大跨径连续刚构桥施工控制与混凝土裂缝及改进措施

PAGEPAGE76大跨径连续刚构桥施工控制研究与混凝土裂缝分析及改进措施展 稼目摧录知H雀Y诵P雁E额R荒L周I山N病K兽胆\免l督柄"殖_主T凤o趣c宋2礼3辣3吉2艰9筋8长5慕9牺5床"姜摊目凉录菊 俊I脱H希Y吹P慧E休R躲L度I孝N漠K灯杠\蜓l须托"女_扶T壮o葱c昌2博3豆3赴2喝9喘8校5疤9复6毛"法滤摘拨要待 样i耗H过Y傅P宿E建R咱L梨I活N陡K资帖\贿l姿江"干_尖T角o棕c献2莫3洁3耻2掌9弱8瓦5励9单7尾"啦览A灶b精s证t书r拳a今c僵t恩 转i窑i穷H寇Y捡P义E请R搞L应I牌N愿K样危\酷l旅捐"据_宫T柱o父c惩2若3绝3腾2吃9章8屑5刚9峡8摇"应傅第紧一虾章续奖绪捕论痛 暴1竞H迁Y奥P灾E晒R夜L任I悟N钟K脆挽\厘l煎夕"妖_裤T睡o爆c迈2性3穴3兄2耀9隶8蓝5辱9素9喊"嗓拜1跟.惧1坚课季题单背诸景狡 岔1吼H遇Y岂P数E忌R椅L魔I惜N叠K博偿\须l蚕翼"疑_赔T袋o层c观2奶3子3赴2窜9恩8班6臂0创0座"坑工1吵.各2葬大显跨狐桥典梁谁施剂工诉控秤制华和缠箱恭梁幕混摊凝蝶土取裂丰缝凭的升研丢究检现漆状局 丘4芬H贞Y讽P藏E素R摄L持I逗N郑K安爪\茶l谈职"朋_病T是o令c思2南3犹3嫌2刻9姑8概6继0嚼1注"欠触1列.刃3钉本备文枕主缓要旋研焦究则的挖内绿容阁 透8再H枪Y菠P述E娱R似L荒I受N门K著笔\拘l够糠"伐_理T兵o更c嗓2奴3吐3劈2咸9牲8趟6蹄0喘2得"递研第包二欧章尺遵桥纯梁呜施跃工肆控刮制汽系折统妙的侦建增立塘与插实惕施耐 加9壳H特Y羽P吩E俭R醋L招I堤N兰K耻师\来l唤作"寒_巩T景o铁c层2准3肝3希2某9泥8猛6痕0歼3拣"白区2顾.而1油桥汉梁件施炊工钟控贩制腔的联任宰务兔和恐工理作斥内疲容胖 稠9若H阔Y笔P犬E跟R有L榆I婶N蛾K颗爪\愧l戒品"求_汽T翼o拥c稳2己3蹦3杀2信9滤8统6岭0盏4贡"趴厅2吉.驳1苏.排1缠几揉何羞(税变呀形读)渐控举制蛋 转9剩H萝Y娱P百E谁R浊L慌I剧N灶K染骨\绍l虏符"吸_防T役o备c显2姓3举3典2循9蜡8率6够0说5翅"隙抵2分.惰1掉.间2畏应尾力烤控紫制顷 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不确定因素的影响，这些因素包括设计计算、材料性能、施工精度、荷载、大气温度等诸多方面在理想状态与实际状态之间存在的差异，施工中如何从各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实的值，如何对施工状态进行实时识别、调整和预测，这些对设计目标的实现至关重要。上述目标的实现过程即称为施工控制。随着所修建桥梁跨径的增大和施工技术的发展，在近年来的桥梁建设中，人们已普遍认识到施工控制在施工技术中的重要地位与作用。桥梁施工控制是确保桥梁施工宏观质量的关键。衡量一座桥梁施工宏观质量的标准就是其成桥状态的线形以及受力情况是否符合设计要求。对于采用多工序、多阶段施工的大跨径桥梁，如果不采取有效的施工控制措施，成桥线形和结构内力的最终状态往往不能符合设计要求。同时，大跨桥梁施工控制又是施工过程中保证结构安全的主要措施。因此，为了按期、安全地建成一座质量高、外形美的桥梁，施工控制是必不可少的。现代混凝土桥梁的分段施工，得益于预应力混凝土技术的发展。法国预应力之父Freyssinet在1945年至1948年间率先在预应力混凝土桥梁中采用了预制分段施工方法，并在法国巴黎附近的马恩河上先后架起了五座采用预制拼装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臂梁桥挂篮悬浇的分段施工新技术，并使预应力混凝土梁式桥首次突破100m跨度。1952年，继采用悬臂拼装施工方法修建了跨越莱茵河的三跨预应力混凝土桥后，悬臂拼装施工体系很快在德国得到了广泛的应用。从1950年到1965年的15年间，欧洲建造了300多座跨径在76m以上的悬臂施工预应力混凝土桥梁。至此，分段施工方法开始在世界其他地区盛行。系统地实施桥梁施工控制的历史并不长，最早较系统地把工程控制论应用到桥梁施工管理中的是日本[2]。桥梁施工控制技术在国外得到了广泛重视。20世纪80年代初，日本修建日夜野预应力混凝土连续梁桥时，就建立了施工控制所需的应力、挠度等参数的观测系统，并应用计算机对所测参数进行现场处理，然后将处理后的实测数据送回控制室进行结构计算分析，最后将分析结果返回到现场进行施工控制。上述方法也是国外传统的施工监控方法。到80年代后期，日本在修建Chichby斜拉桥和Yokohama海湾斜拉桥时，成功地利用计算机联网传输技术建立了一个用于拉索索力调整的自动监控系统，实现了施工过程中实测参数与设计值的快速验证比较，对保证施工安全和精度，加快工程进度起到了决定性的作用。我国在现代桥梁施工控制技术方面的研究相对起步较晚，但发展迅速。1982年建成的上海柳港大桥首次根据现代工程控制论的基本思想，有效地进行了主梁挠度和索塔水平位移的施工控制[2]。上世纪80年代后期，对斜拉桥施工监控技术进行了全面的研究，并取得了很大的理论进展和实践成果[3]。紧接着又对悬索桥、拱桥、连续刚构桥等的施工控制技术展开了研究与实践，并都取得了一定的进展[4][5][6]。20世纪90年代初期，灰色系统理论和预测控制理论开始应用于斜拉桥的施工控制中，并提出了斜拉桥施工的灰色预测控制理论[7]，应用该系统在对广西南宁市岂江三桥、湖北武汉江汉四桥等斜拉桥的施工控制中取得了较好的效果。灰色系统理论在大跨径连续刚构桥施工控制中的应用也进行了初步的研究[5]，但是，应用的效果如何还没有明确的结论。在国内，灰色系统理论在预应力混凝土连续刚构桥施工控制中的应用还处在研究的初期阶段，而预测控制理论在其上的应用还极少见于文献报道。如何将灰色系统理论更好地应用于桥梁施工控制中，还需要做大量的研究工作。国外对预应力混凝土箱梁开裂原因进行系统分析和总结出现在20世纪70～80年代，其中最具代表性的是Jr.WalterPodolny的总结。他对由于设计与施工导致的预应力混凝土箱梁的各种裂缝成因进行了详细剖析，其主要观点为：（1）预应力混凝土箱梁开裂的主要原因：=1\*GB3①结构抗弯抗剪能力不足；=2\*GB3②温度应力没有考虑；=3\*GB3③对由于钢束曲率导致的混凝土应力注意不够；=4\*GB3④施工方法不合理；=5\*GB3⑤施工工艺不能确保满足结构不出问题的容许偏差要求；=6\*GB3⑥材料强度不足；（2）开裂成因很难归结为单一的开裂机理，单一一种开裂原因并不能导致开裂，开裂往往是几个因素叠加在一起的结果；（3）预应力混凝土箱梁很难避免开裂，因为不但存在混凝土的局部收缩等不可控因素，而且箱梁也不是每个部位都是三向受压的，应主要考虑控制对结构安全有危害的裂缝。在国内，由于20世纪80年代末到90年代中期修建的大跨度预应力混凝土箱梁桥不同程度地出现了结构性的开裂问题，特别是底板开裂问题，使得桥梁相关管理、设计和研究单位都对这一问题给予了极高的关注。1998年中交公路规划设计院对预应力混凝土连续梁、连续刚构的开裂成因进行了研究，其主要成果表现在：（1）通过13个省的交通厅对19座桥梁的开裂情况进行了罗列；（2）通过假设的计算算例，采用经典平面计算理论计算了竖向预应力、纵向预应力、梁高、腹板厚度、空跨布置、剪力滞、畸变应力及温度梯度模式对开裂的影响；（3）依据调查和计算的情况定性的对部分开裂成因进行阐述。尽管国内外许多专家对此进行过不少研究，但由于情况复杂，影响因素多，绝大多数研究属于探讨性，单一原因讨论的多，符合因素谈论的少，定性的研究多，定量的研究少，连续刚构桥梁开裂问题始终没有得到彻底解决。1.2大跨桥梁施工控制和箱梁混凝土裂缝的研究现状施工控制的目的是使成桥线形和结构内力的最终状态符合设计要求，并且确保桥梁施工过程中的结构安全。然而在实际施工中，桥梁的实际状态与理想状态总是存在着一定的误差，用什么样的理论和方法去分析这些误差，以及如何调整这些误差，是施工控制应该解决的主要问题。从现代工程学角度出发，可以把桥梁施工看作一个复杂的动态系统，运用现代控制理论，根据结构的理想状态、实测状态和误差信息进行误差分析，并制定可调变量的最佳调整方案，指导施工现场调整作业，使结构施工的实际状态趋近于理想状态。大跨度桥梁施工控制采用的理论和方法主要有:设计参数的识别和调整、最小二乘法、Kalman滤波法和灰色理论法。在大跨度桥梁施工控制中，设计参数误差是引起施工误差的主要因素之一。对于设计参数误差的调整就是通过量测施工过程中实际结构的行为，分析结构的实际状态与理想状态的偏差，用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的主要设计参数的误差，经过设计参数误差的调整来控制桥梁结构的实际状态与理想状态之间的偏差，使结构的成桥状态与设计尽可能一致。设计参数的误差调整包括三个方面内容，首先确定引起桥梁结构偏差的主要设计参数，其次就是运用相应理论和方法来识别这些设计参数误差而得到设计参数的正确估计值，最后通过修正设计参数的误差使桥梁结构的实际状态与理想状态相一致。参数识别的计算通常采用最小二乘法。在国内，设计参数识别法已广泛应用于不同类型大跨度桥梁的施工控制中，如四川万县长江大桥、广东虎门大桥的施工控制都采用了参数识别法[2]。参数识别法一般均采用最小二乘法。最小二乘法是K,F.Cauess于1795年首先提出，并把它应用于天文计算的实践中。他指出，对于未知的但要求估计的参数的最适宜的值是最可能的值，他定义“未知量的最可能值是这样的一个值，它使得实践值与计算值的差的平方乘以测量精度后所求得的和最小”。后来，在控制系统的参数估计领域内也采用了这种方法。并且，在稳态系统数学模型的回归分析方面用得比较熟悉和广泛。20世纪60年代，瑞典学者K.J.Astrom把这个方法用于动态系统的辩识中，并取得了许多成果。最小二乘法在我国桥梁工程中的应用始于20世纪80年代后期，有许多学者将它应用于斜拉桥的施工控制并取得了较好的成果。文[8]根据施工过程中索力、挠度的实测值对设计参数(混凝土弹性模量、混凝土徐变收缩系数、构件自重等参数)进行最小二乘识别，然后、根据识别出来的参数对结构进行实时分析，对原有设计值进行校核和调整，重新给出标高和索力的施工控制值，借此而形成了一种比较实用的斜拉桥施工控制系统。卡尔漫波是美国学者R.E.Kalman于1960年首先提出的，他将状态空间的概念引入到随机估计理论中，把信号过程视为在白噪声作用下一个线性系统的输出，这种输入输出关系用状态方程来描述。这样所描述的信号过程不但可以是平稳的标量随机过程，而且可以是非平稳的向量随机过程。借助数字计算机发展的成果，将概率论和数理统计领域的成果用于解滤波估计问题，提出了一种新的线性递推方法。这种方法不要求贮存过去的观测数据。当新的数据被观测到后，只要根据新的数据和前一时刻的估计量，借助于信号过程本身的状态转移方程，按照一套递推公式，即可算出新的估计量。它被广泛应用于空间技术和工艺自动化系统。在桥梁施工控制中，一般用到的是离散线性系统的Kalman滤波法。Kalman滤波原理应用于桥梁施工控制领域始于20世纪80年代。在国内，Kalman滤波原理首先应用于斜拉桥的施工控制，利用卡尔漫滤波法分析了斜拉桥的施工控制问题[3]。在近20年里，Kalman滤波法主要集中应用于斜拉桥的施工控制中，从近儿年的工程实践来看，在多阶段悬臂施工的大跨度桥梁施工控制中，Kalman滤波原理可以用来预测和调整施工误差[2]。至于在设计参数识别和修正方面的应用，还只处于理论研究阶段，具体的工程实践未见报道。灰色系统论是我国邓聚龙教授于1982年首先提出的，他写的《灰色控制系统》是灰色系统理论的奠基性著作。灰色系统理论己广泛应用于农业、经济、医疗、生态、军事、交通、工艺控制、工程技术等许多领域[10][11]。上世纪90年代初，开始应用于大跨径桥梁的施工控制，文[9]灰色理论应用于斜拉桥的施工控制，提出了斜拉桥灰色预测控制系统。它是基于灰色系统理论和现代控制理论建立的灰色预测控制系统;它以系统行为数据为采集信息，按新陈代谢原理建立GM模型，预测未来的行为数据，然后将行为预测值与行为给定值进行比较，以确定系统的超前控制值;它具有使用简单，控制性能优越，适用范围广等优点。应用该控制系统对南宁邑江三桥，武汉市江汉四桥进行施工控制，取得较好的效果。国外在桥梁施工控制技术方面的研究和应用起步较早，众多发达国家己将施工控制纳入常规施工管理工作中，控制方法已从人工测量、分析与预报，发展到自动监控、分析预报、调整的计算机自动控制，并已形成了较完善的桥梁施工控制系统[2][12][13][14][15][16]。国内在桥梁施工控制技术方面的研究和应用较晚，开始主要集中在对斜拉桥的研究，与国外相比，差距主要表现在对桥梁施工控制的理论与实践研究还不够、监测手段落后、对影响施工控制的因素研究不透、预测和判断精度不高，还未建立起一套完善的施工控制技术系统和组织管理系统。因此，今后桥梁施工控制的研究工作主要是深入研究桥梁施工控制理论，研制更加合理、实用的控制软件以及更加方便、精确的监测设备，建立完善的桥梁施工控制技术系统和组织管理系统[17][18]。连续刚构桥一般均按A类预应力混凝土构件设计，即在正常施工和使用阶段是不允许出现裂缝的。但由于连续刚构桥跨径大，导致预应力体系复杂、张拉吨位大、箱梁高度高、混凝土体积大、结构受力复杂等问题。在施工过程中，随着悬浇梁段的不断增加，结构力随着结构体系、约束条件、温度变化及荷载作用的变化而不断变化。许多连续刚构桥梁在施工或使用过程中出现了不同程度的开裂现象。国内外针对钢筋混凝土箱梁截面裂缝的研究，归纳起来主要集中在以下四个方面:混凝土材料方面；设计理论方面，着重在剪力滞效应、施工图设计细节方面；施工技术及管理方面；对于桥梁营运、维护方面。但是，对目前箱梁裂缝研究的成果进行总结、分析，可以知道其主要成果有以下几点:(1)材料性质有关的因素裂缝产生与材料性质有关的因素有:①水泥反常凝结。如水泥或集料中含过量的有害物质如游离的SO3等，会引起随时间而增长的混凝土酥裂；②混凝土下沉离析，水泥浮浆，水泥干缩产生裂缝；③水泥的水化热。特别对于大尺寸构的构件，由于水泥水化热作用，使混凝土内部和构件表面温差过大；④骨集料中含泥。会随着混凝土的干燥而产生不规则的网状裂缝，并使混凝土的强度降低；⑤使用反应性的骨料或风化的岩石。如集料中含石灰石，在含石灰石所在处会引起混凝土爆裂；⑥混凝土的干燥收缩等。防止产生裂缝的主要措施应在施工时严格按标准或规范选用材料，要求选用恰当的配合比，采用正确的施工方法。在预应力混凝土连续箱梁中特别要注意水泥的水化热和混凝土的干燥收缩，这是常见产生非结构性裂缝的主要因素。(2)与施工方面有关的因素与施工方面有关的因素很多，例如：a．材料搅拌不均、分离;搅拌时间太长;采用泵输送增大了水泥量和用水量；b．浇筑顺序错误;浇筑速度过快;捣固不充分，混凝土振捣不密实；c．钢筋保护层厚度不足、乱踩己绑扎的上层锵筋;接缝处理不当，接缝强度折减；d．模板变形(模板刚度不够或模板上拱)；漏浆、漏水；e．脚手架下沉或局部失稳；拆模过早:结硬前振动或承受荷载；养护初期快速干燥；初期冻害，往往使构件表面出现裂缝和混凝土剥落等。施工因素产生裂缝与施工方法有关，在预应力混凝土连续箱梁中，特别要注意支架段施工、合拢段施工和体系转换过程中的施工，混凝土灌筑之后的养护也十分重要。(3)与使用和环境条件有关的因素与使用和环境条件有关的裂缝，同混凝土的质量和设计都有关，主要因素有：a．环境温度、湿度的变化;构件两面有温度、湿度差；b．内部钢筋生锈;酸盐等的化学作用；c．结冻等。对于预应力混凝土连续箱梁，主要是温度产生裂缝，尤其是日照的影响，是不能忽视的产生裂缝的主要因素。(4)与设计有关的因素与设计有关的因素也是多方面的，可以概括为以下几方面：a．结构或构造不合理;截面或配筋不足；b．结构物不均匀下沉；超载影响；偶然荷载影响等；对于预应力混凝土连续箱梁，结构或构造不合理是产生裂缝的主要因素，往往是局部应力和构造细节设计不注意。配筋不足也是一个重要因素，特别是非预应力配筋不足是影响裂缝宽度的主要因素。裂缝宽度本质上是裂缝之间受拉混凝土的拉伸变形和受拉钢筋的拉伸变形之差。与下列因素有关：a．受拉钢筋的拉应力愈大，裂缝宽度愈大；b．受拉钢筋直径愈粗(或钢筋直径d与配筋率之比b/u愈大)裂缝宽度愈大；c．裂缝间距愈长，裂缝宽度愈大；d．保护层愈厚，裂缝宽度愈大。(5)其它因素产生裂缝的其它因素，包括：a．对结构受力的复杂性认识不足；b．对规范的执行和理解认识不足等。预应力混凝土连续刚构箱梁桥，是一个复杂的空间受力体系，不仅在施工阶段结构体系不断变化，而且混凝土收缩、徐变等引起结构内力的重分布也是很复杂的。而目前规范，有很多重要的方面没有做详细的规定，比如剪切裂缝、扭曲裂缝。综合上述成果，在这些研究中存在的不足：(1)以往大量的研究工作多集中在正常使用阶段，而相对于建造阶段和老化阶段则考虑的较少。长期以来，不管是公路桥还是铁路桥，我们对设计和建造研究的多和深，而对检测和养护研究的不够深入。经过多年的使用，许多旧桥的实际健康状况已不能满足交通安全的需要。较好的发展趋势是，近些年来，我国工程界己经开始注重这方面的研究，并取得了很多有价值的科研成果，在工程中得到良好的经济和社会效益。(2)裂缝的研究和分析不仅仅与局部结构有关系，更重要的是和结构整体有关联。整体与部分是辩证统一的，整体具有部分所没有的新功能，部分影响整体，对整体具有反作用。裂缝虽然是由于桥梁的局部结构受力变化产生的，但是它的产生则影响着整个桥梁的受力变化。以前人们注重结构局部的计算精度，使其大大超过整体结构体系的计算精度，但综合到整体来说精度仍然不高。今后关注和研究的重点应该转到裂缝的计算、分析和整个结构及其耦合系统的综合分析与控制上。1.3本文主要研究的内容针对大跨径预应力混凝土连续刚构桥梁施工控制的现状，结合其箱梁底板开裂问题，本文以新寨河特大桥为工程背景，用桥梁博士对结构进行了详细的计算分析。本课题研究的主要内容可以概括为以下几个方面：1、基于灰色系统理论和现代预测控制理论，结合大跨径预应力混凝土连续刚构桥的施工特点，提出了预应力混凝土连续刚构桥施工的灰色预测控制系统，并在新寨河特大桥施工控制过程中验证了其有效性和实用性，保证了大桥施工控制的顺利进行。2、综合理论与实际调查结果，分析了导致预应力混凝土连续刚构桥开裂的设计缺陷、钢筋预应力、温度场、收缩徐变效应等影响因素。3、针对预应力混凝土连续刚构桥的现状，提出为防止该桥型出现裂缝而在设计、施工及运营养护中应注意的问题。第二章桥梁施工控制系统的建立与实施2.1桥梁施工控制的任务和工作内容桥梁施工控制的任务就是对桥梁施工过程实施控制，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，确保成桥状态(包括成桥线形与成桥结构内力)符合设计要求。桥梁施工控制围绕上述控制任务而展开，其施工控制的工作内容主要包括以下几个方面:2.1.1几何(变形)控制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，使桥梁难以顺利合拢，或成桥线形形状与设计要求不符，所以必须对桥梁实施控制，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之内和成桥线形状态符合设计要求。与桥梁工程质量的优劣需用其质量检验评定标准来检验一样，施工控制的结果也需有一定的标准，及误差容许值来评判。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，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，目前还没有统一的规定，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，确定下来。悬臂浇筑的混凝土梁允许偏差见表2-1。表2-1悬臂浇筑的混凝土梁允许偏差项次检查项目允许偏差（mm）1轴线偏位102挠度±203梁顶宽度±202.1.2应力控制桥梁结构在施工过程中以及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(计算)应力状态的差别超限就要进行原因查找和调控，使之在允许范围内变化。结构应力控制的好坏不像变形控制那样易于发现，若应力控制不力将会给结构造成危害，严重者将发生结构破坏，所以，必须对结构应力实施严格监控。对应力控制的项目和精度还没有明确的规定，需根据实际情况确定，通常包括：1.结构在自重下的应力(实际应力与设计相差宜控制在±5%)；2.结构在施工荷载的应力(实际应力与设计相差宜控制在±5%)；3.结构预加力；结构预加力除对张拉实施双控(油表控制和伸长量控制，伸长量误差允许在±6%以内)外，还必须考虑管道摩阻影响(对于后张结构)；4.温度应力，特别是大体积基础、墩柱等；5.其他应力，如基础变位、风荷载、雪荷载等引起的结构应力；6.施工中用到的对桥梁施工安全有直接影响的支架、挂篮、缆索吊装系统等的应力在安全范围内。2.1.3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的桥梁在施工过程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(Quebec)桥。该桥在南侧锚锭桁架快要架完时，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应力和变形，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。目前，桥梁的稳定性已引起人们的重视，但主要注重于桥梁建成后的稳定计算。对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。施工中，除桥梁结构本身的稳定性必须得到控制外，施工工程中所用的支架、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。2.1.4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，才谈得上其他控制与桥梁的建设，其实，桥梁施工的安全控制是上述变形控制、应力控制、稳定控制的综合体现，上述各项得到了控制，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，确定其安全控制的重点。2.2施工控制中的主要影响因素大跨径连续刚构桥施工控制的主要目的是使施工实际状态最大限度地与理想设计状态(线形与受力)相吻合。要实现上述目标，就必须全面了解可能使施工状态偏离理论设计状态的所有因素，以便对施工实施有的放矢的有效控制。2.2.1结构参数不论何种桥梁的施工控制，结构参数都是必须考虑的重要因素，结构参数是控制中的结构施工模拟分析的基本资料，其准确性直接影响分析结果的准确性。事实上，实际桥梁结构参数一般是很难与设计所用的结构参数完全吻合，总是存在一定的误差，施工控制中如何恰当地记入这些误差，使结构参数尽量接近桥梁的真实结构参数，是首先需要解决的问题。结构参数主要包括以下内容：1.结构构件截面尺寸任何施工都可能存在截面尺寸误差，验收规范中也允许出现不超过限值的误差，而这种误差将直接导致截面特性误差，从而直接影响结构内力、变形等的分析结果。所以，控制过程中要对结构尺寸进行动态取值和误差分析。2.结构材料弹性模量结构材料弹性模量和结构变形有直接关系。对通常遇到的超静定结构来讲，弹性模量对结构分析结果有一定的影响，但施工成品构件的弹性模量(主要是混凝土结构)总与设计采用值有一定的差别。所以，在施工过程中要根据施工进度做经常性的现场抽样试验，特别要注意混凝土强度波动较大的情况，随时在控制中对弹性模量的取值进行修正。3.材料容重材料容重是产生结构在施工过程中的内力与变形的主要因素，控制中必须于入实际容重与设计取值间可能存在的误差，特别是混凝土材料，不同的集料与刁同的钢筋含量都会对容重产生影响，施工控制中必须对其进行准确识别。4.材料热膨胀系数热膨胀系数的准确与否也将对控制产生影响，尤其是钢结构要特别注意5.施工荷载在所有自架设体系中，都存在施工荷载，这部分临时荷载对受力与变形的景响在控制分析中是不能忽略的，一定要根据实际情况进行取值。6.预加应力预加应力是预应力混凝土结构内力与变形控制考虑的重要结构参数，但预应力值的大小受很多因素的影响，包括张拉设备、管道摩阻、弹性模量等。控制中要对其取值误差作出合理的估计。斜拉桥索力直接影响结构的变形与受力，真实了解各阶段索力是非常重要的。所以，预加索力是斜拉桥施工控制中的要考虑的重要因素。2.2.2施工工艺施工控制是为施工服务的，反过来，施工的好坏又直接影响控制目标的实现，除要求施工工艺必须符合控制要求外，在施工控制中必须计入施工条件非理想状态带来的构件制作、安装等方面的误差，使施工状态保持在控制中。2.2.3施工监测监测是桥梁施工控制的最基本手段之一。监测包括应力监测、变形监测等。因测量仪器、仪器安装、测量方法、数据采集、环境情况等存在误差，所以，结构监测总是存在误差的。该误差一方面可能造成结构实际参数、状态与设计或控制值吻合较好的假象，也可能造成将本来可能较好的状态调整得更差的情况。所以，保证测量的可靠性对控制极为重要，在控制过程中，除要从测量设备、方法上尽量设法减小测量误差外，在进行控制分析时必须将其计入。2.2.4结构计算分析模型无论采用什么分析方法，总是要对实际桥梁结构进行简化和建立计算模型，这种简化使计算模型与实际情况存在差别，包括各种假设、边界条件处理、模型化的本身精度等，控制中需要在这方面做大量工作，必要时还要进行专门的试验研究，以使计算模型误差所产生的影响减到最低限度。2.2.5温度变化温度变化对桥梁结构的受力与变形影响较大，这种影响随温度的改变而改变，在不同时刻对结构状态(应力、变形)进行量测，其结果是不一样的，如果施工控制中忽略了该项因素，就必然难以得到结构的真实状态数据，从而也难以保证控制的有效性，所以，必须考虑温度变化的影响。温度变化相当复杂，包括季节温差、日照温差、骤变温差、残余温度、不同温度场等，而在原定控制状态中又无法预先知道温度的实际变化情况，所以在控制中是难以考虑的(要考虑也将是很复杂的)。通常都是将控制理想状态定位在某一特定温度下，从而将温度变化对结构的影响相对排除(过滤)。一般是将一天中的温度变化较小的早晨作为控制所需实测数据的采集时间。但对季节温差和桥梁体内的温度残余影响要予以重视。2.2.6材料收缩、徐变对混凝土桥梁结构而言，材料收缩、徐变对结构内力、变形有较大的影响，这主要是由于大跨径连续梁桥施工中混凝土普遍加载龄期小、各阶段龄期相差大等引起的，控制中要予以认真研究，以期采用合理的、符合实际的徐变参数和计算模型。2.2.7施工管理桥梁施工控制的对象就是桥梁施工本身，施工管理好坏直接影响桥梁施工质量、进度等，特别是施工进度，一旦不按计划进行，必然给施工控制带来一定的难度，悬臂施工的大跨径连续梁桥尤为突出，如果梁相对悬臂施工进度存在差别，就必然使两悬臂在合拢前等待不同的时间，从而产生不同的徐变变形，由于徐变变形较难准确估计，所以容易给最终合拢造成困难。2.3施工监测施工监测是大跨径桥梁施工控制的基础。首先，在施工中必须对重要的设计参数、状态参数进行监测，以获取反映实际施工情况的数据和技术信息，不断根据实际情况修正原先确定的各施工阶段的理想状态，使施工状态处于控制范围之中。同时，在施工过程中运用反馈控制分析方法得出优化调控措施，消除误差的影响，是确保施工结构状态最大限度的接近理想状态的重要手段。而反馈控制分析是建立在结构理想设计状态、实测结构状态和误差信息三大基础之上的。可见，进行施工过程中的跟踪监测是施工控制中必不可少的。2.3.1施工监测的目的施工监测是施工控制的重要组成部分。大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工监测的目的就是在悬臂施工过程中，通过监测主墩和主梁结构在各个施工阶段的应力和变形，来达到及时了解结构实际行为的目的。根据监测所获得的数据，确保结构的安全和稳定，保证结构的受力合理和线形平顺，为大桥安全、顺利的建成提供技术保障。2.3.2施工监测系统的建立施工监测系统是大跨径桥梁施工控制系统中的一个重要部分，各种桥梁在进行施工控制时都必须根据实际施工情况与控制目标建立完善的施工监测系统。施工监测系统一般都包括结构设计参数监测、几何状态监测、应力监测和温度监测等几个部分。通过施工监测系统的建立，跟踪施工过程并获取结构的真实状态，不仅可以修正理论设计参数，保证施工控制预测的可靠性，同时又是一个安全警报系统，通过警报系统可及时发现和避免桥梁结构在施工过程中出现的超出设计范围的参数(如变形、截面应力等)以及结构的破坏。另外，该监测系统还可在桥梁运营阶段对其安全状况进行实时监测，为桥梁的科学管理与维护提供数据与依据。大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工监测系统示意图如图2-1所示：图2-1施工监测系统示意2.3.3施工监测的内容和方法(1)结构设计参数的测定在进行结构设计时，结构设计参数主要是按规范取用，由于设计参数的取值都有一个安全储备，因此，大多数情况下，采用规范设计参数计算的结构内力及位移均较实测值大，这对结构是偏于安全的，但对桥梁施工控制来说却是不容忽视的偏差，因为它将直接影响到成桥后结构线形及内力是否符合设计要求。因此，有必要对部分主要设计参数提前进行测定，以便施工前对部分设计参数进行一次修正，为保证该桥成桥后满足设计要求奠定基础。影响结构线形及内力的基本技术参数有很多个，就其对结构行为影响程度而言，可将技术参数分为两大类：主要技术参数与次要技术参数。主要技术参数对结构行为影响大，在施工控制计算中应重点加以考虑，对于预应力混凝土连续刚构桥需测定的参数如下：①混凝土弹性模量；②预应力钢绞线弹性模量；③混凝土容重；④混凝土收缩徐变系数；⑤材料热膨胀系数；⑥施工临时荷载；⑦挂篮重量及其变形参数(2)结构变形监测主梁结构变形监测主要包括：①在每一节段施工完成后与下一节段立模前桥面标高的观测；②混凝土浇筑前后、预应力张拉前后、挂篮行走前后的挠度观测。为了尽量减少日照温差对观测的影响，观测时间一般安排在每天的0：00-7：00时间段。(3)应力监测对于大跨径预应力混凝土连续刚构桥，主要测试桥墩和箱梁截面的应力，一般来说，桥墩上测点布置在墩底、墩顶截面处，主梁上测点布置在悬臂根部、L/4、L/2等关键截面上。测试仪器有各种应力计和应变计。(4)温度观测温度是影响主梁挠度的主要因素之一。温度变化主要包括季节温度变化和日照温度变化两个部分。季节温差一般假定整个桥梁结构的温度变化是均匀的，它对主梁的挠度影响比较简单，通过一般的结构分析程序即可计算，对于日照温差，则较为复杂，它对箱梁内力与挠度的影响现在还没有一个统一的计算模式，一般是通过在墩和主梁埋设温度传感组件，实测获得一个较为符合实际的温度场，再进行平面有限元分析和空间有限元分析。2.4施工控制的理论和方法通过施工阶段的结构模拟分析计算，可以确定桥梁各个施工阶段的中间理想状态，即施工过程中的参考轨迹。这种理想状态是我们期望在施工中实现的目标。为了使结构的最终状态符合设计要求，在施工过程中必须使结构尽可能地接近这条参考轨迹。但是在实际施工中，桥梁的实际状态与理想状态总是存在着一定的误差。究其原因，主要是由设计参数误差、施工误差、测量误差、结构分析模型误差等综合干扰所致。大跨径预应力混凝土连续刚构桥的悬臂施工是从0号块分节段逐步向前推进的。施工控制是一施工、量测、识别、调整的循环过程，其目的就是在施工过程中，使主梁节段标高尽可能的接近这条理想的参考轨迹，从而使最终成桥线形符合设计标高。而实际上，不论是理论分析所得到的理想状态的参考轨迹，还是在实际施工中都存在误差，所以施工控制的核心任务就是通过对已完成节段各种主要参数的实测获得的原始数据，对各种误差进行分析、识别、调整，从而对下一节段的结构未来状态作出预测。2.4.1预测控制法连续刚构桥在梁段浇筑完成后出现的误差，除张拉预应力束外，基本上没有调整的余地，而只能针对已有误差在下一未浇筑梁端的立模标高上作出必要的调整。所以，要保证控制目标的实现，最根本的就是对立模标高作出准确的预测，而预测控制法是连续梁桥施工控制常用的方法。预测控制法是指在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标后，对结构的每一施工阶段(节段)形成前后进行预测，使施工沿着预定状态进行。由于预测状态与实际状态免不了有误差存在，某种误差对施工目标的影响则在后续施工状态的预测予以考虑，以此循环，直到施工完成和获得与设计相符合的结构状态。这种方法适用于所有桥梁，而对于那些已成结构状态具有不可调整性的桥梁施工控制必须采用此法。如悬臂施工的预应力混凝土连续梁桥，其已成节段的状态(内力、标高)是无法调整的，只能对待施工的节段预测状态进行改变。预测控制以现代控制论为理论基础，其预测方法常见的有卡尔曼(Kalman)滤波法、灰色理论等。1.卡尔曼滤波法卡尔曼滤波法的实质是从被噪音污染的信号中提取真实的信号，采用有状态方程和观测方程组成的线形随机系统的状态空间来描述滤波器，并利用状态方程的递推性，按线性无偏最小均方误差估计准则，采用一套递推算法对滤波器的状态变量作最佳估计，从而求得滤掉噪声后有用信号的最佳估计，即估计出系统的真实状态，然后用估计出来的状态变量，按确定的控制规律系统进行控制。2.灰色系统理论控制法灰色系统理论控制法将灰色系统理论引入桥梁施工控制中。灰色系统可以看作是在一段时间内变化的随机过程，环境干扰将使系统行为特征量过分离散，为此灰色系统用灰色数生成对原始数据进行处理得到随机弱化、规律性强化了序列，在此基础上以灰色动态GM模型作为预测模型，并及时对模型进行滚动优化和反馈校正。灰色预测控制有以下特点:(1)灰色控制理论是基于系统发展变化的预测控制，是对结构参数及环境影响因素的预测控制，可根据需要把预测得到的结果代入结构方程，从而求得结构的状态参数，这种预测控制方法符合结构实际状态，具有较高的准确性。(2)灰色预测控制建模是少数据建模，是数据的新陈代谢建模，是一种实时控制。在处理方法上，灰色过程是通过原始数据的整理来找数的规律的，是一种就数找数的现实规律的途径，而数理统计方法是按先验规律来处理问题，要求数据越多越好，越据规律性越好。(3)灰色预测控制是“采样瞬间规模”控制，其过程是:每采集一个新数据便建立一个新模型，随之更新一组模型参数，所以控制过程也就是不断采集数据，不断建模，不断更新参数，不断预测，不断提高新模型下的预测值的过程。这实际时实采集模型参数的不断更新，来适应行为的不断变化、环境的不断影响、噪声的不断干扰，所以这种控制方法具有较强的适应性。(4)灰色理论将无规律的原始数据进行生成，使其变成较有规律的生成数列再建模，还可以通过残差分析来调整、修正、提高精度。(5)灰色预测控制是后果控制、行为控制，不需要追究行为变化的原因，也不必将系统的控制行为与噪声加以分离，即不必处置复杂的随机过程，这使得控制大为简化。(6)影响主梁挠度变化的主要因素都具有灰色信息的特征。2.4.2自适应控制法鉴于连续刚构桥已完成节段的不可控性以及施工中对线形误差的纠正措施有限，控制误差的发生就显得极为重要，所以，采用自适应控制法对其进行控制也是很有效的。自适应控制法的基本思路是当结构的实测状态与模型计算结果不符时，通过将误差的计算模型误差输入到参数识别算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实测结果一致，得到修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态。经过几个节段的反复辨识后，计算模型就基本与实际结构一致，从而对施工过程进行有效控制。2.4.3线形回归分析法线形回归分析法是通过对悬臂箱梁挠度与悬臂长度、悬臂重量的一元线形回归处理或二元线形回归处理，总结建立挠度线形回归数学模型。它可以用于分析箱梁挠度变形的规律，也可以用于预测待施工梁段的挠度。但它无法对温度和施工引起的误差进行修正，并且要求有较多有规律的数据才行，在梁段数比较少时所得到的回归曲线的