大跨径桥梁斜拉桥的施工控制论文--本科毕业设计论文.doc

大跨径桥梁探讨

斜拉桥的施工控制

学 号：
11160545
姓 名：
刘斌华
专 业：
土木工程
系 别：
土木工程系
指导教师：
李刚

二〇一四年十一月

大跨径桥梁探讨
——斜拉桥的施工控制
中文摘要
摘要：随着交通事业的大力发展的需求，我国大跨径桥梁的设计和施工技术也随之迅速发展。 我国大跨径桥梁数量大，拥有世界领先水平，但与美国等发达国家仍有差距。本文针对施工控制在斜拉桥建设中的重要性, 阐述了我国混凝土斜拉桥施工控制的发展情况。讨论了混凝土斜拉桥施工控制的内容、方法、结构计算、施工误差调整以及新进展。 通过借鉴已建大跨径桥梁设计施工先进经验，提出了大跨径桥梁建设在设计中应注重前期工作和专题研究，不断提高自主创新设计和计算机辅助设计能力，重视结构耐久性和工程的质量、安全、环保和美学问题;在实际施工中施工单位应提高施工实力和科研能力，自主创新施工工艺、方法，以确保预应力施工质量和有效监测监控。

关键词：斜拉桥，国内外现状，施工控制，建设问题，结构分析

目录
中文摘要 i
1 绪论 １
1.1 选题背景 １
1.2 选题的目的与意义 ２
1.3 国内外研究现状 ２
1.4 大跨径桥梁的发展趋向 ５
2 施工计算的方法 ５
2.1 倒拆法 ６
2.2 正算法 ６
2.2.1 刚性支承连续梁法 ６
2.2.2 五点（四点）为零法 ６
2.2.3 零弯矩悬拼法 ７
3 施工控制方法 ７
3.1　控制原理 ７
3.2　结构分析 ８
3.3　施工控制的原则与方法 ９
3.3.1 斜拉桥施工的开环控制法 ９
3.3.2 斜拉桥施工的反馈控制法 １０
3.3.3 斜拉桥施工的自适应控制法 １０
4 施工控制内容 １１
4.1线形控制内容及方法 １１
4.1.1 线型测量 １１
4.1.2 计算模型的更新和线形修正计算 １２
4.1.3 立模标高的放样和线形测量 １３
4.2　索力控制 １３
4.2.1索力测量 １３
4.2.2 索力离散性控制 １３
4. 3　主梁应力控制 １４
4. 4　索塔应力测试 １４
4. 5　温度控制 １５
5 施工控制中的误差处理 １５
5.1 基于现代控制理论 １６
5.2 参数识别修正法 １６
6 混凝土斜拉桥施工控制新进展 １７
7 结语 １７
参考文献 １８

1 绪论
斜拉桥由于其跨度最具竞争力、景观新颖, 再加上新材料的开发、设计理论和计算技术的进步、施工技术的进步以及整体桥面的开发,现代斜拉桥的发展非常迅速。进入20 世纪70 年代后, 混凝土斜拉桥大量兴起。斜拉桥的施工多采用无支架施工, 即自架设体系施工, 这给桥梁结构带来较为复杂的内力和位移变化, 为了保证桥梁施工质量和施工安全, 使桥梁的线形和内力达到设计的预期值, 桥梁施工控制是不可缺少的。日本对斜拉桥的施工控制研究开展较早, 在20 世纪80年代就发表了许多相关论文, 取得了较好的效果。与日本修建钢斜拉桥较多不同, 我国以混凝土斜拉桥为主, 由于混凝土材料具有收缩徐变的时变特性, 使得控制更为困难。桥梁施工控制在国内起步较晚, 20世纪90 年代以前在桥梁施工中已注意到结构应力调整和预拱度的设置, 但并未将系统控制概念引入, 桥梁在施工中垮塌和成桥状态不符合设计要求的情况时有发生。20 世纪90 年代以后, 人们逐渐从理论与实践中认识到桥梁施工控制的重要性, 对混凝土斜拉桥的施工控制开展了相关研究, 取得不少研究成果和工程实践经验。
斜拉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型和结构恒载内力有着密切的联系。另一方面，在施工阶段随着斜拉桥结构体系和荷载状态的不断变化，结构内力和变形亦随之不断发生变化，因此需对斜拉桥的每一施工阶段进行详尽的分析、验算，求得斜拉索张拉吨位和主梁挠度、塔柱位移等施工控制参数的理论计算值，对施工的顺序作出明确的规定，并在施工中加以有效的管理和控制。如此方能确保斜拉桥在施工过程中结构的受力状态和变形始终处在安全的范围内，成桥后主梁的线型符合预先的期望，结构本身有处于最优的受力状态。这就是斜拉桥在建造过程中都必须解决的一个重要课题，即斜拉桥的施工控制。
1.1 选题背景
当前，我国在大连渤海湾、长江口、珠江流域和海南琼州海峡，需要修建多座跨海跨江的桥梁工程，比如大连渤海跨海大桥；长江口的苏通长江大桥、润扬长江大桥、上海的大跨度桥梁、东海跨海大桥、杭州湾跨海大桥、杭州湾沪甬大桥、舟山西猴门悬索桥和金塘大桥、绍嘉大桥等大跨度桥梁工程；珠江口的虎门大桥、虎门二桥、内伶仃洋大桥和外伶仃洋大桥等，另外琼州海峡跨海工程，海西经济区的台湾海峡跨海工程等。
我国大跨度桥梁建设取得了辉煌的成就，有世界第一大跨度斜拉桥——苏通长江大桥，在斜拉桥跨度前十名的大桥中，中国占据八席，还有昂船洲、鄂东长江、荆岳长江、上海长江、南京长江二桥、三桥等大跨度斜拉桥。这些充分表明，我国大跨度桥梁建设已经达到世界领先水平，是我们桥梁工程专业的学生引以为豪和继续学习、不断创新的动力源泉。当然，世界上大跨度桥梁的建设也取得了很大的建设成就，如美国、日本和欧洲的英国、丹麦等。到目前为止，我国的大跨度桥梁建设总体上说，仍然处于赶超阶段，局部领先的水平。
1.2 选题的目的与意义
随着经济的发展、城市化进程的加快、人民生活水平的不断提高，运输需求显得越来越旺盛，既有的运输能力已表现出明显的不足，运输已经不能适应国民经济的发展需要，成为制约我国经济发展的“瓶颈”。改革开放以来，我国社会主义现代化建设和各项事业取得了世人瞩目的成就，公路交通的大发展和西部地区的大开发为公路桥梁建设带来了良好的机遇。十年来，我国大跨径桥梁的建设进人了一个最辉煌的时期，在中华大地上建设了一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、现代化品位和科技含量高的大跨径斜拉桥、悬索桥、拱桥、PC连续刚构桥，积累了丰富的桥梁设计和施工经验，我国公路桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。现综述大跨径桥梁斜拉桥国内外建设和发展现状情况，以及存在的问题，施工设计等问题
1.3 国内外研究现状
斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥有更大的跨越能力。由于拉索的自锚特性而不需要悬索桥那样巨大锚旋，加之斜拉桥有良好的力学性能和经济指标，已成为大跨度桥梁最主要桥型，在跨径200一800m的范围内占据着优势，在跨径800 -1100m特大跨径桥梁角逐竞争中，斜拉桥将扮演重要角色。
斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成，选择不同的结构外形和材料可以组合成多彩多姿、新颖别致的各种形式。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢、混凝土的。主梁有混凝土梁、钢箱梁、结合梁、混合式梁。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面，拉索材料有热挤PE防护平行钢丝索、PE外套防护钢绞线索。
现代斜拉桥可以追溯到1956年瑞典建成的主跨182. 6m斯特伦松德桥。历经半个世纪，斜拉桥技术得到空前发展，世界已建成主跨200m以上的斜拉桥有200余座，其中跨径大于400m的有40余座。尤其20世纪90年代以后在世界上建成的著名的斜拉桥有法国诺曼底斜拉桥(主跨856m )，南京长江二桥钢箱梁斜拉桥(主跨628m)福建青州闽江结合梁斜拉桥(主跨605m) ,挪威斯卡恩圣特混凝土梁斜拉桥(主530m) ,1991年日本建成的世界最大跨度多多罗大桥(主跨890m)，是斜拉桥跨径的一个重大突破，是世界斜拉桥建设史上的一个里程碑(表1)。

我国自1975年四川云阳建成第一座主跨为76m的斜拉桥，二十多年过去了，这种在二次大战后复兴的桥型，在中国改革开放的形势下，得到了充分的发展和推广，至今已建成各种类型斜拉桥100多座，其中跨径大于200m的有52座。多年来，我国在斜拉桥设计、施工技术、施工控制、斜拉索的防风、雨振等方面，积累了丰富的经验。
80年代末，我国在总结加拿大安那西斯桥的经验基础上，1991年建成了上海南浦大桥(主跨为423m结合梁斜拉桥)，开创了我国修建400m以上大跨度斜拉桥的先河，大跨径斜拉桥如雨后春笋般的发展起来。据统计，我国修建跨度大于400m的斜拉桥有加座，已建成通车14座，在建6座(表2)。

我国已成为拥有斜拉桥最多的国家，在世界10大著名斜拉桥排名榜上，中国有6座，跨度600m以上的斜拉桥世界仅有6座，中国占了4座。主梁结构类型多种，有钢箱梁4座、混合式5座、结合梁4座、混凝土梁7座;斜拉索采用平行钢丝的有巧座、钢绞线的有3座。
2001年建成的名列世界第三位的南京长江二桥钢箱梁斜拉桥(主跨628m)和名列世界第五位的福建青州闽江结合梁斜拉桥(主跨605m)均处于世界斜拉桥领先地位。整体来说，我国斜拉桥设计施工水平已迈人国际先进行列，部分成果达到国际领先水平。目前，我国正在筹划建设的香港昂船洲大桥、江苏苏通大桥，其主跨均达到1000m以上，
斜拉桥建设技术将要有新的突破。
1.4 大跨径桥梁的发展趋向
综观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮。就中国来说，国道主干线同江至三亚就有5个跨海工程，渤海湾跨海工程、长江口跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程，以及琼州海峡工程。其中难度最大的有渤海湾跨海工程，海峡宽57km，建成后将成为世界上最长的桥梁;琼州海峡跨海工程，海峡宽20km，水深40m，海床以下130m深未见基岩，常年受到台风、海浪频繁袭击。此外，还有舟山大陆连岛工程、青岛至黄岛、以及长江、珠江、黄河等众多的桥梁工程。在世界上，正在建设的著名大桥有土耳其伊兹米特海湾大桥(悬索桥，主跨1668m);希腊里海安蒂雷翁桥(多跨斜拉桥，主跨286m+ 3 x 560m十286m)，已获批准修建的意大利与西西里岛之间墨西拿海峡大桥，主跨3300m悬索桥，其使用寿命均按200年标准设计，主塔高376m，桥面宽60m，主缆直径1.24m，估计造价45亿美元;在西班牙与摩洛哥之间，跨直布罗陀海峡桥也提出了一个修建大跨度悬索桥，其中包含2个5OOOm的连续中跨及2个2000m的边跨，基础深度约300m。另一个方案是修建三跨3100m十8400m + 4700m的巨型斜拉桥，基础深约300m，较高的一个塔高达1250m较低的一个塔高达850m。这个方案需要高级复合材料才能修建，而不是当今桥梁用的钢和混凝土。
2 施工计算的方法
2.1 倒拆法
倒拆法是斜拉桥施工计算中广泛采用的一种方法。通过对斜拉桥由成桥状态出发，按照与实际施工步骤相反的顺序，进行逐步倒退计算而获得各施工阶段的控制参数。结构据此按正装顺序施工完毕时，理论上斜拉桥的恒载内力和线型便可达到预定的理想状态。对于大跨径混凝土斜拉桥，施工计算中如不考虑混凝土收缩、徐变的影响，计算结果将发生较大的偏差，但是混凝土的徐变与结构形成的过程有关，原则上倒拆法无法进行徐变计算。这是因为徐变计算在时间上只能顺序的，而倒拆法在时间上是逆序的。一般可应用迭代法来解决这个问题。即第一轮倒拆计算时不计入混凝土的收缩、徐变，然后以倒拆结果进行正装计算，逐阶段计算混凝土的收缩、徐变影响，再进行倒拆法计算时，按阶段叠加入正装计算时相应阶段混凝土的收缩、徐变影响，如此反复迭代，直至计算结果收敛。
2.2 正算法
正算法采用与斜拉桥施工相同的顺序，依次计算各阶段架设时结构的施工内力和位移。然后依据一定的计算原则，选择相应的计算参数作为未知变量，通过求解方程而获得相应的控制参数。只要计算参数选择得当，结构按正算法所获得的控制参数和顺序施工完毕时，理论上斜拉桥的恒载内力和主梁线型应与预定的理想状态基本吻合。以下是采用悬臂施工方法的斜拉桥运用正算法进行施工计算时所常用的一些设计原则。
2.2.1 刚性支承连续梁法
刚性支承连续梁法是在施工过程中及成桥后多次张拉拉索索力，使斜拉桥主梁在恒载状态下的内力与相应的刚性支承连续梁的内力大体相近。因此施工阶段的计算原则一般为：主梁悬臂端的挠度保持为零；已浇筑完成的主梁具有刚性支承连续梁的内力；拉索力根据施工荷载的变化作相应的调整，控制梁塔的内力和变形。
2.2.2 五点（四点）为零法
此法由刚性支承连续梁法发展而来，对主梁在施工阶段的受力状态作了进一步的优化。其相应的计算原则为主梁悬臂端的挠度保持为零，且随后的4（3）个节点的主梁弯矩亦保持为零，以避免该部分主梁的混凝土桥面板出现拉应力。其余计算原则与刚性支承连续梁法基本相同。这里的节点是指斜拉索与主梁轴线的交点。南浦大桥的施工计算就是采用这一原则的。
2.2.3 零弯矩悬拼法
该法适用于斜拉桥采用预制块件悬臂拼装的施工方法进行安装、架设。其主要设计构思为：新增斜拉索索力的垂直分力与现安装预制构件的重力相等，同时通过在主梁内施加纵向预应力（分体内索和体外索两种）使得拼装面上的弯矩为零。于是现安装的预制构件对已拼装的主梁既不传递剪力也不传递弯矩而只传递轴向力，因而理论上现安装预制构件对已架设的结构不产生新的位移。这样就使得一个计算繁杂的施工控制问题得到了简化。
3 施工控制方法
3.1　控制原理
近20年来,斜拉桥在中国的发展形成了一些实用的控制方法,目前主要有:卡尔曼滤波法,即采用纠偏终点控制的思想,也就是在斜拉桥施工过程中将各种产生主梁线形偏差的因素不断用改变斜拉索索力的方式予以纠正,很显然,这种做法不仅要增加施工作业量,而且对斜拉索索力不利,或者说是将误差积累到索力中去;自适应控制法,当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时,把误差输入到参数辨识算法中去调节计算模型的参数,模型的输出结果与实际测量到的结果相一致,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;第三种方法是在设计时给予主梁标高和斜拉索索力较大的宽容度,当然对于每一节段长度的误差也有限制,这种做法虽然减少了控制的难度,但是对PC斜拉桥却不适用,原因是预应力混凝土斜拉桥的主梁应力或预制的斜拉索的长度都不容易具备较大的宽容度。除上述3 种方法以外,还有神经网络法、最小二乘法等。
斜拉桥的施工控制经常用自适应控制的方法。对于较简单的桥型,可在设计中估计结构恒载和活载,由此算出结构的预拱度,施工时只要按此预拱度施工,完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线型和内力。但在施工过程中实际状态和理想状态会存在误差,需对实际状态进行测量并进行误差反馈,通过分析计算求出控制参数的修正量,并在此基础上,再加上一个系统辨识过程,形成自适应控制系统。当测量到的结构受力与变形状态与模型计算结果不相符时,把误差输入到参数辨识算法中以调节计算模型的参数,使模型的输出结果与实际测量结果一致,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,再按上述反馈控制方法对结构进行控制。这样,经过几个施工周期的反复辨识后, 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。见图1。

3.2　结构分析
1.结构分析要选用合理的计算图式,考虑施工过程中结构的逐步形成和体系转换、临时支承的设置和卸除,以及结构各部分的强度增长,合理估计主梁架设各阶段的施工荷载。直线桥的施工控制计算一般采用平面分析,必要时采用三维空间分析。
2.斜拉桥张拉时主梁挠度大,张拉初期索的垂度较大,必须计入几何非线性影响。斜拉桥主梁和索塔都是压弯构件,其截面弯矩和轴力会产生耦合效应,应加以处理。要考虑混凝土收缩徐变、温度以及风荷载等偶然因素对结构变形和内力的影响。
3.斜拉桥施工时因恒载引起的内力与变形与施工方法有很大关系,主梁施工时的施工计算荷载除恒载、人群、施工机具等施工荷载外,还需考虑预应力、斜拉索的张拉力等。
4.结构分析软件常采用ANSYS8. 1,并用AL2GORFEA和“桥梁博士2. 8”系统进行校核。针对各施工阶段的实际情况建立正确的计算模型,单元类型采用拉索单元、梁单元、3D实体单元、板壳单元和边界单元。
5.预应力混凝土斜拉桥施工中各工况受力状态达不到设计要求的重要原因,是有限元计算模型中的计算参数取值(主要为混凝土的弹性模量、材料的相对密度、混凝土收缩徐变系数、构件重量、施工中温度变化以及施工临时荷载条件等)与施工中的实际情况有一定的偏差。斜拉桥的这种偏差具有累积性,因此,要根据施工实测结果予以修正,以使计算模型和计算参数符合结构的实际情况。
3.3　施工控制的原则与方法
施工控制的目的是:
(1)确保桥梁施工中的安全和顺利合龙;
(2)确保结构内力处于设计要求的状态;
(3)确保成桥线形符合设计要求。
在主梁架设阶段,以主梁的线形(即以标高)控制为主;在二期恒载施工中,以拉索张拉索力控制为主。“以标高控制为主”或“以索力控制为主”是相对的,应结合主梁刚度、施工方法等制定控制策略。斜拉桥施工的控制方法有一次张拉法、卡尔曼滤波法、多次张拉法等。对于采用悬臂拼装或悬臂浇筑方法施工的桥梁,主梁在塔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,这对自适应控制思路的应用是非常有利的。经过几个节段的施工后,计算参数已得到修正,为跨中变形较大节段的施工控制创造了良好的条件,这种系统方法目前是最好的施工控制方法。
3.3.1 斜拉桥施工的开环控制法
对于较简单的斜拉桥，一般都是在设计中估计结构的恒载和活载，计算出结构的预拱度来施工，施工完成后的结构基本上能达到设计所要求的线形和内力。这就是所谓的开环控制,因为施工过程中的控制应力：如预拱度、块件重量、预应力是单向决定的，并不需要根据反馈来改变。对于早期的斜拉桥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索力，在施工过程中只要按这样的位置和索力进行安装，理论上即可达到理想的成桥状态。这也是一个施工开环控制过程，在各个部件的制造和安装精度很高，且对结构的力学特征完全掌握的情况下，该法是可行的、无疑的。
3.3.2 斜拉桥施工的反馈控制法
当斜拉桥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状态，甚至危机结构安全。对于预应力混凝土斜拉桥，其施工中的精度保证相对较低，且设计计算中所采用的各项参数与现场材料参数存在一定的差距，因此，预应力混凝土斜拉桥的施工控制难度较大。反馈控制就是通过施工控制量的实测数据进行设计的，得出调整量，纠正偏差。
3.3.3 斜拉桥施工的自适应控制法
对于预应力混凝土斜拉桥，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系数（主要是砼弹性模量、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，以使计算模型与实际结构磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律。在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。
当结构测量的受力状态和模型计算结果不相符合时，把误差输入到参数识别法中去调节计算模型参数，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，经过几个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。由于预应力混凝土斜拉桥均采用悬臂浇筑砼的施工方法，主梁在塔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，这对上述自适应思路的应用非常有利。经过几个节段的施工后，计算参数得到修正，为跨中变形较大的节段的施工控制创造了良好的条件。
4 施工控制内容
斜拉桥与其它桥型结构的差异在于索力是可调的,通过千斤顶对斜拉索进行张拉或放松,能调整梁的标高,改善梁的内力状态,使其符合所选定的最佳状态。因此斜拉桥施工控制中索力控制是非常重要的。斜拉桥主梁的施工状态与成桥状态的差异很容易在梁内产生附加内力,为保证主梁在施工中的安全和成桥后的应力状态最佳,所以,主梁应力也是很重要的控制目标。成桥状态能否符合设计线形要求是工程验收的主要内容之一,成桥线形与施工过程紧密相连,因此在施工中,线形的控制也是必须的。
4.1线形控制内容及方法
线形控制主要是对箱梁的标高进行控制。桥面控制标高的影响因素包括立模标高和结构(含挂篮)产生的全部变形,线形控制即是通过预先计算这些变形, 提出逐阶段的施工立模标高,使桥梁建成后线形满足设计要求。
斜拉桥拉索一般不进行二次调索,主梁刚度较大,不能利用索力调整进行主梁线形调整,在箱梁混凝土浇筑过程中,必须对立模标高进行控制,即进行主梁施工线形的控制。在斜拉桥施工中,进行线形控制的目的不仅是为保证桥梁线形符合设计要求以及顺利合龙,而且关系到梁上索导管与拉索相对位置是否准确,拉索能否在索导管内自由活动,拉索在承受活载时是否受剪等问题。国内某些斜拉桥由于没有重视施工过程中索导管的定位,致使拉索抵死索导管,使得拉索承受额外的剪力,从而影响桥梁的耐久性。
预拱度设置一般由施工监控单位完成,施工单位除了在施工时考虑监控单位提供的施工预拱度外,还应考虑挂篮、施工支架等自身的弹性变形。
4.1.1 线型测量
测量时间宜选择在温度较为稳定的时段进行。遇到雨天或大雾天气，可视情况而定。
大桥的轴线和里程通常用全站仪进行测量,高程用水准仪进行测量。利用大桥两岸的控制网,用后方交会的测量方法将水准基点引至主墩(即:0#块的主梁上)。由于线形对温度、日照较敏感，所以测量时间应选在日出之前温度较恒定的时段内进行。必要时对已经建立的测量控制网进行联测和复测，以保证测量工作的稳定性和有效性。箱梁立模标高；立模标高是控制各节段主梁顶面高程的重要手段。在主梁悬臂施工过程中,应对施工各节段的立模标高进行测量。以便使主梁悬臂施工完毕后,主桥成桥竖曲线接近控制竖曲线,或使其调整量尽可能小。箱梁顶面标高；某一施工工况完毕后,对主梁顶面混凝土进行直接测量。在测量过程中,同一截面一般应测多点,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,根据不同的工况观察主梁的挠度(反拱) 变化值,按给定的立模标高(含预拱度)立模,也可得到主梁顶面的高程值。两者进行比较后,可检验施工质量。
4.1.2 计算模型的更新和线形修正计算
采用桥梁博士对全桥进行建模，模拟计算主要分析各施工工况下的结构受力状况，确定索力张拉方式并计算出初张拉索力，得出最优的成桥索力。
当实测的线形变化和计算出现偏差超出误差范围的话，应当对变异较大的参数进行参数敏感性分析。可以用最小二乘法来计算实际增加位移与预测增加位移之间的差值，再对模型的参数进行修正，进行目标几何线形及下一阶段预测。比较安装阶段末期的结构实际位移（实际累积位移）和预测位移；从本阶段的末期开始，利用分阶段分析来预测将来阶段的几何形状（假设本阶段末期的总位移就是模型中的开始位移）。比较最终的预测累积几何形状和目标几何形状，看结构是否在指定的误差范围内，按照要求的位移发展。如果最终的预测偏差超出了施工误差的范围，就查找偏差的原因，并评估最终桥梁几何形状的可接受性。如果需要修正，就计算将要安装的节段调整值，并用最小二乘法来修正最后阶段的分析，为保证线形的平顺，调整需要在一定的梁段范围内进行。
影响主梁线形的因素很多,在施工过程中应注意以下几个方面的问题:
(1)混凝土弹性模量对结构变形影响较大,而碎石原材料直接影响混凝土弹性模量,在混凝土配合比设计中,应注意采用硬度较大的母材。
(2)混凝土养护条件将影响混凝土的后期徐变,因此应特别注意混凝土洒水养护,并严格控制张拉控制条件。
(3)对于采用悬臂浇筑的桥梁,挂篮利用滚轴纵移到位、浇筑混凝土前,必须安装刚度较大的刚构件将滚轴换下,以防在浇筑混凝土过程中,滚轴压缩变形,影响主梁线形。国内某桥发生过由于以上原因在浇筑完后致使滚轴压扁、影响节段线形的事例。
4.1.3 立模标高的放样和线形测量
受温度变化的影响，混凝土表面和混凝土梁体内存在温差，从而使混凝土梁产生上挠和下挠的变化。只有掌握温度变化对箱梁标高影响“量”的规律,考虑箱梁施工的标高放样中温度的影响,才能使施工的标高接近监控标号。为此在浇注完之后，进行了全天24 小时温度变化对长悬臂标高影响规律的观测试验，试验中，每隔4 小时进行一次标高测量，在此同时，纪录大气温度、混凝土内部从底板至定板各个点的温度及斜拉索内部和PE 表面的温度。
4.2　索力控制
4.2.1索力测量
一般采用脉动法(或称频谱分析法) ,利用附着在拉索上的高灵敏度传感器拾取拉索在环境激励振动下的振动信号,经过滤波、放大和频谱分析确定拉索的自振频率,然后根据自振频率与索力的关系确定索力。可采用激振器激振或人工激振,亦可采用环境随机振动,测试监控状况、调索状况和成桥状况的索力。
(1)监控状况测量:当吊机(对预制拼装施工)或挂篮(对悬臂浇筑施工)行走到位后,测量前几对索的索力(一般为3 对) ,为控制分析提供初始数据。当要进行(N + 1)号梁段施工时,测量N ～ (N -2)号梁段对应的索力值,然后通过控制分析计算出(N + 1)号梁段的索力和线形应达到的目标值,从而发出(N + 1)号梁段施工的有关指令。
(2)调索状况测量:当梁段施工完成以及索力张拉到位后,测量前3对及本对索的索力及其偏离设计值(或目标值)的大小,以便及时进行调整。
(3)成桥状态测量:在全桥合龙、二期恒载完成后,对各斜拉索进行一次索力测量,为内力(主梁内力以及索力)或线形调整提供依据。
4.2.2 索力离散性控制
矮塔斜拉桥中采用平行钢绞线拉索体系的特点是在现场逐股挂设、逐股张拉,然后再整体张拉每根拉索,在拉索挂设时,如何控制每束中各根钢绞线之间、对应两束间、每束塔两边索力离散值,将直接影响桥梁的使用性能。由此可见,矮塔斜拉桥对斜拉索索力控制要求较高,为达到设计要求,在单股钢绞线张拉施工过程中,国内一般采用等值张拉的施工工艺。所谓等值张拉工艺,是根据后面张拉的各股拉索对已张拉的前面各股拉索的动态影响,确定后期拉索的拉力,使得最先张拉拉索的拉力和最后张拉的拉索拉力均在设计要求的范围内,从而控制每根拉索各股间的误差。为指导后期各股拉索的拉力,在第二根拉索的两端锚下(第一根拉索有PE管等的影响)各安装1 个压力传感器,通过传感器测得以后张拉各股钢绞线时第二根钢绞线的拉力,后张拉的钢绞线拉力即以此值为控制应力,从而使得每根拉索各股钢绞线拉力动态相等,第一根钢绞线拉力为设计拉力的95% ,拉完最后一根钢绞线后,拆除第二根拉索上的传感器并根据拆下传感器时的传感器显示数值来补充张拉第二根拉索。在单根拉索挂设完毕后整根拉索索力控制采用千斤项张拉油表及索力仪控制。由于平行钢绞线锚具是采用螺母顶紧梁体实现锚固,整根拉索采用索力仪测试索力时,必须是在锚具螺母拧紧、松开千斤顶后进行,只有这样,通过索力仪测试的数值才是锚固后索力的真实数值,也正是此原因,在整体张拉过程中,应特别注意拧紧螺母,以防索力由于拉索回缩减小而二次张拉。
4. 3　主梁应力控制
斜拉桥应力监测包括梁的安装应力监测和塔的施工应力监测,主要目的是了解梁塔控制截面的应力状况并对梁体重量及其他荷载变化情况进行判断。对混凝土梁,在埋设应力测点的相同部位埋设不受应力的补偿计,补偿混凝土自身的体积应变和收缩应变以及自由温度应变,并且在测试工艺上采取有效措施使混凝土徐变和温差产生的应变减少到最低限度,或根据测量时的混凝土龄期、环境温度状态进行修正。
4. 4　索塔应力测试
索塔主要承受斜拉索传来的竖向力、桥塔两边拉索水平分力之差引起的弯矩、施工荷载以及突发施工事故使桥塔产生的较大变形与应力。通常应在索塔塔柱底部截面、桥面塔柱截面以及其他可能出现较大应力的截面埋设传感器,观测桥塔施工至塔柱完成、安装斜拉索以及主梁悬臂浇筑过程中关键工况施工阶段的应力。另外,还应监测塔在施工中可能承受的风载及其他荷载引起的应力。
4. 5　温度控制
影响大跨度斜拉桥施工控制精度的因素很多,在各种因素中最复杂的是施工中温度影响的分析。由于设计施工立模标高是在规定温度的情况下确定的,而在施工阶段桥体温度是一个复杂的随机状态。大跨度悬臂现浇主梁式斜拉桥上部构造的施工周期较长,一般都经历寒暑,不可避免受到季节性温度变化的影响,同时一天中日照强度和角度的变化也会引起结构产生复杂的变形。斜拉桥施工控制中一般采用尽量回避温度影响的在凌晨测量的办法来消除日照温度效应,但常常难以寻找一个均匀稳定的温度场,目前国内外也一直没有一套可以精确计算日照温差影响的方法。因为有不均匀温差的影响,当实测的主梁桥轴线线形和计算期望的线形相比较时,会发现两条线形有较大的误差,所以在施工中必须对不均匀温差进行修正,而计算不均匀温差便成为监控工作中必不可少的环节。
温度影响可分为昼夜温差影响及季节温差影响。前者是指太阳起落引起的桥梁混凝土结构由表及里(深度≤4 cm)的表层温度梯度,使混凝土产生非均匀变形,后者是由于长期的昼夜变化使混凝土结构产生基本均匀的伸缩。由于主梁和拉索的刚度比空心箱形混凝土塔身刚度小(主梁抗弯刚度约为塔身的1. 90～1. 25) ,加之斜拉索又细又长,对温度变化十分敏感,容易掩盖主梁因昼夜温差产生的变形。季节性温差则使塔、梁、索产生均匀伸缩。总之,温度引起的主梁变形因悬臂长度的增加而增加。但是,从挠度实测值中分离出温度引起的变形相当困难,因此宜在一天中当日照温差对结构变形影响最小的时候(如清晨)进行测量,并在对温度变化所产生的内力和变形作定性的分析后,采取相应措施,最大限度地保证施工监测值的真实性。
5 施工控制中的误差处理
桥梁结构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、施工误差、测量误差、结构分析模型误差等综合干扰因素所致。根据结构理想状态、现场实测状态和误差信息进行误差分析, 对结构进行后期调整和前期预报, 是施工控制的两大任务。
设计参数误差是引起大跨度桥梁施工误差的主要因素之一。所谓设计参数误差就是进行桥梁结构分析时所采用的理想设计参数与实际状态之间的偏差。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误差, 经过修正设计参数误差, 来达到控制桥梁结构的实际状态与理想状态的偏差的目的。
不论采用什么样的施工方法，施工控制中总是需要对理论计算值与实测值之间的误差进行处理、识别以及根据实际需要对索力进行调整。
5.1 基于现代控制理论
卡尔曼滤波法是一种线性最优随机控制法，它以主梁挠度作为随机状态变量，索力作为控制变量，通过选取索力控制梁端挠度，索塔水平位移为一特定值时，是结构的应变能最小来进行最优终点控制。斜拉桥恒载索力是根据刚性支承连续梁的原理而给定的，然后逐步算出各施工阶段的索力及相应的挠度，如按此预定的索力进行施工，到某阶段必然会产生挠度偏差值，即真正要使梁体内力达到刚性支承连续梁的内力状态，必然改变原来设计索力，使挠度达到预定值，从实测的挠度偏差量、塔顶水平位移，应用卡尔曼滤波法理论公式从而可以顺利计算出索力的调整量。
5.2 参数识别修正法
该法根据控制目标（索力、主梁标高、索塔顶水平位移等）的实际测量值与施工理论计算值的误差来修正理论计算索力用的参数（砼弹性模量、结构刚度、主梁自重、砼徐变系数），该方法可通过基于控制论的最小二乘法来实现。
灰色理论法是以灰色动态模型GM( 1, 1) 作为预测模型, 并及时进行模型的反馈校正, 但始终保持模型的结构不变。灰色理论主要适用于大系统, 虽然可以对模型进行修正, 即利用残差数据建立残差的灰色模型, 将其结果迭加到原模型上, 但由此增大了计算工作量, 而且修正是有限度的。
最小二乘法是一种传统的优化方法, 它的理论体系和计算方法都比较完善。在我国桥梁工程中的应用始于20 世纪80 年代后期, 有许多知名学者将它应用在斜拉桥的施工控制中, 主要用于设计参数的辨识和修正, 并取得了较好的成果。如何保证设计参数的估计值收敛于它的真值是最小二乘法应用的关键。
6 混凝土斜拉桥施工控制新进展
在混凝土斜拉桥施工控制的实践中, 结构参数识别技术和现场立模标高实时修正方法水平得到了很大提高。前者是斜拉桥施工控制中实现主梁标高和斜拉索索力双控的重要的基本手段之一, 主要解决理论值与实际值不一致性问题; 而后者为斜拉桥施工控制中的特色问题, 其目的主要是为了解决实际施工时结构控制变量的连续动态变化与理论计算时依赖固定工况而使变量相对间断和具有局限性之间的矛盾。
现代计算机技术的发展为斜拉桥施工控制提供了新动力。采用斜拉桥施工控制理论, 结合工程实践, 实用的斜拉桥施工控制软件应运而生,不仅能实现斜拉桥施工控制的基本功能, 最重要的特点是具有可视化功能, 在应用的时候更加直观、方便, 效率和准确率均得到提高。目前混凝土斜拉桥的跨度、宽度增大, 横截面形式多样, 双向甚至三向预应力的大量使用, 使得结构受力复杂, 空间效应明显, 平面分析的结果已经很难反映桥梁的实际受力情况。在施工控制中为减少理论计算和实际情况的不一致, 结构计算采用空间分析成为必要的辅助手段。除了商品化有限元软件, 一些专业的桥梁空间分析软件的编制和应用, 在斜拉桥的施工控制中取得了较好的效果。
结语
混凝土斜拉桥的施工控制, 在我国桥梁建设中从无到有, 为保证桥梁施工过程中和成桥运营时结构的安全, 结构线形和内力符合设计要求, 起到了重要的作用。特别是随着混凝土斜拉桥跨度和宽度的增加, 结构受力趋于复杂, 施工难度也随之攀升, 施工控制理论和技术的发展显得更加迫切, 这也是我们从桥梁大国走向桥梁强国的必备条件。

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