比分析，总结变形
2、等的发展规律和变化趋势。再次，预应力混凝上连续刚构桥悬臂浇筑施工线型控制是桥梁悬臂施工中重要的任务，其施工过程中标高控制水平将影响合拢精度，也是确保桥梁线型符合设计要求的决定性工作。在对立模标高的确定、梁体真实挠度的分析、本节段挠度分析和累积挠度分析等有关连续刚构桥线型控制的问题进行了探讨，取得了一些比较实用的成果。关键词：连续刚构桥、施工控制、标高AbstractKey words：continuous rigid frame、simulated analysis、the ratio control。目录第1章绪论11.1引言11.2连续刚构桥的概况与现状21.2.1连续刚构桥的发展过程21
3、.2.2连续刚构桥的现状31.2.3连续刚构桥的发展趋势51.3连续刚构桥研究的内容61.4本文研究的主要内容7第2章桥梁结构的施工控制理论82.1桥梁结构施工控制的重要性82.2桥梁施工控制内容102.2.1几何(变形)控制桥梁施工控制技术 向中富编着112.2.2应力监测桥梁施工控制技术 向中富编着122.2.3.稳定控制122.2.4安全控制132.3桥梁施工控制方法132.3.1开环控制132.3.2闭环控制132.3.3.自适应控制152.4桥梁施工过程模拟分析方法162.4.1正装计算法172.4.2倒装分析法182.4.3无应力状态法182.5桥梁施工控制的结构分析方法192.6
4、悬臂施工控制中的误差调整理论和方法192.6.1施工控制误差分析202.6.2参数识别的内容与方法202.6.3状态预测方法21第3章连续刚构桥的结构分析理论234.1xxx特大桥的结构分析内容234.2仿真分析基本原理234.2.1前进分析244.2.2倒退分析244.3、立模标高的确定与调整26第4章连续刚构桥的结构分析模型294.1xxx特大桥的工程概况294.2xxx特大桥仿真分析软件314.3结构分析模型324.3.1单元划分324.3.2边界条件344.3.3荷载处理344.3.4材料参数的选取354.4施工阶段划分36第5章xxx特大桥的计算结果385.1xxx特大桥的位移计算结
5、果385.1.1主梁节点位移变化385.1.2最大悬臂阶段位移414.1.3全桥合拢后位移415.2内力计算结果425.2.1弯距计算435.2.2剪力计算结果475.4实测结果505.4.1主梁控制断面及测点布置505.4.2各个控制断面应力结果对比51第6章xxx特大桥桥的标高控制546.1标高控制的基本概念546.1.1设计标高546.1.2竣工标高546.1.3立模标高556.2标高控制的基本原理566.3标高的监测方法576.3.1测点布置576.3.2观测时间与项目586.3.2观测周期586.4立模标高的确定596.4.1立模标高的绝对高程形式596.4.2立模标高的相对高差形式
6、606.5xxx特大桥的标高控制结果616.5.1预拱度616.5.2实际监控情况636.5.2合拢情况636.5.3全桥合拢后标高63第7章结论于展望647.1主要结论647.2有待进一步研究的问题64参考文献66第1章绪论1.1引言桥梁是公路、铁路、城市道路和农村道路及水利建设中，为道路跨越天然（如河流、湖泊、河谷、峡谷）或人工障碍物而修建的结构物。桥梁是线路的组成部分，在国民经济建设中起着举足轻重的作用。桥梁在交通事业中占有举足轻重的地位，它不仅是保证全线早日通车的关键，而且是在公路总造价中占主要部分。在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，历来是兵家必争的要地；在高技术、高强度、高合成的现代化
7、战争中，它更占有重要地位。近几十年，由于我国进行改革开放，科学技术的不断进步，工业水平的不断提高，桥梁建设技术得到迅速发展。千里江面上的跨江大桥，现代高速公路迂回交叉中的立交桥，城市道路中的高架桥，城郊高速铁路桥与轻轨运输中的高架桥，犹如一条条“彩虹”使得天堑变通途，并逐步建立现代化的立体交通网络，极大地改变了我国的交通状况，推动了国民经济的发展，方便了广大人民群众的生活。在这些桥梁中，不仅有华丽富贵的斜拉桥，气势雄伟的悬索桥，钢筋铁骨的钢桥，体形优美、历史悠久的拱桥，还有外表朴实、适应性强、施工方便的梁式桥、刚架桥、连续刚构桥。预应力混凝土连续刚构桥是六十年代混凝土连续梁和T型刚构基础上发展
8、起来的墩梁固结的一种新型连续梁结构，即保持了连续梁无伸缩缝，行车平顺的优点，又保持了T型刚构不设支座，不需转换体系的优点，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，它利用高墩的柔度来适应结构由预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的位移，能满足特大跨径桥梁的受力要求，因此在过去的二十年内，连续刚构桥体系得到了迅速发展，最大跨径的纪录一再被刷新。连续刚构桥梁跨径的增大，也带动了结构分析理论的发展，也带动了相关课题的进一步深入研究。大跨度公路桥梁建设成就是我国综合国力和科技进步的综合表现，是我国土木工程技术进步和建设经验的结晶，是桥梁工作者集体智慧的结晶。纵观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到我国公路
9、桥梁建设必然迎来更大的建设高潮。公路桥梁建设将在“三条战线”上排兵布阵，除继续修建中东部江河上的信道工程外，“西进”建设深沟峡谷、青藏高原、黄土高坡、大漠戈壁地区等特殊环境下的桥梁工程，“东进”跨越渤海湾的跨海工程、长江口跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程以及跨越琼州海峡工程。另外还有洋山港东海大桥、舟山大陆连岛工程。东海大桥是我国第一座真正意义上的跨海大桥，杭州湾大桥是我国民营资本投入最多的跨海公路大桥，舟山连岛工程西堠门大桥是我国在建的最大跨径悬索桥。我国大跨径公路桥梁的建设进入一个辉煌时期，并且取得了举世瞩目的成就。从在建和已建成的世界各类大跨径桥梁前十名的排序中就可以看出，
10、我国大跨径桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。1.2连续刚构桥的概况与现状1.2.1连续刚构桥的发展过程连续刚构桥是在连续梁的基础上发展起来的墩梁固结的结构体系。桥的主要区别在于柔性桥墩的使用，使结构在竖向荷载的作用下墩台。并且连续刚构可以通过高墩的柔度来适应结构由于预应力、混凝土以及温度变化等因素产生的位移，使结构受力更加合理。理论研究和实践均表明，连续刚构桥梁由于墩梁固结整体性好，具向和横向刚度，受力性能良好，跨越能力大，能够充分发挥高强材料于养护，更适合运用悬臂浇注法进行施工预应力混凝土刚构桥的发展大致经历了两个阶段，即早期和现代。早掺的桥梁主要是五十年代以后到六十年代末修建完成的，代表性
11、的桥梁有西V的布伦茨桥、莫赛尔桥和本道夫桥，英国的麦德威桥等。现代有代表性的杨梁是日本的滨名大桥、浦户大桥等，它们全是在七十年代以后完成的。早期修建的刚构桥，从结构形式看，其中大多数是多跨且在跨中设铰。铰的作用是用以传递剪力和保证梁的自由伸缩，一但从结构受力看，在混凝土徐变收缩和日照温差影响下铰内会产生经常的剪力，梁内也产生相应的附加内力，结构受力不利。从使用性能看，由于铰的设置，使路面在铰接处断开，当预拱度设置不当时，桥上纵坡会因此呈波浪形，对外观与使用均带来不利。五十年代末期跨中设有铰的T型刚构桥逐渐减少，而跨中带挂梁的预应力T型刚构桥逐渐增多。以梁换铰后，避免了铰接T构的许多缺点，而且使
12、恒载弯矩降低，尤其是大大缓和了由于预拱度设置不当带来的桥上纵坡折线变化，同时悬臂减短也相应减少了徐变挠度。 随着跨度的不断增大，早期的预应力混凝土T型刚构桥，活载挠度将明显增加。为克服以上缺点，六十年代末期，预应力混凝土T型刚构桥在结构形式上发生了一些变化，除了主孔仍在跨中设铰或设挂梁外，边孔大多布置成连续或部分连续的形式，用以减少主孔跨中挠度值。同时将桥的纵断面布置成弓背式，将纵坡的顶点设在主孔中间铰处，这样即使徐变挠度超出预计值也不会影响使用。 八十年代以后，特别是九十年代以来，随着高速公路的迅速发展，要求行车平顺舒适，连续梁得到了迅速的发展。悬臂施工时，梁墩临时固结，合龙后梁墩处安设支座
13、，转换体系成为连续梁。连续梁除两端外其余部位无伸缩缝，有利于行车，但需设置大吨位支座，费用高，养护工作量大;同时要进行梁墩临时固结和体系转换。于是连续刚构应运而生，近年来得到较快的发展。连续刚构桥的结构特点是梁体连续、梁墩固结，即保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了T型刚构不设支座的优点，方便施工，且有很大的抗弯刚度和抗扭刚度，能满足特大跨径桥梁的受力要求。我国自1988年建成主跨180m的连续刚构桥一广东洛溪大桥之后，相继建成了沪州长江二桥(主跨252m)、重庆黄花园大桥(主跨250m)以及当时主跨跨度为世界第一位的虎门辅航道桥(主跨270m)等一批大跨度连续刚构桥等，这种桥型在我
14、国得到了广泛的推广和应用。 目前世界上处于第一位的是挪威于1998年底建成的Stolma桥，其主跨为301m。国内现在已提出了跨径318m的伶仃洋通道横门东航道连续刚构方案，可以相信不久以后，跨径超过300m的连续刚构桥将在中国出现。1.2.2连续刚构桥的现状连续刚构桥的结构特点是梁体连续、梁墩固结，既保持了连续梁桥伸缩缝的优点，又保持了T形刚构桥不设支座、不需要体系转换的优点，施工方便，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，能满足特大跨径的受力要求。连续刚构桥桥型首先是在国外发展起来的，1964年采用悬臂施工方法建成的主跨208米的联邦德国本道夫（Benforf）桥，是世界上第一座带铰的连
15、续刚构桥，采用2.8米宽的柔性墩。随着建筑材料和施工方法的进一步发展，1979年巴拉圭建成主跨179米的阿松星（Asrncion）桥，1984年英国建成主跨190米的奥威尔（Ovwell）桥，美国的休斯顿（Houston）桥，瑞典的比艾施纳（Biaschina）桥和阿根廷的塞塔鲍尔（Setuba）桥相继建成，其中阿根廷的塞塔鲍尔桥主跨140米，双薄壁墩厚仅为0.5米。这些桥梁的建成，有力的推动了连续刚构桥计算理论的发展，提高了该桥型在桥梁建设中的竞争力，将连续刚桥的发展推向高潮。国外己建成的跨径大于200m的连续刚构桥如表1-1所示。国外大跨径预应力混凝土连续刚构桥（L200m） 表1-1序号
16、桥名国家建成年跨径/m备注1Stolma桥挪威199894+302+722Raft Sundet桥挪威199886+202+298+125单箱室3Gate-way桥澳大利亚1985145+260+145单箱室4Schottwien桥奥地利19892505Douter桥葡萄牙19902506Houeton桥美国1985114+228.6+114双箱室7Skye桥英国19952508Bendorf桥德国1964208分离单箱室9Mooney桥澳大利亚1985130+220+130分离单箱室预应力混凝土连续刚构桥在国内发展较晚，我国从上世纪八十年代才开始建设这种新的桥型，经过进二十年的发展，在设计、
17、施工等部分领域已经达到国际领先水平。广州洛溪大桥的建成通车，标志着这种桥型在我国得以广泛应用和推广。广州洛溪大桥主跨180m，双薄壁墩高约30米，厚2.2米。1939年建成的济南东明黄河大桥，主桥结构为：75+7120+75米；1995年建成湖北省黄石大桥，主跨为245米；1997年建成的虎门大桥，主跨270米，双薄壁墩箱形墩高35米，每片墩身厚度为3米，薄壁为0.5米。随着建筑材料、锚具等的发展，以及施工建设技术和机械设备的不断改进，在我国连续刚构桥已经成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一。马保林.高墩大跨连续刚构桥.北京:人民交通出版社,2001国内己建成的跨径大于150m的连续刚构桥如表1
18、-2所示。国内大跨径混凝土连续刚构桥（L150m) 表1-2序号桥名建成年跨径/m备注1广州洛溪大桥198865+125+180+110单箱室2三门峡黄河大桥1993105+4160+90单箱室3冷水滩湘江大桥199489.1+155+89.1单箱室4黄石长江大桥1995162.5+3245+162.5单箱室5蒙田专用线金沙江大桥1996100+168+100单箱室6江津长江大桥1997140+240+140单箱室7重庆高家花园嘉陵江大桥1997140+240+140单箱室8虎门大桥辅航道桥1997150+270+150单箱室9泸州长江大桥140+240+55.5单箱室10南澳跨海大桥122+
19、221+122单箱室11华南大桥1998110+190+110单箱室12宁波大谢跨海大桥1999123.6+170.123.613重庆黄花园大桥1999137+3250+137单箱室14马鞍山嘉陵江大桥146+3250+146单箱室15福建平塘大桥90+3160+90单箱室16镇海湾大桥2000105+190+105单箱室17黄洲大桥200370+135+160+135+70单箱室18虎跳门特大桥110+200+110单箱室19石崆山号高架桥右线200465+115+3115+65单箱室20黄草乌江大桥200396+168+96单箱室21布柳河大桥2004145+235+145单箱室22落拉河
20、大桥200340+166.5+97单箱室23贵阳小关桥200068.8+125+160+160+111.824隆纳高速泸州长江大桥2000145+252+54.7单箱室25贵州六广河大桥2000145.1+240+145.126下沙大桥2002127+3232+127单箱室27重庆渝澳大桥200196+160+96单箱室28徐水河大桥2005110+2200+110单箱室29葫卢河特大桥90+3160+90单箱室30洛河特大桥90+3160+90单箱室1.2.3连续刚构桥的发展趋势从目前国内、外连续刚构桥梁发展情况看，未来连续刚构桥发展趋（1）跨径可进一步加大国外已经建成主跨跨径达301m的斯
21、托尔玛（Stolmasund）桥，我国也建成了主跨为270m的虎门大桥辅航道桥，可以预期在不久的将来连会取得跨度上的新突破。（2）上部结构不断轻型化高强轻质、具有良好耐久性的混凝土上世纪60年代后就在国外应用并取得了成功。斯托尔玛桥和阿夫特桥均采用了轻质混凝土，采材料减轻上部结构自重也是桥梁向大跨径迈进的必由之路。（3）简化预应力束类型大吨位锚固张拉系统，更多样化的预应力束以及更完善的布置方式多的在连续刚构桥中得到应用。（4）高墩大跨刚构桥增多随着我国西部开发战略的实施，西部的交通运输网络必将大力发展区，公路沿线地形变化复杂，地貌起伏大，架设在陡坡深谷之间的高将日益增多，连续刚构桥因其力学的合
22、理性、与山区环境的协调性、等特点，有着广阔的应用前景，随着高等级公路建设的发展，高墩大跨刚构桥必然增多。1.3连续刚构桥研究的内容随着高等级公路建设的发展，高墩大跨连续刚构桥日益增多，但其建设经研究资料还相应较少，设计和施工中需要解决问题还很多，如：高墩的特柔结构的影响、特高桥墩合理的结构形式、施工中的稳定性分析与施工控制的与方法等。目前该桥型还需要进一步研究的技术内容主要有以下几点：（1）研究薄壁空心高墩的柔度、风载、变形、日照、扭曲对上部结构的，对结构进行优化设计，以确定合理的桥墩形式和尺寸；（2）研究薄壁空心高墩的施工稳定性、悬浇施工的稳定和全桥墩的稳定，确定适用跨径和合理墩高；（3）研
23、究高墩刚度及风载对上部结构的影响。大跨高墩连续刚构桥采用空心墩时，不同高度的墩身将对上部结构产生不同的影响。此外，随着薄壁的增高，墩身的纵、横向迎风面积逐渐增加，也将对下部结构产生明显的不响。分析研究这些影响因素对整个桥梁结构的安全运营有十分重要的意义；（4）研究薄壁空心高墩施工与上部主梁悬浇施工的控制及保证措施，记录各方面的资料，以便补充或完善设计文件。因此，本课题的研究具有明显的实用价值和重要的工程意义，是十分必要的。1.4本文研究的主要内容结合xxx大桥施工控制实践，介绍了高墩大跨连续刚构桥悬臂施土线形控制理论在土程实践中的具体实现。通过对主梁在三个阶段（即立模阶段、混凝土浇筑后阶段和预
24、应力张拉阶段）实测挠度值和理论计算值的对比分析，总结出主梁挠度变形规律。针对xxx大桥高墩大跨的特点，对预应力等效荷载法在高墩柔性结构中的应用及施土临时荷载和温度效应对该桥型线形控制的影响进行了深入分析，得出了若干有益的结论，为同类桥梁的设计与施工积累了施工经验。第2章桥梁结构的施工控制理论2.1桥梁结构施工控制的重要性19世纪中期以前，桥梁一般采用有支架施工。在整个施工过程中，主梁处于无应力状态。对桥梁的主梁来说，有支架施工是最简单、最可靠的施工方法。但是随着科学技术的发展，桥梁的跨度不断增大，尤其对跨越大江大河和峡谷的桥梁，若仍然采用有支架施工施工方法，将变的非常概念困难，甚至是不可能。随
25、着钢铁工业的发展，19世纪中期，美国等国家修建了为数不多的连续桁梁，在建设和使用过程中，由于温度变化和墩台沉陷等影响，尤其是多次超静定结构，设计理论非常复杂，使连续钢桁梁的应用受到影响。后来在连续梁中采用铰构造，把连续桁梁转化为静定的悬臂桁梁，从此悬臂桁梁获得广泛应用。悬臂桁梁的出现解决了当时设计上的困难，在施工中采用悬臂法架设桁梁，其施工阶段的应力状态与营运阶段的应力状态一致，给悬臂施工即无支架施工方法提供了有力的理论依据，使悬臂施工得以广泛采用。与此同时，悬索桥以它固有的结构特点，使它在19世纪及20世纪中期成为大跨度桥梁采用的唯一桥型。当时美国修建的悬索桥最多，其中纽约布鲁克林桥(Bro
26、oklyn Bridge，建于1869-1883，跨径486m)最为有名。悬索桥的修建给工程界缆索吊机施工方法很大启发，以致长达100多年始缆索吊机终为一个可靠的主要吊装工具，并成功地应用于梁桥、拱桥的无支架施工中。20世纪70年代，随着预应力混凝土工艺的完善，尤其是后张法的发明，使用于桥梁上的预应力混凝土工艺更加成熟。德国工程师率先采用悬臂浇注混凝土修建预应力混凝土连续梁桥，为至今仍然采用的悬臂浇注混凝土连续梁、T型刚构、连续刚构、斜拉桥等无支架施工方法奠定了基础。桥梁施工控制技术 向中富编着大跨度桥梁施工一般采用分阶段逐步完成的施工方法，在分段施工中，桥梁结构一般由梁段的钢结构或混凝土构件
27、组成，借助紧固件或预应力钢筋将梁段连成整体。与桥梁整体施工法相比，桥梁结构分段施工是指桥梁结构的主要受力构件是由称之为梁段的单个块件，按照预制或者现浇（混凝土梁桥）的方式分段连接成整体的施工过程。 分段施工最古老的形式是分段悬臂施工。悬臂施工的历史可以追溯到公元四世纪，位于日本光城的肖冈桥（Shogun）是有史以来最古老的一座悬臂桥。19世纪末，随着钢铁冶炼技术的发展，金属构件预制技术结合悬臂施工在许多桥梁中获得成功，例如著名的英国福思湾桥和加拿大魁北克桥。这些桥梁建筑物足以证明早期分段施工概念的成功运用。 现代混凝土桥梁的分段施工，得益于预应力技术的发展。法国预应力之父Freyssinet在
28、1945至1948年间率先在预应力混凝土桥梁中采用预制分段施工方法，并在巴黎附近的马恩河上先后架起了五座采用预制分段施工的预应力混凝土桥。此后不久，德国工程师Finsterwald在建造跨越莱茵河的Worms桥时，首创预应力混凝土悬梁桥挂篮浇注的分段施工新技术，并使预应力混凝土梁式桥首次突破100m跨度。1952年，继采用悬臂拼装方法修建跨越莱茵河的三跨预应力混凝土桥梁后，悬臂拼装施工体系很快在德国得到广泛的应用。从1950年到1965年的15年间，欧洲建成了300多座跨径在76m以上的悬臂施工混凝土桥梁。至此，分段施工方法开始在世界其它地方盛行。 我国在桥梁分段施工方面起步较晚。20世纪50
29、年代初期，我国开始在桥梁结构中采用预应力混凝土工艺，建造了相当数量的中小跨径预应力混凝土简支梁桥， 20世纪50年代中期，悬臂施工方法从钢桥施工引申到混凝土梁桥施工，从而使预应力混凝土悬臂梁桥、预应力混凝土T形刚构桥和预应力混凝土连续梁桥得到了很大的发展。葛耀君.分段施工桥梁分析与控制 近几十年来，现浇或预制分段施工工艺己经在世界范围内得到了迅速的发展，成为主要的施工方法。分段施工方法的采用，使得施工控制逐渐成为了桥梁施工中不可缺少的重要部分。对于大跨径连续刚构桥，从基础施工到通车运营，主要经历了下部施工、主梁悬臂施工、全桥合拢及桥面系施工等环节。尽管按照现有较为成熟的理论可以方便地求出主梁各
30、施工阶段的变形值及预拱度，但结构的实际变形却未必能达到预期结果，主要是由于各种因素的直接或间接影响，如设计计算所采用材料的弹性模量、设计强度、混凝土的收缩徐变系数、截面尺寸及施工荷载等，与实桥工程所表现的相应参数不完全一致，或施工中不可避免的立模误差、测量误差、预应力张拉观测误差等，使得实际桥梁在施工过程中的每一状态不可能与设计状态完全一致，结构的受力及变形过程表现为非平稳的随机过程。上述偏差随连续刚构悬臂的不断伸长而逐渐积累，如不加以控制和调整，主梁标高将显著地偏离设计目标，造成合拢困难，并影响成桥内力和线形。桥梁施工控制即是对施工中的重要环节及过程进行监测与控制，以保证施工过程结构处于安全
31、状态，以及根据结构的实际状态，对利用各种测试及监测手段获取的数据进行跟踪修正计算，给出后续各施工阶段的标高及内力反馈数据，用以指导和控制施工，保证桥梁线型和内力符合设计要求。对小跨度简单桥型，采用开环控制即可起到很好的效果；对于大跨度桥梁，必须及时纠正实际施工状态与设计理想状态之间的误差，需要采用反馈控制或自适应控制方法，才能使线型和内力最大限度地接近设计理想状态。反馈控制或自适应控制都是建立在结构已施工部分的大量实测值基础之上，这些实测值包括各块段应力、标高及温度等。对实桥进行及时有效地监控，不仅可以避免施工过程中的不安全因素，而且可以为丰富设计理论、完善施工技术以及保证施工质量提供可靠的技
32、术保障。结构的应力(包括混凝土应力、钢筋应力等)监测是施工监控的主要内容之一，它是施工过程的安全预警系统。连续刚构桥结构某指定点的应力，随着施工的推进，其值不断变化。在某一时刻的应力值是否与分析(预测)值一致，是否处于安全范围是施工控制必须关心的问题，解决的办法就是进行监测。一旦监测发现异常现象，就应立即停止施工，查找原因并及时处理。总之，大跨径预应力连续刚构桥的设计与施工高度耦合，且设计与施工状态的差异在所难免，因此，必须对施工过程的结构内力和变形进行监测，对有关控制参数加以调整和控制，以保证成桥状态最大程度地接近设计期望。2.2桥梁施工控制内容桥梁施工控制的任务就是对桥梁施工过程实施控制，
33、确保在施工过程中桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，成桥状态(包括成桥线形与成桥结构内力)符合设计要求。桥梁施工控制的目标可以分为两个部分：成桥状态总目标和施工过程中的分目标，各个目标必须包括应力状态和线形状态。对于采用了挂篮悬臂施工的高墩大跨预应力连续刚构桥，如果在施工过程中不采取严格的监控手段，将无法保证工程质量和安全，有时甚至可能造成严重事故。对于分节段悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续刚构桥来说，施工控制就是根据施工监测所得的结构参数实测值进行施工阶段计算，确定出每个悬浇节段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测的成果进行误差分析，对下一节段立模标高进行预测和调整，以此来保证施工
34、过程中桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，使得合拢段两悬臂端标高的相对偏差不大于规定值，最终成桥后的桥面线形以及结构内力状态符合设计要求。施工标高控制过程是一个复杂的预拱度控制过程，施工阶段的标高状态必须根据施工模拟计算所得的挠度反向确定。桥梁施工控制围绕上述控制任务而展开，不同类型的桥梁，其施工控制工作内容不一定完全相同，但从总体上来看，均包括下列几个方面。2.2.1几何(变形)控制桥梁施工控制技术 向中富编着不论采用什么施工方法，桥梁结构在施工过程中总要产生变形(挠曲)，并且结构的变形将受到诸多因素的影响，极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置(立面标高、平面位置)状态偏离预期状态
35、，使桥梁难以顺利合龙，或成桥线形与设计要求不符，所以必须对桥梁施工过程实施控制，使其结构在施工中的实际位置状态与预期状态之间的误差在容许范围内，保证成桥线形状态符合设计要求。线形控制分为两个方面:一是平面线形控制，即控制桥梁轴线在平面上的走向符合设计要求，这对于直线梁桥相对容易，而对于弯梁桥，则必须进行结构分析，通过采用适当的方法才能做到；二是竖向线形控制，一般是在梁体同一个截面的表面上选取若干个点，通过控制这些点的标高来实现对线形的控制，同时也可以控制扭曲。竖向线形必须符合设计要求，如果竖向线形控制不好，不仅仅造成合拢困难，而且由于强行合拢，还会使得梁体内力分布不合理，预应力筋偏角增大，甚至
36、桥面纵向产生起伏，影响桥梁外观，严重的话，导致运营过程中梁体的某些截面的荷载超过设计要求。桥梁施工控制中的几何控制总目标就是达到设计的几何状态要求，最终结果的误差容许值与桥梁的规模、跨径大小、技术难度等有关，目前还没有统一规定，需根据具体桥梁的施工控制需要具体确定。同时，为保证几何控制总目标的实现，每道工序的几何控制误差允许范围也需事先研究、确定出来。2.2.2应力监测桥梁施工控制技术 向中富编着桥梁结构在施工过程中以及在成桥状态的受力情况是否与设计相符合是施工控制要明确的重要问题。通常通过结构应力的监测来了解实际应力状态，若发现实际应力状态与理论应力状态的差值超限就要进行原因查找和调控，使之
37、在允许范围内变化。结构应力监测的好坏不像变形控制那样易于发现，若应力监测不力将会对结构造成危害，严重者将发生结构破坏。所以，它比变形控制显得更加重要。必须对结构应力实施严格监控。对应力监测的项目和程度还没有明确的规定，需根据实际情况确定。2.2.3.稳定控制 桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全，它与桥梁的强度有着同等的甚至更重要的意义，世界上曾经有过不少桥梁在施工过程中由于失稳而导致全桥破坏的例子，最典型的为加拿大的魁北克桥，该桥在施工中由于悬臂端下弦杆的腹板屈曲而发生突然崩塌坠落。我国四川州河大桥也因悬臂体系的主梁在吊装主跨中段时承受过大的轴力而失稳破坏。因此，桥梁施工过程中不仅要严格控制
38、变形和应力，而且要严格地控制施工各阶段结构构件的局部和整体稳定。桥梁施工控制技术 向中富编着 目前，桥梁的稳定性己引起人们的重视，对于施工过程中的稳定计算也有一些学者进行研究。但由于施工过程中可能出现的失稳现象还没有可靠的监测手段，尤其是随着桥梁跨径的增长，受动荷载或突发情况的影响，还没有快速反应系统，所以，很难保证桥梁施工安全。为此，应建立一套完整的稳定监控系统。目前主要通过稳定分析计算（稳定安全系数），并结合结构应力、变形情况来综合评定、控制其稳定性。 桥梁的稳定安全系数是衡量结构安全的重要指标，但现行规范中尚未详细列出不同材料的不同结构在不同工况下的最小稳定系数。对此，有待今后完善。 施
39、工中，除桥梁结构本身的稳定性必须得到控制外，施工过程中所用的支架、挂篮、缆索吊装系统等施工设施的各项稳定系数也应满足要求。2.2.4安全控制 桥梁施工过程中安全控制是桥梁施工控制的重要内容，只有保证了施工过程中的安全，才谈得上其它控制与桥梁的建成。其实，桥梁施工安全控制是上述变形控制、应力监测、稳定控制的综合体现，上述各项内容得到了控制，安全也就得到了控制(由于桥梁施工质量问题引起的安全问题除外)。由于结构形式不同，直接影响施工安全的因素也不一样，在施工控制中需根据实际情况，确定其安全控制重点。2.3桥梁施工控制方法桥梁工程的施工控制是现代控制理论于桥梁工程相结合的必然产物，并且随着控制论的发
40、展和桥梁工程的发展而逐步发展。随着桥梁结构形式、施工特点及具体控制内容的不同，其施工控制方法也不相同。总的来说，桥梁施工控制可分为开环控制法、闭环控制法、自适应控制法等，这三类也是桥梁施工控制的主要方法。2.3.1开环控制 对于跨径不大，结构简单的桥梁结构，一般总是可以在设计计算中按照桥梁结构的设计荷载精确计算出成桥阶段的结构理想状态，并且根据各个施工阶段的施工荷载估计出结构的预拱度，在施工过程中只要严格按照这个预拱度进行施工，施工完成后的结构状态就基本上能够达到结构理想状态的几何线形和内力状况。因为在这种施工过程中的控制作用是单向前进的，并不需要根据结构的实际状态来改变原来设定的预拱度，因而
41、被称为开环控制方法。由于这个系统不考虑结构状态方程的误差和系统量测方程的噪声，因此又称为确定性控制方法。实质上，早期桥梁施工中预设拱度的方法已经无意中贯彻了工程控制论中的开环控制思想，尽管当时并没有认识到这一点，仍然无法抹杀工程控制论在桥梁施工控制中所起的重要作用。葛耀君.分段施工桥梁分析与控制 2.3.2闭环控制 对于跨径大、结构又复杂的桥梁体系，尽管可以在设计计算中精确计算出成桥状态和各个施工阶段的理想结构状态，但是由于施工中的结构状态误差和测量系统误差的存在，随着施工过程的进展误差就会累积起来，以致到施工完毕式，代表实际状态的几何线形和内力状况远远偏离了结构理想状态，这就要求在施工误差出
42、现后，必须进行及时的纠正或控制。虽然结构理想状态无法实现了，但可以按照某种性能最优的原则，使得误差已经发生的结构状态达到所谓的结构最优状态。因为这种纠正的措施或者控制量的大小是由结构实际状态(计入误差)经过反馈计算所确定的，这就形成了一个闭环反馈系统，因此称为闭环控制或反馈控制；由于这个控制系统中出现了结构状态误差和系统量测误差，因此又称为随机性控制系统。如果说开环控制在桥梁施工中的应用完全是无意的，那么闭环控制则完全是桥梁工程师有意将其引入到桥梁分段施工中来的。多年以来，国内外桥梁工作者对闭环控制方法的应用进行了深入的研究，并且在大量的工程实践中取得了成功。 闭环控制方法在桥梁分段施工控制应
43、用已经有20多年历史了。早在20世纪80年代初期，日本较早地在建筑施工中尝试以微机为中心的监控系统，实时量测施工控制所必须地挠度、应力和温度等参数，并采用计算机进行实时处理。到了80年代中期，随机性控制方法在桥梁分段控制中的应用已经在一部分国家开始。从80年代末期开始，桥梁分段施工中的闭环控制方法开始在全世界范围内逐步形成，其中尤其以日本桥梁工程界发展最快。80年代后期，日本桥梁专家K. Maeda等人在横滨海湾大桥钢斜拉桥主桥的施工控制中，根据反馈控制原理建立了拉索索力施工控制图，其控制目标包括主梁标高、主梁斜角、桥塔垂直度、拉索索力等； 90年代初，日本在东神户大桥的钢斜拉桥主桥施工中，也
44、采用了类似的反馈控制方法，并用现场计算机工作站进行实际结构分析、最优控制计算和成桥结构状态预测几何线形和内力状况预测；1996年，HS. Chiu等人介绍了一种混凝土连续梁桥长期挠度控制的系统方法，其原理就是反馈控制。我国在桥梁闭环控制研究方面起步稍晚，但无论是工程项目的数量还是实际工程控制的效果都是有目共睹。1983年，上海市政工程设计院林元培在上海柳港斜拉桥的施工中，首次采用卡尔曼滤波法（Kalman）对施工合龙阶段索力和标高进行终点控制调整，尝试了桥梁结构分段施工中的误差调整和控制方法。我国“七五”计划期间，交通部专门立项进行大跨度桥梁施工控制研究，取得了一些理论成果。到了90年代，随着
45、我国大跨度桥梁建设高潮的到来，出现了一个工程控制理论及应用方法研究的热潮，闭环控制方法在桥梁分段施工控制中的应用研究覆盖了连续梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等几乎所有桥型，并形成了一套切实可行的闭环控制方法，为90年代后期结合参数识别的闭环控制方法和自适应控制方法的实施创造了条件。葛耀君.分段施工桥梁分析与控制 2.3.3.自适应控制虽然闭环控制方法能够通过控制作用，消除由模型误差和量测噪声所引起的结构状态误差，但是这种随机性控制方法只是在施工误差产生以后，用被动的调整措施减少已经造成的结构状态误差对最终结构状态的影响。分段施工中实际结构状态达不到各个施工阶段理想结构状态是误差生成重要原因之一，并
46、会使系统模型结构有限元模型中的计算参数（例如截面几何特性、材料容重、弹性模量、混凝土收缩徐变等）与实际参数之间有偏差。如果能够在重复性很强的分段施工特别是悬臂施工中，将这些可能引起结构状态误差的参数作为未知变量或者带有噪声的变量，在各个施工阶段中进行实时识别，并将识别得到的参数用于下一个阶段的实时结构分析、重复循环，这样经过若干各施工阶段的计算与实测磨合后，必然可以使系统模型参数的取值趋于精确合理，使系统模型反映的规律适应于实际情况，从而主动降低模型的参数误差，然后再对结构状态误差进行控制，这就是自适应控制的基本原理。自适应控制系统构成如图2.1所示。图2.1自适应系统构成与闭环控制方法相比，自适应控制方法的最大特点就在于模型参数估计和参数误差修正。通过参数估计法修正后的模型参数，重新计算各个阶段的结构理想状态，并用闭环反馈的方法对结构状态进行控制。经过若干个施工重复工况的反复识别后，计算模型与实际结构基本上相吻后。日本学者在这方面进行了比较深入的研究。20年代90年代初，Kawasaki公司的Sakai等人较早提出了比较完善的桥梁施工控制系统。该系统分为两