线形控制5.doc

技术报告四：连续梁线形控制技术研究报告 评审技术文件
1.概述
芋子英特大桥和松头江特大桥采用悬臂灌筑法施工。每座桥在主墩“T”构上，用菱形挂篮分段对称悬臂灌筑，合龙段在吊架上现浇，边跨现浇段在支架上浇筑。全桥按对称悬臂浇筑→中跨合龙→边跨合龙的顺序进行施工。主要施工工序如图4.1。
连续梁悬臂灌筑施工中挠度的计算采用CSB桥梁监控软件进行计算，该软件提供显示后处理：各施工阶段结构图、内力图、位移图及其动态演示，对施工可以有效的实行控制。
2.施工控制的目的和意义
施工控制的最基本要求是确保施工中结构的安全和确保结构成形后的外形和内力状态符合设计要求。芋子英特大桥和松头江特大桥连续梁因其跨径大，连续孔数多，最终的形成必须经历一个漫长而又复杂的施工与体系转换过程，通过理论计算可以得到各施工阶段的理论主梁标高值，但在施工中存在着许多误差，这些误差均将不同程度的对成桥目标的实现产生干扰，并可能导致桥梁合龙困难，成桥线形及内力状态与设计要求不符等问题。因此为保证两座桥的施工安全，成桥线形与内力状态符合要求，在施工中必须实施有效的施工控制。
3.施工控制方法与控制计算
大跨连续梁施工控制是施工→量测→修正→施工的循环过程，在施工控制中，需要从受施工影响的结构状态中估计出真实的结构状态。同时，为了达到施工控制的最基本要求，可针对施工过程组成控制系统，对结构状态理论值和实测值之间的误差进行分析、调整和预测。
连续梁施工控制运用工程控制论的思想，采用控制理论与计算机结合的技术将芋子英特大桥和松头江特大桥成桥线形和施工期结构变化状态作为线形离散，确定动态系统的控制对象。通过对连续梁结构分析，建立数学模型和性能指标，从受施工影响的结构状态中估计出真实状态，并用估计出的状态变量，求出控制变量值，不断对各施工阶段进行调整、控制，最终达到控制的目的。

图4.1 松头江特大桥施工顺序图

4.施工控制分析
4.1施工控制中的结构计算模型建立
在对芋子英特大桥和松头江特大桥各施工阶段实施控制时，将其简化为平面结构，各阶段离散为梁单元，主墩中只有一个为固定支座，边跨及其它主墩为活动绞支座，其成桥结构计算简图如图4.2所示，由于主桥合龙前后结构体系发生转变，即由对称的单“T”静定结构(施工过程中每个主墩上有4个临时支座固定)，转变为超静定结构，故在合龙前调整时只需要取单个“T”构分别进行调整。

图4.2 松头江特大桥结构计算简图
4.2施工控制中的结构分析
对于悬臂施工的连续梁桥，其后一块件是通过预应力筋和混凝土与前一块件相接而成。因此，每一施工阶段都是密切相关的。分析各个施工阶段及成桥结构的外形和受力特性就变得必不可少。
为了使结构在最终成桥状态时达到设计要求的各项性能指标，确定各施工阶段结构的线形是桥梁悬臂施工中最重要的任务之一，而决定上部结构每一待浇块体的预拱度尤其重要。因为①合龙前一个单跨的两个悬臂端应该尽可能在同一平面上；②桥梁在施工和应运状态下，上部结构的标高频繁发生上挠和下挠。因此，在上部结构各个截面的施工中应预留容许偏差，以保证在施工完成以后结构能够保证设计所规定的标高范围。
由于建桥材料的特性，施工误差等随机变化，因此施工条件不可能是最理想状态。为了解决上述问题，在芋子英特大桥和松头江特大桥的施工中，从前进分析和倒退分析两方面入手，相互结合，实现成桥结构在线形、内力方面满足设计要求的目标。
施工控制流程框图如下：

施工控制流程图
前期结构分析计算
施工
预告变位和立模标高

主梁标高、悬臂端挠度、有效预应力、温度、弹性模量、收缩徐变系数

测量
立模标高误差
预应力张拉误差
弹性模量误差
温度影响
徐变影响
计算图式误差

误差分析

修改设计参数

结构计算

⑴前进分析
前进分析的目的在于确定成桥结构的受力状态。这种计算的特点是：随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在不断改变，前期结构发生徐变和几何位置的改变，因而前一阶段结构状态将是本次施工状态结构分析的基础。将这种按施工阶段进行的结构分析称为前进分析法。
计算过程中，将以前各施工阶段结构受力状态作为本阶段结构时差，非线形计算的基础。前一阶段结构位移作为本阶段结构轴线的基础。计算时对施工阶段循环进行，循环结束时的分析结果为成桥后结构的受力状态。
前进分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果，为结构强度、刚度验算提供依据，而且还可以为施工阶段理想状态的确定形成一个描述结构状态的数据文件，作为完成桥梁结构施工设计、控制的基础。
前进分析程序系统流程图如下：
前进分析程序系统流程图
开始

数据输入

激活本阶段单元与节点

建立并修改本阶段结构刚度矩阵

刚度矩阵分析

激活本阶段结构上的预应力束

本阶段所增块件自重与施工荷载的内力于位移计算

本阶段预加力效应（内力与位移）计算

混凝土徐变收缩内力于位移计算

预加力损失计算

预应力损失卸载效应（内力与位移）计算

阶段内力与位移汇总

阶段内力与位移汇总

截面特征修正

阶段内力与位移汇总

内力、位移及体系末预加力沿程分布写入外设

结束

⑵倒退分析
前进分析系统可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于分析中结构节点坐标的迁移，最终结构轴线不可能达到设计轴线。
实际施工中，桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要，线形误差将影响桥梁的合龙等。为了使竣工后的结构保持设计线形，在施工过程中用设置预拱度的方法实现。对于分段施工的连续梁桥，一般要计算出各个阶段结构物控制点的标高(预拱度)，以便最终使结构物满足设计要求。
倒退分析系统可以从根本上解决这个问题，它的基本思想是，假设t=t0时刻线形满足设计要求，在此初始状态下，按照前进分析的过程，对结构进行倒拆，分析每次卸除一个施工段时剩余结构的影响。
倒退分析程序系统流程图
开始

t=t0时刻状态
合拢前状态
合拢初状态

施工完成时状态

张拉预应力索初期状态

张拉预应力索前状态

安装本阶段初期状态
对施工阶段循环

安装本阶段前状态

施工初态

结束

5.施工控制的实现
在建立了正确的模型和性能指标后，就要依据设计参数和控制参数，结合桥梁结构的结构状态、施工工况、施工荷载、二期恒载和活载等，输入前进分析系统中，从前进分析系统中可获得结构按照施工阶段进行的每阶段的挠度及最终成桥状态的挠度。依次可得到每个施工阶段的立模标高。
各梁段立模高程按下式计算。
H立=H设+f挂+fi
式中：H立—立模标高
H设—设计标高
f挂—挂篮变形值，根据现场实际试验数据取值
fi—由程序计算所得的各梁段预拱度值
但是，实际的施工状态与理想的施工状态是有差别的，需要在施工过程中实施跟踪分析，保证桥梁线形符合设计要求。
5.1输入数据
输入数据包括两部分数据：一是结构计算部分数据，二是控制部分数据。
5.1.1结构计算部分数据
结构计算简图如图所示，芋子英特大桥分为76个节点，75个单元，松头江特大桥分为110个节点，109个单元。两座桥连续梁部分主墩采用临时支座固定，2个边跨采用活动支座。
⑴截面抗弯惯性矩、截面面积及截面高度的计算
采用截面几何特性计算程序计算，程序采用三角形法计算截面几何特性，将结构置于第一象限内。可处理对称截面与不对称截面。
主程序中参数说明如下：
CODE—— 整型变量；CODE=1，表示截面沿某一坐标轴对称；
CODE=2，表示截面不对称。
X（50），Y（50）—— 实型数组，用来存放截面上各角点的坐标；
K—— 整型变量，用来存放需计算的截面个数；
N2—— 某一截面上角点的个数；
H—— 截面最高点与最低点之间的距离；
AREA—— 截面面积；
JI1，JI2——截面对形心轴的惯性矩；
B2，B1—— 截面形心到截面上、下边缘的距离；
DX，DY—— 截面形心距所选的Y轴、X轴的距离；
C1—— 形心距Y轴的距离。
数据文件的形成：
芋子英特大桥和松头江特大桥截面为对称截面，选取对称轴为坐标轴，建立坐标系如图所示。此时仅需对一半截面进行计算。编号规则如下：

图4.3 对称截面计算图式
原点取为1点，取一半截面按其外轮廓线以逆时针方向在各段直线的端点进行连续编号，直至回到1点，即原点有两个编号（1及N）。据此可以确定各角点的坐标（x，y）。
坐标确定后，即可编写数据文件。数据文件名由用户拟定，可不带扩展名。
数据文件格式如下：
K
CODE
N2，H
X（I）
Y（I）
N2，H
X（I）
Y（I）
……
其中N2～Y(I)数据段共有K段。数据之间可用空格或逗号分隔。
输出文件：JMTX.OUT（自动形成）
⑵相关设计参数的取值
设计参数的取用原则是：尽量和实际相吻合。对于主要可以测定的参数，采取现场测定数据；难以测定的则依照设计规范取用。设计参数具体数值见表。
设计参数数值表 表4.1
序号
项 目
数值
备注
1
预应力筋所在混凝土的弹性模量（MPa）
3.6×104

2
预应力筋弹性模量（MPa）
1.95×105

3
预应力筋张拉控制应力（MPa）
1250

4
预应力筋单根面积（mm2）
139.98

5
力筋与管道之间的摩擦系数
0.23

6
管道对其设计位置的偏差的系数
0.0025

⑶预应力张拉损失值计算
采用预应力损失计算程序计算预应力平行钢丝束、钢铰线、螺纹粗钢筋等预应力筋的预应力损失、有效预应力及预应力偏心。
a.输入数据文件结构
预应力束控制信息
NKK NJ
XX（NJ）
YC（NJ）
‚ƒ 第I组预应力筋参数（共NKK组）
NN，NMM，KAG，NE1，EG，EH，SK，AG1，LD，KEY，U，PK
MJ（NN）
Y（NN）
Z（NN）
注释：
NKK 预应力筋总组数
NJ NKK组预应力筋通过结点总数，重复结点只计一次
XX（NJ） NKK组预应力筋通过结点X方向坐标（m），取绝对坐标或相对坐标均可
YC（NJ） 预应力筋通过结点所在截面形心到上缘最高点距离（m）
NN 第I组预应力筋通过结点个数
NMM 第I组预应力筋由几束组成
KAG 第I组预应力筋每一束由几根组成
NE1 第I组预应力筋起始单元编号
EG 第I组预应力筋弹性模量（MPa）
EH 第I组预应力筋所在混凝土的弹性模量（MPa）
SK 第I组预应力筋张拉控制应力（MPa）
AG1 第I组预应力筋单根面积（mm2）
LD 第I组预应力筋若张拉时，张拉端位置控制参数：当锚固端在大编号单元端取0；当锚固端在小编号单元端取1；若为两端张拉时，取0或1均可，但必须有值。
KEY 第I组预应力筋张拉类型选择开关：1-表示对称预应力筋两端张拉，2-表示一端张拉，3-表示不对称预应力筋两端张拉。
U 力筋与管道之间的摩擦系数
PK 考虑管道对其设计位置的偏差的系数
MJ（NN）第I组预应力筋所通过结点在NJ个预应力筋通过结点中的序号
Y（NN） 第I组预应力筋所通过结点处竖弯坐标（m），从第I组预应力筋形心到上缘最高点距离。
Z（NN） 第I组预应力筋所通过结点处平弯坐标（m），取相对坐标即可。
b.出数据文件结构
输出文件个数等于预应力筋总组数（NKK），输出文件名为LOSS.1，LOSS.2……LOSS.NKK。每一输出文件由四部分组成：
①第I组预应力筋通过单元的单元编号（NN-1个）；
②第I组预应力筋通过单元的有效预应力（单位：KN），共NN-1个；
③第I组预应力筋通过单元两结点所在截面的偏心距（单位：m）， ei=yc-yy 其中：yc——预应力筋通过结点所在截面形心到上缘最高点距离（m）；yy ——第I组预应力筋所通过结点处竖弯坐标（m），从第I组预应力筋形心到上缘最高点距离。共2（NN-1）个。
④I组预应力筋预应力损失计算结果。两端不对称张拉时，有正算预应力损失计算结果和反算预应力损失计算结果两组。各项预应力损失单位：MPa。
另外，输出文件还有“TEMP1”及“TEMP2”两个临时文件，只是起数据传递的作用。
5.1.2控制部分数据
这部分数据是按大桥施工阶段顺序来输入的。在每一个施工阶段，输入相应的新增单元、张拉的预应力束和新增的约束信息以及施工阶段荷载控制信息和徐边变单元信息。施工中整个施工阶段划分为若干个施工阶段和一个运营阶段。施工阶段的划分严格按照设计图纸中梁段施工顺序和张拉顺序划分，运营阶段考虑全桥徐变及运营3年后状态。
施工阶段划分表 表4.2
施 工 阶 段
施 工 内 容
备 注
1#～2#
灌筑0#、1#块，张拉T1、W1钢束

3#
安装挂篮

4#～38#
浇筑2#～13#块，张拉T2～T13、
W2～W8钢束，2#～13#块挂篮移动

39#
调整挂蓝，准备中跨合拢施工

40#～41#
浇筑中跨合拢段，张拉MZ8、W14钢束

42#～43#
边跨段现浇支架施工及混凝土浇筑

44#～46#
挂篮移动14#块，灌筑14#块，张拉T14钢束

47#
调整挂蓝，准备边跨合拢段施工

48#
浇筑边跨合拢段

49#
拆除挂蓝

50#～56#
张拉MZ4、MZ1、MZ2、T15、T16、BZ4、
MZ3、MZ4、BZ3、MZ5、MZ6、MZ2、MZ7、
W9、W10、W11、W12、W13钢束

57#
拆除边跨现浇段支撑

58#
桥面铺装

59#
考虑全桥徐变，运营3年

依据上述数据，形成最终挠度控制的两个输入文件，采用CSB程序进行计算，得到每个梁段的挠度值，间接求得每个梁段的立模标高。具体在施工过程中要不断调整输入数据，根据每个梁段施工的具体使用时间，修改输入数据文件中梁段施工时间，调整后施工梁段的立模标高。
5.2输出结果
运行CSB箱梁控制软件，读入输入文件，便可算出各梁段的立模标高。其输出结果如下(松头江特大桥计算结果)：
The construction coordinates 施工坐标 (单位:m)

测点号 结点号 水平坐标 竖向坐标 立模标高
0 58 166.4000 -.0002 -.0002
0 53 157.9000 .0000 .0000
0 51 152.4000 .0000 .0000
0 92 266.4000 -.0001 -.0001
0 87 257.9000 .0000 .0000
0 85 252.4000 -.0003 -.0003
0 24 66.4000 -.0003 -.0003
0 19 57.9000 .0000 .0000
0 17 52.4000 -.0001 -.0001
1 59 169.4000 -.0005 -.0005
1 50 149.4000 -.0003 -.0003
1 93 269.4000 -.0003 -.0003
1 84 249.4000 -.0009 -.0008
1 25 69.4000 -.0008 -.0007
1 16 49.4000 -.0003 -.0002
2 60 172.4000 -.0011 -.0010
2 49 146.4000 -.0008 -.0008
2 94 272.4000 -.0007 -.0005
2 83 246.4000 -.0017 -.0016
2 26 72.4000 -.0015 -.0014
2 15 46.4000 -.0006 -.0005
3 61 175.4000 -.0017 -.0014
3 48 143.4000 -.0015 -.0014
3 95 275.4000 -.0009 -.0007
3 82 243.4000 -.0025 -.0023
3 27 75.4000 -.0023 -.0021
3 14 43.4000 -.0008 -.0006
4 62 178.4000 -.0023 -.0019
4 47 140.4000 -.0022 -.0019
4 96 278.4000 -.0011 -.0007
4 81 240.4000 -.0034 -.0030
4 28 78.4000 -.0032 -.0027
4 13 40.4000 -.0010 -.0006
5 63 181.4000 -.0026 -.0019
5 46 137.4000 -.0026 -.0021
5 97 281.4000 -.0009 -.0003
5 80 237.4000 -.0039 -.0033
5 29 81.4000 -.0036 -.0029
5 12 37.4000 -.0008 -.0001
6 64 184.4000 -.0025 -.0015
6 45 134.4000 -.0026 -.0019
6 98 284.4000 -.0001 .0008
6 79 234.4000 -.0039 -.0030
6 30 84.4000 -.0035 -.0026
6 11 34.4000 .0000 .0010
7 65 188.4000 -.0026 -.0003
7 44 130.4000 -.0028 -.0010
7 99 288.4000 .0011 .0034
7 78 230.4000 -.0040 -.0017
7 31 88.4000 -.0035 -.0013
7 10 30.4000 .0013 .0035
8 66 192.4000 -.0031 .0007
8 43 126.4000 -.0033 -.0003
8 100 292.4000 .0033 .0069
8 77 226.4000 -.0038 -.0003
8 32 92.4000 -.0034 .0001
8 9 26.4000 .0034 .0070
9 67 196.4000 -.0073 -.0019
9 42 122.4000 -.0071 -.0025
9 101 296.4000 .0031 .0084
9 76 222.4000 -.0069 -.0016
9 33 96.4000 -.0064 -.0013
9 8 22.4000 .0032 .0085
10 68 200.4000 -.0140 -.0065
10 41 118.4000 -.0134 -.0068
10 102 300.4000 .0017 .0091
10 75 218.4000 -.0117 -.0043
10 34 100.4000 -.0111 -.0039
10 7 18.4000 .0018 .0091
11 69 204.4000 -.0192 -.0086
11 40 114.4000 -.0183 -.0087
11 103 304.4000 -.0025 .0082
11 74 214.4000 -.0192 -.0085
11 35 104.4000 -.0185 -.0079
11 6 14.4000 -.0023 .0084
12 70 208.4000 -.0262 -.0115
12 39 110.4000 -.0248 -.0112
12 104 308.4000 -.0106 .0046
12 73 210.4000 -.0306 -.0155
12 36 108.4000 -.0297 -.0147
12 5 10.4000 -.0106 .0045
6.现场监控
现场监控的主要内容是挠度观测。在每个施工块件上布置两个对称的高程控制点和一个中线控制点，这样不仅可以测量箱梁的挠度，同时可以观测箱梁是否发生扭转变形。施工过程中对每一截面进行立模、混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、预应力张拉前、张拉后的标高观测，以便观察各点的挠度及箱梁曲线的变化历程，保证箱梁悬臂端的合龙精度及桥面线形。高程控制点位于0#块上，采用φ16钢筋在顶板上与顶板上下层钢筋点焊牢固，并要求竖直。测点(钢筋)露出箱梁混凝土面5cm，测头磨平，并用红油漆标记。
⑴测点布置
①0#块高程测点布置
布置0#块高程测点是为了控制顶板的设计标高，同时也作为以后各悬浇节段高程观测的基准点。
②各悬浇节段的高程测点布置
每个节段上设3个测点，离梁体前端10cm。
⑵观测时间与项目
为尽量减少温度的影响，挠度的观测安排在早晨太阳出来之前进行。在整个施工过程中，主要观测的内容包括：立模、混凝土浇筑前后、预应力张拉前后以及拆除挂篮后、边(中)跨合龙前、最终成桥前的各项标高值。以这些观测值为依据进行有效的施工控制。
⑶观测结果
对每一施工阶段的挠度及标高的量测都需要进行详细的分析，现将松头江特大桥4#墩梁底标高观测值和设计值列于表中。
松头江特大桥4#墩梁底标高观测值 表4.3
梁块
赣州方向
龙岩方向
设计高程
实测高程
设计高程
实测高程
0#块
469.118
469.115
469.218
469.212
1#块
469.514
469.520
469.689
469.695
2#块
469.879
469.870
470.129
470.123
3#块
470.216
470.214
470.541
470.546
4#块
470.522
470.515
470.922
470.920
5#块
470.800
470.800
471.275
471.272
6#块
471.048
471.053
471.598
471.595
7#块
471.267
471.261
471.892
471.891
8#块
471.513
471.515
472.238
472.235
9#块
471.708
471.712
472.533
472.531
10#块
471.851
471.852
472.776
472.772
11#块
471.942
471.946
472.967
472.972
12#块
471.982
471.986
473.107
173.115
13#块
472.012
472.008
473.195
473.201

第111页