大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术

孙启祥1吴杰1刁琥2

孙启祥1吴杰1刁琥2

（1.宁波市斯正项目管理咨询有限公司，浙江，宁波，315000）

（2.浙江新中源建设有限公司，315000）

【摘要】根据有限元理论计算和施工过程中对主梁挠度和线形的测量，使用人工神经网络等控制理论进行高程偏差调整和预测，综合确定主梁施工预拱度。借助预埋钢弦传感元件，测试主梁混凝土应变，分析测试应变中温度等诸多影响因素，确定实际结构的真实应力，为大跨度预应力混凝土桥梁的安全施工和合理成桥状态提供技术依据。

【关键词】市政桥梁；预应力混凝土

引言

在桥梁施工过程中，必须对施工预拱度、主梁梁体内的应力等进行严格的施工控制。目前施工控制方法主要有三种：一是采用纠偏终点控制法；二是应用现代控制理论中的自适应控制法；三是设计时给予主梁标高和内力最大的误差容许值控制法。

1、桥梁结构的理论计算

分析桥梁结构的理论计算通常用有限元素法进行分析，主要是对各节段施工工况下的相应截面的应力、位移进行分析，作为监测和施工控制的依据。目前桥梁施工控制的结构计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。一般而言，以正装计算结果作为应力监测的依据，以倒装计算结果作为预拱度控制的依据。

2、主梁线形测量

2.1墩顶测量和基准点的设立

利用大桥两岸大地控制网点，使用后方交汇法，用全站仪测出墩顶测点的三维坐标，将墩顶标高值作为主梁高程的水准基点。每一墩顶布置一个水平基准点和一个轴线基准点，做好明显的红色标识，每月至少进行一次联测。

2.2主梁挠度、轴线和主梁顶面高程的测量

在每一节段悬臂端梁顶设立2～4个标高观测点和一个轴线点。测点用短钢筋或钢板预埋，并用红色油漆标明编号。标高用水准仪进行测量，根据各节段施工次序，每一节段按三种工况(即浇筑混凝土后、张拉后和挂篮前移后)对主梁挠度进行平行独立测量，相互校核。轴线使用全站仪和钢尺等进行测量，采用测小角法或视准法直接测量其前端偏位。

2.3主梁立模标高的测量

一般地说，底板底模板选三个特征位置，顶板底选六个特征位置较适宜。用精密水准仪测量立模标高，立模标高的测量应避开温差较大的时段。施工单位立模到位，测量完毕后，监理单位对施工各节段的立模标高进行复测，监控单位不定期进行抽测。

2.4同跨两边对称截面相对高差的直接测量和多跨线形的通测

当两边施工节段相同时，对称截面的相对高差可直接进行测量和分析比较。当施工节段不同时，对称节段的相对高差不满足可比性，此时，可选择较慢的一边最末端截面和较快的一边已施工的对应截面作为相对高差的测量对象。在测量过程中，同一对称截面可测多点，根据其横坡取其平均值，可得到对称截面的对应点的相对高差。除保证各跨线形在控制范围内外，主梁全程线形应定期或不定期进行通测，确保全桥线形的协调性。

2.5结构几何形状测量结构几何形状的测量

主要包括:主梁上下表面的宽度、腹板厚度、上盖板和下底板的厚度、主梁截面高度以及主梁施工节段的长度等。监控单位采用抽查的方式，不定期地进行测量。

3、线形控制原理与技术

3.1预拱度控制

主梁悬浇段的各节段立模标高可按下式确定[1]Hi=H0+fi+(-fi预)+f篮+fx(1)式中:Hi为待浇筑段主梁底板前端底模标高；H0为该点设计标高；fi为本施工段及以后浇筑的各段对该点的影响值；fi预为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值；f篮为挂篮弹性变形对该施工段的影响值；fx为由徐变、收缩、温度、结构体系转换、二期恒载、活载等影响值。上述各参数在有限元倒向分析基础上，根据实测信息，对计算预拱度进行调整和预测，确定最佳预拱度。传统的误差调整方法主要有卡尔曼(KALMAN)滤波法、灰色系统、最小二乘法等。

3.2预拱度

指令预拱度是主梁线形控制的主要参数，也是决定主跨和边跨能否顺利合拢，应力分布是否合理的关键。施工预拱度指令，一般由监测监控单位拿出方案，经设代组计算审核后，桥梁专业监理工程师签字才能组织施工。施工预拱度指令除保证其合理性、科学性外，下达时间应保证施工的连续性和及时性。

4、主梁结构应变测量与应力分析

4.1控制截面选择对于连续梁、T型和连续刚构梁桥，主梁在悬浇施工中各截面的应力随工况的不同，同一截面上下表面的应力也不断变化。主梁在悬浇过程中可按静定结构考虑控制截面，悬浇完成后结构体系转换，此时应按超静定结构考虑控制截面，再加上二期恒载的影响，控制截面可选在0#块根部、L/8、L/4、3L/8、L/2、合拢段等处。在这些截面内布置传感元件，进行应力测试和施工控制。在每一截面内，随截面形状的不同，布置传感元件的数量和位置也不同。

4.2布点时间

在主梁钢筋布置基本就绪、混凝土浇筑之前，在控制断面预埋传感元件，并做好相应的防护工作。对于预应力混凝土梁桥，主要是测试和控制桥梁结构纵向应力。因此，布点时，传感元件沿纵向(桥的里程或桩号方向)布置，用铁丝捆扎在主梁纵向钢筋的上(下)缘。

4.3传感元件测试原理及其应变测量

混凝土应力测试传感元件类型较多，目前通常使用钢弦应变计，其测试效果较好。钢弦传感器应变与频率间的关系通常是以标定表和折线图的形式给出的，用二次曲线或三次曲线进行最小二乘拟合，便能得到较好数学表达式。

5、测试应力的影响因素

5.1钢弦元件初值设定时机

钢弦应变计埋设后，在混凝土泵送过程中，将承受各类影响读数的非混凝土应力的因素，为此需在混凝土初凝时刻设定应力初值。而初读数的时机把握是相当困难的。如果该时机把握不好，混凝土未承载时钢弦已反应出的应力就不能及时排除，主梁测试应力将小于(大于)实际结构真实应力。

5.2温度影响

事实上，日照下混凝土主梁上表面近20cm范围内的温度梯度很大，温度分布极不均匀，而其它部位的温度分布趋于均衡。主梁顶面温度升高时，应沿纵向膨胀，但受到腹板及底板的约束而不能自由延伸，而结构的最终变形与混凝土主梁内的温度分布密切相关。

5.3应变滞后性测试

数据表明，预应力混凝土的应变具有滞后性。预应力索张拉完后，由于种种因素的影响，应变在主梁各截面的传播速度随施工节段的不同而各异。当预应力索较短、管道较畅通时，应变的滞后性不明显。当预应力索较长、管道不太畅通时，各截面应变的滞后性与张拉端的位置有关；靠近张拉端的截面与索较短时的情况比较接近；远离张拉端的截面，应变的滞后性十分明显。

5.4混凝土干缩、徐变的影响和剪滞效应

总之，对于混凝土应变的长期测量而言，要获取准确的机械应变，消除徐变干缩的影响是必不可少的。在竖向载荷作用下，主梁应力存在剪滞效应。由于翼板存在剪切变形，弯曲应力在截面横向是不均匀的，这种效应随上下缘翼板的宽度而变化，翼板愈宽，梁高愈低，剪滞效应就愈突出。

6、结语

（1）通过监测与施工控制，施工工艺参数更具合理性，为合理成桥状态提供技术依据。

（2）有限元理论计算和施工线形测量相结合，使用人工神经网络等控制理论进行高程偏差调整和预测，能得到合理的施工预拱度，使桥梁的线形控制在或接近设计线形。

（3）借助现代测试技术，对实际结构进行测试，分析测试应变中温度等诸多影响因素，能掌握实际结构的真实应力，通过结构应力分析，发现可能出现裂纹的部位，对那些应力不足或危险截面采取补救措施，防患于未然。