大跨度桥梁施工控制技术方法研究

来源:用户上传      作者: 段宗军

　　[摘要]随着我国交通事业的快速发展,桥梁跨度越来越大,施工难度也增大。对大跨桥梁实施施工过程控制,是确保施工质量和安全的重要环节,有着重要的现实意义。因此,结合工作实践分析其施工控制方法,研究其施工控制体系。
　　[关键词]大跨桥梁过程控制体系
　　中图分类号:TU-0文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120095-02
　　
　　一、引言
　　
　　桥梁施工过程本身是一个完善的系统工程,桥梁施工的过程也就是系统的运行过程。在桥梁施工过程中,结构的安全性和理想的成桥状态就是该系统所要达到的目标――桥梁施工控制的目标。对于这样一个复杂的系统,要达到这样的目标,仅通过事后检查是无法实施的。所以,必须对桥梁施工过程这个系统的运行进行实时控制,只有这样才能保证目标的实现。尤其对于大跨度桥梁,更是如此。
　　
　　二、大跨度桥梁施工方法
　　
　　随着科学技术的进步,施工机具、设备和建筑材料的发展,桥梁上部结构施工技术方法到今天已得到了迅速发展,发生了重大的变革,形成了多种多样的施工方法。总的来讲,根据施工中有无支架可以划分为:有支架施工和无支架施工两大类方法。
　　
　　(一)有支架施工方法
　　有支架施工方法分为落地支架、拱形支架和移动支架。落地和拱形支架可以由常备式钢构件组成,配合就地灌筑法,在支架上完成模板架立、钢筋绑扎、混凝土灌注,预应力张拉等作业。此施工方法对机具和起重能力要求不高,多用于中小跨度的混凝土梁桥;但支架用料较多,成本较高,工期较长,不适于深水或通航情况。
　　在有支架施工过程中,为了保证桥梁建成后的线形符合设计要求,施工时需要在支架上设置预拱度,这实际上就是一种简单的施工控制方法。由于有支架施工方法适用的桥梁跨度较小,施工工艺相对简单,影响施工精度的因素也小,由施工控制不力而产生的不良后果也不明显,从而使人们忽视了它的重要性。
　　为承重支架(析架式或实腹式)配备纵向移位系统、支承系统以及起吊设备,就可形成移动支架。对配备了模板系统,并采用逐跨现浇混凝土施工的移动支架,习称为移动模架。因为移动支(模)架可以在桥位处逐段(或逐孔)拼装(或现浇)预应力混凝土梁桥,今统称之为造桥机。在采用移动模架施工时,先让模架就位,然后立模板,浇混凝土并养生,再拆模,张拉力筋,然后前移模架,修建下一跨。因其需在施工时需承担梁跨结构的自重,移动模架造桥机一般仅适用于跨度不超过60m的长桥。
　　
　　(二)无支架施工
　　无支架施工指在施工过程中不需要借助支架或者仅需要少量辅助性支架的施工方法。无支架施工法采用自架设体系借助于吊装设备施工,桥梁上部结构进行整体或分段(拼装或现浇)施工。对桥梁的分段施工,后续梁段依靠先期完成的梁段结构作为支撑,即施工中不靠支架而靠自身结构进行施工。它体现了“化整为零,集零为整”的特点。这种施工方法在大跨度斜拉桥、悬索桥、连续梁桥、拱桥等桥型的施工中得到灵活应用。无支架施工法主要有悬臂施工法、转体施工法、顶推法和整体吊装法(架桥机法)等。
　　1.悬臂施工法
　　悬臂施工法网是指桥墩顶开始,两侧对称(或不对称)地分段形成梁体节段,直至全桥完成。按混凝土是现浇还是预制,此法可分为悬储灌注法和恳竹拼装法。前者的梁段悬臂接长是采用挂篮,在桥位处就地灌注节段混凝土,待混凝土达到一定强度后,张拉力筋,前移挂篮,继续下一梁段的施工。后者的梁段接长则是采用吊机,吊装预制梁段就位,再张拉力筋,继续下一梁段的施工。悬臂灌注法广为应用,但对跨度不大于l00m,相同孔跨多的情况,为压缩施工周期,也可采用移动支架和平衡悬臂拼装法。
　　2.转体施工法
　　转体施工是20世纪40年代以后发展起来的一种架桥工艺。转体施工是在河流两岸适当位置,利用地形或使用简便支架将半桥预制完成,之后旋转桥梁构件,分别将两个半桥转体到桥位轴线位置合龙成桥。根据旋转的方式不同,又分为水平转体、竖直转体和平竖结合转体。目前该方法已应用到拱桥、梁桥、斜拉桥等不同桥型的施工中。
　　3.顶推施工法
　　对预应力混凝土梁桥,顶推施工lz]是在沿桥纵轴方向的后台设置预制场地,分节段预制,并用纵向预应力筋将预制节段与施工完成的梁体联成整体,然后通过千斤顶施力,将梁体向前推出预制场,之后再继续进行下一节段的预制顶推。顶推法施工,主要用于等高度梁桥(包括钢析梁)的施工中。
　　
　　三、桥梁施工控制的必要性
　　
　　(一)补充设计的需要
　　一般设计文件中所提讲的控制数据是基于理论的设计参数和假定的施工方法给出的;因此,当施工条件发生变化时,这些数据也需要随之修正,否则就难以满足施工实际的需要。施工控制不但能起到补充设计和辅助指导施工的作用,更重要的是对影响施工目标实现的各种因素的研究、监测及有关问题的解决。
　　
　　(二)施工过程的需要
　　大跨度桥梁的形成需要经过一个复杂的过程,当跨度进一步增大时,分段数目也就越多,悬臂长度也就越大,在施工过程中遇到的问题也越多。这些方面的问题,如果不能及时有效地处理,不仅会对结构受力不利,而且可能会使主梁线形不顺畅以致影响行车。为了解决好这些问题,最好的办法就是对施工全过程实施实时控制,控制主梁应力和变形误差处于容许范围内,使全桥施工完成后达到规定的成桥状态。
　　
　　(三)结构本身特性的需要
　　对高次超静定桥跨结构(多跨连续梁或连续刚构,或斜拉桥),其成桥的梁部线形和结构恒载内力与施工方法有着密切的关系,也就是说,不同的施工方法和工序会导致不同的结构线形和内力。
　　
　　(四)加强设计与施工联系的需要
　　现行的设计体系与施工体系的结合并不十分紧密。一方面,设计工程师并不直接参加施工,他们熟悉先进的结构设计理论,能进行理沦分析计算,但却并不十分关注桥梁的建造技术,因此,他们可能更加注重结构在主要施工阶段和运营阶段的性能,而忽略了某些特殊施工阶段的受力情况。另一方面,现场施工人员比较熟悉施工方法,但对施工阶段存在的问题,一般只做一些简化的理论分析和计算,不能很深入地理解设计师的意图,这样就可能造成了设计与施工相脱离的现象。为了解决这种矛盾,把设计和施工两者有机地联系起来,就需要有既懂设计理论又懂施工的人从中进行联系,一方面复核设计理论计算,一方面指导施工。施工控制人员就正是这样的一个群体,他们需要具备较丰富的施工经验和较强的理论分析能力,起到为设计分忧,为施工解难的目的。
　　
　　四、施工控制方法
　　
　　(一)开环控制
　　在这种施工控制方法中,控制是单向的,并不需要根据结构的反应来改变施工中的预拱度和内力。在各构件的制造和安装精度较高,或者结构安装误差的影响不大时,这种方法是简单可行的,大部分中小桥采用的都是这种方法。
　　
　　(二)反馈控制
　　对于较复杂桥型,由于实际施工状态和计算状态之间存在差异,随着桥梁跨度的增大、结构复杂程度的增加,在每个施工阶段的积累误差将不可忽略,否则到施工结束时结构的线形和内力将较显著地偏离理想的成桥状态。在出现误差之后就必须及时地纠正,而纠正的措施和控制量的大小是必须由误差经反馈计算所决定的,这就形成了一个闭环反馈控制过程。
　　
　　(三)自适应控制
　　对某一工况,以前的累计误差已经被调整掉,由于计算模型中参数差距的存在,以后的施工中仍然会出现新的误差,因此又需要新一轮的状态调整,这样将大大增加施工的工序。这时就需要根据实际情况,采取自适应控制方法。

　　
　　(四)综合方法
　　除了上述的三种控制方法之外,还有其他的一些控制方法,如最优控制、模糊控制、专家系统控制等。随桥梁结构形式、施工特点及具体控制内容的不同,其施工控制的方法也不尽相同。一般而言,大跨度桥梁均需采用多种方法并行的综合方法进行施工控制。具体地说,就是通过参数识别修正计算模型,预测控制每一施工阶段的状态,并根据设计施工规范结合实际情况确定最大容许误差。
　　参数识别修正是指在控制开始阶段,在进行施工控制计算时,若控制体系的某些设计参数与实际情况有出入,需要借助现场测试体系,进行参数估计、识别和修正,使控制计算结果与设计基本相符,与实际情况吻合。预测控制法是桥梁施工控制的主要方法,其在考虑影响桥梁结构状态的各种因素和控制目标设定的基础上,对每一施工阶段的结构状态(内力和变形)进行预测,使施工沿着预定状态进行。预定状态与实际状态之间存在误差,其对控制目标的不利影响则在后续若干施工阶段的预测中予以考虑。在分析误差、建立安全预警机制时,当根据设计要求、工艺水平和相关的施工和制造规范,按照最大宽容度法,确定一套合理可行的容许误差度指标体系。
　　
　　五、大跨度桥梁施工控制中需要注意的问题
　　
　　(一)影响施工控制的主要因素分析
　　与斜拉桥、悬索桥不同,连续梁和连续刚构桥的已完成梁段具有不可控性,在施工中对误差的纠偏措施很有限,一般只能针对下一梁段的施工做出有限的调整。因此,为了实现控制的目的,就必须首先全面了解影响控制误差的主要因素,以便预先对施工过程进行有效控制。
　　
　　(二)物理参数识别
　　参数识别理论在机械领域的发展相对较为成熟,但在土木工程中则遇到了困难。机械领域的参数测量一般比较恒定,其准确性也较高;而土木工程就不一样,其环境因素影响很大,尤其对于混凝土结构影响因素更多,一些微小的变化都会导致监测量的变化,这给施工监测与安全评估带来困难。事实上,在很多情况下,实际的物理参数与设计所采用的参数都存在差异,这也就导致设计计算结果与实际结构的真实状态有差异。
　　
　　(三)悬臂施工挠度预测
　　连续梁桥、连续刚构桥施工控制是:施工-量测-识别-施工的循环过程。正如第一点所说,连续梁桥已完成梁段具有不可控性,而只能针对已有误差在下梁段的立模标高予以适当的有限的调整。所以,要保证控制目标的实现,最主要的就是根据已完成梁段挠度变形的分析做出尽可能准确的预测,以此达到控制成桥线形的目的。
　　
　　(四)传感器的选择和优化布置
　　传感器是施工控制中的关键因素之一。由于传感器、二次仪表及磁盘等的费用,一般只能使用有限个传感器。一种好的传感器布设方案就需做到:在含噪声的环境中,能够利用尽可能少的传感器获取较全面、较精确的结构参数信息。实际上,要达到上述目的,传感器的选择和测点的布设,需要做出细致分析和优化
　　
　　(五)新型仪器的研制
　　测量仪器设备的精度不足,测量通讯信号受噪声干扰,外界环境适应性差,这些都制约着施工控制的发展。要改变这种局面,目前应当开发具有智能、数字网络化的新型的传感仪器。这个问题需要多学科协同合作攻关才能解决,最后达到大桥的智能控制的目的。
　　
　　参考文献:
　　[1]向中富,桥梁施工控制技术,北京:人民交通出版社,2001.
　　[2]胡汉舟,桥梁事故及经验教训,桥梁建设,2002.
　　[3]马保林,高墩大跨连续刚构桥,北京:人民交通出版社,2001.

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