1、.大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术向木生工,张世飘“,张开银,沈典栋 “,沈成武(1.武汉理工大学交通学院,湖北武汉 430063: 2.湖北省汉,高速公路指挥部湖北十堰 441000湖北省公路局科研所,湖北武汉 4300tH)摘要:根据有限元理论计弄和施工过程中对主梁挠度和线形的刚量,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,则试主梁混凝土应变,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:公路桥梁;预应力混凝土;施工拉制技术中图分类号:U44ti. 35
2、文献标识码:AControl technique for construction of long span prestressed concrete bridgeXIANG Mu-sheng,ZHANG Shi-biao,ZHANG Kai-yin,SHEN Dian-dong,SHEN Cheng-wu(I. School of Communications, Wuhan Universiry of Technology, Wuhan 430063, China;2. Hanshi Freeway Construction Headquarter of Hubei Province. Sh
3、iyan 441000, Chin.,3. Highway Science Research Institute of Highway Bureau of Hubei Provinre. Wuhan 430000. China)Abstract: According to theoretical calculation of finite element method, deflection and alignmentsurvey of main beam of the bridge in construction, elevation deviation is adjusted and fo
4、recastedby control theory of artificial neural network, construction camber for main beam is determined Steel string strain sensors are located in main beam in advance, concrete strain of main beam of the bridge is tested. By the analysis of some infection factors for tested strain, true stress of a
5、ctual structure can be determined. The control technique can provide background data forconstructing safely and deciding the reasonable finished dead state of the total structure of long span prestressed concrete bridge。Key words: highway bridge; prestressed concrete; control technique for construct
6、ion0 引言桥梁结构设计时,参数的选取(如材料特性,密度,截面特性等), 施工状况的确定(施工荷载,混凝土收缩徐变,预应力损失,温度,湿度,时间等参数)和结构分析模型等诸多因素的影响,以及混凝土材料的非均匀性和不稳定性,大跨度预应力混凝上连续梁, T 型刚构,连续刚构等梁桥施工过程中结构的实际状态与设计状态很难完全吻合.因此在桥梁施工过程中.必须对施工预拱度,主梁梁体内的应力等收稿日期 2001-12-20基金项目:湖化省自然科学)F 金项 to (2001 A13B0a4 )作者简介:向术牛日 961男, 湖北嘉仇人,武汉理工人学俐教授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
7、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,工学硕士第 4 期向木生,等: 大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术倒装分折法和无应力状态计算法.正装计算法能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程,得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,同时,能较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩,徐变等问题.对于大跨度预应力混凝土桥梁首先必须进行正装
8、计算施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程(倒装计算法) 来进行结构行为计一算和子以确定只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工,才能使桥梁的成桥状态符合设计要求.无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础,将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来,这种方法特别适用于大跨度拱桥和悬索桥的施工控制量,采用测小角法或视准法直接测量其前端偏位.视准时,将轴线后视点引主过渡墩,用远点控制近距离点在主梁顶面混凝土高程测量过程中,同一截面侧 2-4 点,根据其横坡取其平均值,这样可得到主梁顶面的高程值.同时,在不间工况下,山观察得到的主梁挠度(反拱) 变化值
9、,与给定立模标高(含预拱度)立模的高程值,也可得到主梁顶面的高程值 ,两者比较后,可检验施工质量。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,顶板底模板选六个特征位置较适宜,如图 1 所示.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.施工单位立模图土 t 梁武面立模标 r4 侧点在进行有限元分析时 ,根据其结构特点建模 .一到位,测量完毕后,监理单位对施工各节段的立模标高。般地说,大跨度预应力混凝土梁桥可按空间(平面) 梁单元进行分析 .在选用计算分析软件时,应考虑工程应用的方便,选用国内外有相当声誉的正版结构有限元分析软件包(如桥梁博士,八 NSYS,CO
10、SMOS, SUPSAP,GQJS 等) 进行计算与分析 ,这些软件有很好的前后处理功能.结构载荷应包括:混凝土自重 ,挂篮自重及钢筋,人员和设备的重量,挂篮移动各施工阶段的施工荷载,同时考虑二期恒载的重力;预应力索张拉力; 温度荷载 ,风荷载及与结构的形成过程中有关的荷载,如混凝土的收缩徐变等.这些荷载能引起结构的附加变形和应力.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,用全站仪侧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
11、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且在每一节段悬劈端梁顶设立 2-4 个标高观测点和个轴线点.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 a.相互校核.轴线使用全站仪和钢尺等进行测高进行复测,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盆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
12、一边最末端截面和较快的一边已施 T 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,L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卜式确定 11,=If,+关+(一 J.X )!Jm 十 f, (1)式中:11 为待浇筑段主梁
13、底板前端底模标高;11.为该点设计标高;f,为本施工段及以后浇筑的各段对该点的影响值;大 iA 为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值;fm 为挂篮弹性变形对该施工段的影响值;f,为由徐变,收缩,温度,结构体系转换,二期恒载,活载等影响值。中国公路学报 2002 年上述各参数在有限元倒向分析基础仁,根据实侧信息,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 ill 这些方法在桥梁施工控制应用中取得了一些成效。近年来,人工神经网络,遗传算法等智能 M 方法,乙国外得到了大力发展和应用,国内亦在逐步推广之中.运用这
14、种方法于主梁预拱度预测中,既克服了灰色理论 GM (1, N)输人参数单一的缺点,又改进了卡尔曼(KALMAN )滤波法中仅能考虑输入与输出的线性关系的不足,建立了输入与输出之间的多参数,非线性的映射关系.。人工神经网络由于有连续函数表现定理,选用图 2 所示的 3 层网络,输人层和输出层有与网络输人变址 L (I 二 1,2,I, )及输出变量 00z=1,“, N)相应的 1 和 N 个神经愉入层险层钧出层图 2 3 层 BP 网络元,而隐层取 M(M=27.十 1)个神经元 .神经元的传递函数 F 通常选用SIGMOID 函数 t,即 F(二) 二 1/(1+e)(2)网络输出以.的值域
15、为 (0,1),故需对样本的期望输出0 作归一化处理.通过一定数量样本的网络训练(自学习) 过程 ,实际是确定最适宜的权系数w;和 w,使其输出 0,.与期望输出已.的 2 次残差 F.达到 “:刀, 叨众 卜告 J 鑫(.一.)-min (3)选择合理的权系数,天.和.允的最优化过程由 BP 算法完成 ,而且在“(w%,wr) 一艺 10-0, 8()一 1,2“,J) (4)得到满足时,网络自学习终止采用神经网络方法,对实际发生的桥面标高偏差进行预测时,可取影响标高偏差的因素(即神经网络的输人变量) 为: 时间;混凝土弹性模量;测fit 温度了(C);张拉截面,讨论截面的主梁高度(m);及
16、其两截面至“T“构中心的距离(m);理论计算的张拉后标高变化值 W (n1),共计 8 个参数.样本的期望输出自然取标高偏差 AW(m).即 lip网络的输人层神经元数 L=8,而输出层 N=1.由于样本的期望输出为测 ki 标高,实际值难免包含某些随机因素和误差,神经网络具备有对这类样本的鉴别能力,因此具有鲁棒性.网络的输出并非要求严格地等于各样木的期望输出,而是通过网络学习,寻求对全部样本数据均有较好响应的非线性映射关系。3.2 预拱度指令预拱度是 L 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
17、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)JR . f 期恒载的影响,控制截面可选在.“块根部,L/S,L/4,37“/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如某大桥
18、主梁为箱型截面,传感元件的布置可按图 3 所示进行(“于“表示传感元件).图 3 主梁双室,单室截面传感器布置 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 T.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且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
19、达式.如型号为 JXH 2,规格为 30 MPa 的混凝土钢弦应变计,应变与频率间的关第 1 期向木生,等:大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术系为 E = tobf:时的徐变应变;E,(t)为收缩应变;E, (1)为温度应变;.为测量系统应变误差由于测试应变巾含有非混凝土应变的分量,在计算混凝土的应力时必须予以铲除或进行应力修正这些因素主要表现在初值设定,漂移,徐变,温度等方面5. 1 钢弦元件初值设定时机钢弦应变计埋设后,在混凝上泵送过程中,将承受各类影响读数的非混凝土应力的因素,为此需在棍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
20、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 温度影响温度变化时,若预应力混凝土主梁无约束自由伸展,则埋人其中的钢弦应变计也会随同变形由于温度的影响,钢弦丝的应变和自振频率均将发生改变由.e - I pl,f-r I E,知,温度引起的应变增 m 为 dE,_zdjE, l 因此,混凝上主梁结构的实际应变为乓实一 Ex la 一(,)(10)然后再由式(6)确定混凝土结构的应力.事实上,日照下混凝土主梁上表面近 0 Cnl 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
21、构的最终变形与混凝土主梁内的温度分布密切相关.一般来说,主梁顶板相对腹板及底板的抗拉刚度来说要小得多,整个悬臂土梁的下挠变形并不太大,主梁 r_缘应力增大 ,下缘应力减小或基本不变 .钢弦受主梁的约束而弦丝在温度作用下的应变发生了改变,约减少 a, At(其中 aK 为弦丝的热膨胀系数,It 为温升),有 2E,df气.沼一一了一(I1)此时,主梁顶板处的钢弦应变计附加了由混凝土主梁产生的温度应变,而主梁上缘的实际若以主梁结构施下 9 个月工期考虑,蠕变使得测试应变累计偏小约 12pa;而温漂视环境温度升高还是降低相应修正(加或减 )测试应变约 3. 0 p,/10C.5.3 应变滞后性测试数
22、据表明,预应力混凝土的应变具有滞后比预应力索张拉完后,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 混凝土千缩,徐变的影响和剪滞效应无论在多低的应力状态卜,混凝土也会产生徐变.在恒定应力和被测点与周围介质湿度,温度平衡条件下,随时间增加的应变称为基本徐变.如果在被测结构干燥过程的同时,施加了载荷,通常认为徐变和干缩是可以叠加的.边干燥边承受载荷测得的徐变大于基本
23、徐变的代数和.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,消除徐变干缩中国公路学报 2002 年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,这种效应随上卜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.5 其它因素的影响混凝土的弹性模量随其龄期“变化,且逐步达到其设计值,如果不能准确测量钢筋混凝土实际弹性模 ht,主梁实际结构的弹性模量与按规范取值存在一些差别.此外,钢弦的质量(即元件的稳定性,重复性)对测量数据有影响 .排除这些影响因素 ,测试的结果才具有可靠性.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(4)收集施工和成桥试验全过程的信息 ,为桥梁结构理论,桥梁科学研究和发展奠定基础参考文献:L 门李国平 .预应力混凝土结构设计原理M 万.北京人民
