支架施工预应力混凝土斜拉桥参数误差分析与调整方法

辛建忠

辛建忠

中铁二十三局集团第三工程有限公司四川成都611130

摘要：为了确保支架施工的PC（预应力混凝土）斜拉桥施工过程安全，线形、应力与索力达到设计的要求，建立支架施工三维空间的有限元分析模型，利用最小二乘法对支架施工过程中影响PC斜拉桥状态的结构状态参数（挠度与应力）误差进行分析，对主要设计参数进行敏感性分析后，进行设计参数误差识别和调整，通过PC斜拉桥的施工过程进行分析和各施工阶段状态进行控制，PC斜拉桥在支架卸架之后线形、应力与索力与设计值偏差在允许范围，主梁的线形与设计值偏差为1.39mm，塔顶偏位和设计值差1.7mm，索力与设计值差5%以内，主梁最大压应力为-8.78MPa，所有截面处于受压状态。研究结果表明，最小二乘法在支架施工的PC斜拉桥施工过程中的参数误差调整中取得良好的效果，能为其他类似工程施工控制提供借鉴与参考。

关键词：最小二乘法；PC斜拉桥；支架施工；误差分析；参数识别

Parametererroranalysisandadjustmentmethodofconcretecable-stayedbridgewithsupportconstruction

XINJian-zhongChinaRailway23thBureauGroupNo.3EngineeringCo.,Ltd,Chengdu,Sichuang,611130;

Abstract:InordertoensuretheconstructionprocesssafetyofPC(prestressedconcrete)cable-stayedbridgebysupportconstruction,alignment,stressandcableforcemeetthedesignrequirements,three-dimensionalspacefiniteelementanalysismodelofsupportconstructionwasbuilt,thestructuralstateparameters(deflectionandstress)erroranalysiswhichinfluencePCcable-stayedbridgestatewasmadebyusingtheleastsquaremethod,sensitivityanalysisofmaindesignparameterswasmade,designparametererrorwasidentifiedandadjusted,throughtheanalysisofconstructionprocessandtheconstructionphasestatecontrolofPCcable-stayedbridge,afterbracketofPCcable-stayedbridgewasunloaded,thedeviationofalignment,stress,tensionwithdesignstateisinallowedrange.Thealignmentdeviationofmaingirderwithdesignparameteris1.39mm,thedeviationofthetopofthetowerwithdesignvalueis1.7mm,thedifferencebetweencableforceanditsdesignvalueislessthan5%,themaximumcompressivestressofmaingirderis-8.78MPa,allsectionsareincompressionstate.Theresultsshowthat,goodresultswereachievedbytheleastsquaremethodintheparametererroradjustmentofPCcablestayedbridgeconstructionprocess,whichcanprovidereferenceforothersimilarengineeringconstructioncontrol.

Keywords:Theleastsquaremethod;PCcable-stayedbridge;Supportconstruction;Erroranalysis;Parameteridentification

0引言

预应力混凝土（PC）斜拉桥具有造型美观、受力明确和跨越能力强等众多优点，在我国城市交通网上大量建设[1-5]，在PC斜拉桥的施工中几何线形、拉索索力和结构内力的控制十分重要。目前PC斜拉桥上部结构主要的施工方法为挂篮悬臂现浇法和支架现浇法，均需要通过结构计算分析确定桥梁结构的理想状态，但实际状态往往存在一定的误差，给各个节段的状态预测带来较大的影响，这些误差主要有各种材质以及结构物界面尺寸等方面的设计参数误差和施工过程中产生的施工误差等。为此，我们对这些参数误差导致实际状态与理想状态的差异进行分析，识别出引起误差的参数，通过参数的调整对施工各个阶段理想状态进行预测与评估[6]。

大跨度桥梁不同的施工方法，监测与控制的内容方法也不同，在桥梁上部结构施工全过程中，结合周边环境因素对其施工中的状态进行实时监测，通过对监测数据的整理分析，对误差进行识别、调整、预测，使桥梁施工过程中的实际状态趋于理想状况，确保施工安全，最终满足设计和施工规范要求[7-9]。PC混凝土斜拉桥各种施工方法的控制也不相同，本文根据支架施工方法，建立PC斜拉桥的施工阶段分析模型，并通过现场实测应力、挠度和索力对施工过程进行控制。

1支架施工PC斜拉桥参数误差

1.1参数误差及产生原因

由于支架施工PC斜拉桥的现场环境复杂、各种设计参数误差和测量误差的存在，使得结构的实际状态并不能与理想状态吻合。各种误差的客观存在，更加说明误差监控分析系统的重要性，通过桥梁结构设计值和实际监控值的差异分析比较，确定切实可行的方案，指导现场施工，使桥梁结构实际施工状态尽可能的趋于理想状态，并可提前对下一节段的实际施工状态进行预估，通过对各个阶段方案的预测、调整以达到成桥状态接近于理想状态的目的。对桥梁结构状态有影响的主要设计参数为：结构几何形态参数、截面特征参数、与时间相关的参数、荷载参数、材料特性参数[10]。

1.2参数误差的敏感性分析

各个设计参数能够影响桥梁结构状态的程度各有不同，因此将之分为主要设计参数和次要设计参数。针对桥梁结构的状态，影响程度大的为主要设计参数，影响较小的称为次要设计参数。结构设计参数的敏感性分析步骤如下：

（1）锁定单个设计参数对象，仅对其变化取值，单次的调整幅度均控制为设计值的5%，合计取值5次，分别计算1.1倍的设计值至0.9倍的设计值区间；

（2）针对预应力混凝土斜拉桥，选择成桥状态下关键截面的挠度、应力、索力和支架反力等作为其观测目标，计算在5次参数值变化后对应的数据变化。

（3）通过对结果综合分析，根据影响程度确定主要设计参数和次要设计参数。

2参数误差分析方法

主要设计参数的正确误差估计，将误差值量化，根据估计结果对原来的设计参数值进行修正。参数估计的常见方法有：线性最小方差准则、影响矩阵识别法、极大似然准则、卡尔曼参数估计法以及最小二乘估计法。其中最小二乘法在工程建设中得到普遍应用，本文采用此方法进行参数误差的分析。

2.1最小二乘法

为了更直观的简述最小二乘法准则在设计参数估计方面应用，具体选择挠度这个设计参数来举例说明。

首先选择某一施工阶段的主梁为对象，取m个关键截面位置，实测其挠度、应力和索力等结构状态参数

3.2施工监控方法

支架施工PC桥主要监控内容：支架监测及刚度确定；立模标高；线形监控，包括主梁和主塔；应力监控，包括主梁和主塔；索力监控。

3.2.1施工过程分析的有限元模型

在实施监控工作时，利用迈达斯（MIDAS/Civil）建立计算分析模型。在进行软件模拟分析时，设定条件为各节段离散为梁单元，塔梁连接处采用固结，主塔下锚区为固定支座，两端部为活动支座，支架采用节点弹性支撑模拟，待主梁边跨合拢施工完成后，桥面系施工前，全部施工支架拆除，最后索力二次调整。计算模型共划分成248个单元，其中主梁划分成138个单元，主塔结构划分成70个单元，斜拉索单元为40个只受拉单元。

主桥施工共分14个阶段，分别为：（1）主塔下塔柱施工阶段；（2）浇筑MS0段混凝土阶段；（3）主塔施工及M1、S1张拉阶段；（4）浇筑M1、S1段梁及斜拉索M2-4、S2-4张拉阶段；（5）浇筑M2、S2段梁及斜拉索M5-7、S5-7张拉阶段；（6）浇筑S3、S4、M3段梁及斜拉索M8、M9、S8、S9张拉；（7）浇筑M4、M5梁段及斜拉索M10、S10张拉；（8）成桥后索力调整；（9）拆除MS0梁段支架；（10）拆除M1，S1梁段支架；（11）拆除M2，S2梁段支架；（12）拆除M3梁段支架；（13）拆除M4，M5，S3、S4梁段支架；（14）桥面铺装。灵峰大桥阶段划分见图1，应力监测截面布置见图2。

图1灵峰大桥节段划分图图2应力监测截面布置

[2]杨学祥（编译）.波兰瑞兹恩斯基大桥设计[J].世界桥梁.2015，43（1）：1-6.

YANGXue-xiang（compile）.ThedesignofPolandRuiziensijiBridge[J].WorldBridges.2015，43（1）：1-6.

[3]李翠霞，张巨生.广西贵港西南大桥主桥设计[J].桥梁建设.2015，45（1）：103-107.

LICui-xia，ZHANGJu-sheng.DesignofMainBridgeofXi’nanbridgeinGuigangCity[J].Bridgeconstruction.2015，45（1）：103-107.

[4]江雄.赤石特大桥主梁合龙方案研究[J].桥梁建设.2016，46（1）：117-121.

JIANGXiong.StudyofClosureSchemesformaingirderofChishibridge[J].Bridgeconstruction.2016，46（1）：117-121.

[5]胡盛，杨华振，罗嗣碧等.海南铺前大桥总体设计[J].桥梁建设.2016，46（1）：94-99.

HUSheng,YANGHua-zhen,LUOSi-bi,etc.OveralldesignofPuqianBridgeinHainan[J].Bridgeconstruction.2016，46（1）：94-99.

[6]贺志高，王娟.混凝土斜拉桥施工监控方法研究[J].公路交通科技（应用技术版）.2013，2：161-163.

HEZhi-gao，WANGJuan.Researchonconstructionmonitoringmethodofconcretecablestayedbridge[J].Highwaytransportationtechnology(ApplicationTechnologyEdition).2013，2：161-163.

[7]郭素城.支架施工的预应力混凝土斜拉桥施工监控研究[D].南宁：广西大学硕士学位论文（导师：谢开仲）.2013.

GuoSu-cheng.Constructionmonitoringofprestressedconcretecablestayedbridgewithsupportconstruction[D].Nanning:MasterDissertationofGuangxiUniversity(Tutor:XieKaizhong).2013.

[8]谢开仲，韦立林，李海.钢管混凝土拱桥健康监测系统研究[J]，广西大学学报(自然科学版)，2009，34(2):127-130.

XIEKai-zhong，WEILi-lin，Li-hai.ResearchonbridgestructurehealthmonitoringsystemforCFSTarchbridge[J]，JournalofGuangxiUniversity(NaturalScienceEdition)，2009，34(2):127-130.

[9]梅晓亮.断索对异型斜塔预应力混凝土斜拉桥的承载力影响分析[J].公路交通科技（应用技术版）.2016，3：310-312.

MEIXiao-liang.Analysisofcablebreakonbearingcapacityofspecial-shapedtowerprestressedconcretecable-stayedbridge[J].Highwaytransportationtechnology(ApplicationTechnologyEdition).2016，3：310-312.

[10]宋涛，宋一凡，贺拴海，文锋.基于索梁权矩阵的矮塔斜拉桥索力优化[J].武汉大学学报（工学版）.2016，49（2）：259-263.

SongTao，SongYi-fan，HeShuan-hai，etc.Optimizationforcableforceofextradosedcable-stayedbridgebasedoncable/girderweightmatrix[J].EngineeringJournalofWuhanUniversity（EngineeringEdition）.2016，49（2）：259-263.