芦家沟桥监控报告.doc

1大跨度曲线连续刚构桥属高次超静定结构，所采用的施工方法和安装程序与成桥后的主梁线形和结构恒载内力有着密切的联系在施工阶段随着桥梁结构和荷载状态的不断变化，结构内力和变形随之不断发生变化因此需对桥梁的每一施工阶段进行详尽的分析和实测验证，并采用一定的方法对结构变形、应力加以控制，以确保设计的施工过程得以准确实现§§1 1 芦芦家家沟沟特特大大桥简介桥简介芦家沟特大桥位于国道主干线兰临高速公路兰州市七里河区西果园段，是国内少见的高墩曲线连续刚构桥该桥在平面上位于 R=600m 的平(圆)曲线以及Ls=80m 的缓和曲线上, 跨径分布为 64m+115m+64m该桥主桥结构及箱梁截面简图如图 1-1 所示：图 1-1 结构简图2主梁：曲线连续刚构桥上部箱梁为双向预应力结构，左右幅分离，单幅箱梁为直腹板单箱单室断面，桥面横坡由箱梁顶板自倾形成，箱梁顶板宽度为 11.75米，箱体宽度为 6.0 米两端及跨中梁高 2.5 米墩顶根部梁高 6.0 米，其余主梁梁高采用 2 次抛物线变化箱梁顶板厚 25 厘米，合拢段底板厚度 32 厘米，墩顶底板根部厚度 80 厘米，厚度变化采用 2 次抛物线变化。

箱梁腹板厚度采用40、50 厘米，仅在主梁零号块为 70 厘米采用 50 号混凝土，有纵向和竖向两种预应力钢束纵向预应力钢束分为顶板束和底板束两种束型纵向预应力采用大吨位群锚体系顶板预应力钢束采用 16φj15.24 毫米规格的钢绞线束，每个断面锚固 2 束或 4 束底板预应力钢束规格和顶板预应力钢束规格相同本桥箱梁腹板内布置了竖向预应力，竖向预应力采用 32 毫米精轧螺纹粗钢筋竖向预应力采用二次张拉工艺第一次张拉吨位为 54 吨，第二次张拉为检查张拉，张拉吨位也为 54 吨，如张拉到位拧紧螺母主桥部分位于缓和曲线上，大部分位于圆曲线上，两侧腹板等高，顶板顶面和底板平行，箱梁高度指箱梁腹板外缘线处的高度箱梁采用挂篮悬臂平衡浇注施工，其两端允许的不平衡重量最大不得大于一个梁段的底板自重下部结构采用薄壁式桥墩；钻孔桩基础 桥面宽度：桥梁全宽 24.5 米，横向布置为 0.5 米防撞护栏+10.75 米行车道+0.5米防撞护栏+1.0 米中央分隔带+0.5 米防撞护栏+10.75 米行车道+0.5 米防撞护栏设计地震基本烈度为Ⅷ度，设计荷载：汽车-超 20 级，挂车-1203§2§2 曲线刚构桥施工控制系统曲线刚构桥施工控制系统§2.1§2.1 施工控制方法施工控制方法近年来，大跨度桥梁的施工控制已逐渐被工程界所重视，并形成了一些实用的控制方法，目前主要有三种：（1）桥梁施工的单向控制对于较简单的桥梁，一般都是在设计中估计结构的恒载和活载，由此计算出结构的预拱度，在施工过程中只要按照这个预拱度来施工，施工完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线形和内力，这就是所谓的单向控制。

因为施工过程中的控制量，如预拱度、块件重量、预应力等是单向决定的，并不需要根据结构的反应来改变对于早期的桥梁施工，从理论成桥状态通过施工过程的倒退分析，求得每个施工阶段主梁的位置和内力在施工过程中只要按这样的位置和内力进行安装，理论上即可达到理想的成桥状态，这也是一个施工单向控制过程在各部件的制造和安装精度很高，且对结构的力学特性完全掌握的情况下，这种方法是可行的、方便的2）大跨度桥梁施工的反馈控制当大跨度桥梁在施工过程中，出现施工状态偏离理想的设计状态时，如不加以调整，就会造成结构的线形和内力远远偏离设计成桥状态，甚至危及安全对于预应力混凝土大跨度桥梁，其设计计算中所采用的各项参数与现场材料的参数存在一定的差距，因此施工控制难度较大反馈控制就是通过施工控制量的实测数据，进行计算，得出调整量，纠正偏差3）大跨度桥梁施工的自适应控制对于大跨度预应力混凝土桥，施工中每个工况的受力状态达不到设计所确定的理想目标的重要原因是有限元计算模型中的计算参数取值，并且主要是混凝土的弹性模量、材料的比重、徐变系数的取用等与施工中的实际情况有一定的差距要得到比较准确的控制调整量，必须在根据施工中实测到的结构反应修正计算模型中的这些参数值，以使计算模型在与实际结构磨合一段时间后自动适应结构的4物理力学规律。

在反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别过程，整个控制系统就称为自适应控制系统当结构测量的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数识别法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量的结果相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，按反馈控制方法对结构进行控制这样，经过若干工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制自适应施工控制系统框图如图 2-1 所示修改理想状态 计算结果参数调节 误差分析实测结果 控制量输入控制调整图 2-1 自适应施工控制系统框图由于大跨度桥梁多采用悬臂施工方法，主梁在悬臂的根部的相对线刚度较大，变形较小，因此，在控制初期，参数不准确带来的误差对全桥线形的影响较小，这对于上述自适应控制思路的应用非常有利经过几个节段的施工后，计算参数已得到修正，为跨中变形较大的节段的施工控制创造了良好的条件,因此我国大跨度桥梁施工控制常采用此方法参数误差识别过程是自适应控制的关键，其任务就是根据对控制目标（如内力、标高和结构应力）的测量值与计算值之间的误差反算施工过程模拟计算中选用的参数，如混凝土的弹性模量、主梁自重集度、挂篮刚度、徐变系数等。

目前参数识别的算法有两类：一类是基于误差最小化的算法，如最小二乘法等；另一控制量反馈计算施工 结果 输出 实际结构 构参数估计算法施工理 想状态有限元计算模型5类则是基于随机状态估计理论的算法，如 Kalman 滤波法芦家沟特大桥施工监控采用先进的自适应控制方法§2.2§2.2 施工控制影响因素施工控制影响因素大跨度桥梁施工控制的主要目的是使实际施工状态最大限度的与理想设计状态（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在大跨度桥梁的施工设计时，尽管可以采用各种结构分析方法计算出每一施工状态的预应力张拉值和主梁挠度值，但是按这种设计值进行施工时，其实际结构的每一状态未必能达到设计值，即所谓不一致的困难问题 在施工中设计和施工不一致的具体表现为：1）由浇注主梁混凝土引起的挠度和应力变化值与设计不一致2）当张拉预应力时引起的主梁挠度和应力的影响量与设计不一致3）荷载持续一段时间不变，因徐变和收缩引起的挠度和应力变化与设计不一致引起这种不一致的主要因素有：1）在设计时诸如材料的弹性模量、截面特性、构件自重、临时施工荷载、徐变收缩参数等设计参数的选择不可能与实际结构所对应的完全一致。

2）预应力实际效果、挂篮荷载及变形的影响3）环境的影响包括季节平均温差和日照温差，空气湿度的影响，特别是季节温差对混凝土徐变和收缩早期发展的影响在设计时往往无法估计4）测量误差这里指的是施工现场所有量具和表具等引起的误差5）施工误差6）结构模型简化和计算的误差等在混凝土桥梁施工中应尽可能排除或扣除环境影响，保证量测和施工精度条件下引起误差的主要因素是设计参数的取值与结构不一致，其中以混凝土弹性模量、徐变收缩、构件自重影响最大如果不在施工过程中逐步修正设计值，那么由这些参数引起的结构误差具有积累性；随着悬臂的伸长，最终将显著地偏离设计目标，造成合拢困难、桥面铺装困难并引起二期恒载与设计的偏离，影响了整7个桥梁建成后的美观和运营质量8§2.3§2.3 芦家沟特大桥施工控制系统芦家沟特大桥施工控制系统不论桥梁工程的规模大小、技术难度以及构造复杂程度如何，桥梁施工本身就是一个系统工程，而其施工的过程也就是该系统的运行过程，施工过程中怎样确保结构的安全和成桥状态就是系统运行所要达到的目标——桥梁施工控制目标要达到施工安全和特定线形与受力状态要求，必须对施工全过程进行控制，也就是要对桥梁施工系统的运行轨迹进行控制，确保控制目标的实现。

大跨度桥梁的施工控制是一个施工→量测→识别→修正→预告→施工的循环过程在这个过程中需要对主梁标高和内力实行双控它既是一个技术问题, 又是一项系统工程它主要包括两个部分，一部分是数据采集系统，即在桥上埋设各类传感器和设置监控系统，采集资料再一个是资料分析仿真模拟系统，将采集到的资料进行分析处理，以确定下一个施工阶段的参数因此，在施工监控中需要细致的观测测试工作和大量计算工作通过有效的监测监控工作，最终消除设计与实际施工过程差异的影响，保证设计的施工过程和受力状态得以准确实现，确保主梁准确合拢并使最终的主梁线形和内力达到设计状态，减小后期桥面铺装的难度施工控制的两个核心问题是施工控制计算和现场施工测试通过测试所获得的桥梁在施工各阶段结构内力和变形的第一手资料是施工中控制、调整内力和位移的主要依据，同时它也是监测施工、改进设计、确保结构在施工过程中安全的重要手段结合芦家沟特大桥的特点，给出施工控制系统框图如下：9图 2-2 曲线刚构桥施工控制框图现场配合资料： 现浇梁段实际尺寸、容重、自重 挂篮、施工荷载及状况 材料的弹性模量 收缩徐变及预应力损失等参数 温度及其它控制项目： 位移 截面应力文件及图形输出 标高（位移） 内力、应力实时跟踪分析： 位移 应力、内力参数识别分析实时向前分析误差判别：标高DD[]应力 σ≤[σ]下一步施工优化分析下一阶段施工作业10§3§3 分析理论综述分析理论综述与直线梁相比，曲线梁由于受到曲率的影响，即使外荷载的作用线通过梁的剪切中心，曲线梁在发生竖向弯曲的同时，也还是要发生扭转，这种弯曲与扭转相互耦合的作用，使得曲线梁的结构分析变得十分复杂。

由于曲线梁桥的弯扭耦合作用使得弯梁桥具有以下受力特点：第一，由于弯扭耦合，其变形也为弯曲和扭转两者的叠加，故变形值要比一般直线桥大同时，弯桥外边缘的挠度大于内边缘的挠度，而且曲率越小、桥越宽越严重；第二，无论荷载偏心与否到处都有弯矩和扭矩产生，支撑处更要承受较大的扭矩由于扭矩的作用，弯桥的外梁荷载加重，内梁减载，内外梁应力产生差别；第三，横梁（对多根主梁、桥面连续的弯桥）是防止扭转保持全桥稳定的重要构件，因而与一般直线桥相比，其刚度较大由于横梁的刚度大，所以桥梁断面的变形可以忽略，其对于由横梁变形引起的主梁荷载分配的影响则较小，横梁的变形在主梁间大多呈直线变化；第四，弯桥的反力与直线桥相比，有外梁变大、内梁变小的倾向因此，在内梁中有产生负反力的可能芦家沟特大桥施工监控的全部分析计算工作采用计算机数值求解技术，成果分析图表亦使用计算机完成其中数值计算采用已得到广泛应用的以结点位移为基本未知量的有限元方法用这种位移有限元方法分析一般结构问题时的主要步骤如下：输入原始资料，如控制信息，结构几何性质，材料的弹性常数，支撑约束条件，施工过程动态信息等单元分析，对各个单元求出单元刚度矩阵系统分析，组集整体结构的刚度矩阵。

计入荷载向量，包括结构自重，施工荷载，预应力，收缩徐变，桥面荷载，温度力及汽车活载等引入边界支撑条件和施工过程临时支撑信息，按施工过程修改动态位移法方程组求解位移并计算单元内力及应力11图形及资料输出计算分析成果对于大跨度桥梁的施工控制计算，其处理方法比一般结构分析问题要复杂得多下面对本课题研究中理论部分的主要内容加以叙述§3.1§3.1 有限元理论有限元理论芦家沟特大桥主桥上部结构为双幅单箱单室箱形梁，在计算分析时可以使用每结点 9 个自由度（其中包括三个线位移，三个角位移，一个扭转翘曲自由度，两个截面畸变自由度）的空间薄壁箱梁单元然而尽管芦家沟特大桥主桥上部结构为各板件组成的箱形梁，但其总体效应仍表现为梁的力学特征，特别是在施工阶段，梁。