铜黄高速连续刚构特大桥施工监控计划2

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1、榆阳河大桥连续刚构桥施工监控监控方案陕西建大工程技术中心有限公司二零壹二年陆月1、工程概况 榆林市东沙南延枢纽工程中的金沙路位于城市最东端，为榆林市的东边界。榆阳河大桥位于金沙南路跨越榆阳河谷地地位置，南北走向，桥梁起点桩号K2+911.30m，终点桩号K3+312.70m,桥梁全长401.40m。桥梁采用双幅桥形式，单幅桥宽18.5m,左右幅桥间空3m,桥梁面积14851.8。 本次桥梁分跨为：340m简支转连续预应力混凝土预制箱梁+（62+110+62）m预应力混凝土连续钢构+40m简支预应力混凝土箱梁。（1）主桥上部结构主桥上部结构为62+110+62米预应力混凝土刚构-连续梁组合体系，

2、由一个单箱单室箱形断面组成。箱梁根部高度8.3米，跨中梁高3.2米，其间梁高按1.8次抛物线变化。箱梁顶板宽16.65米，底板宽8.65米，顶板厚0.32米，底板厚由跨中0.32米按1.8次抛物线变化至根部1.0米，桥墩顶部范围内箱梁顶板厚0.5米，底板厚1.3米（1.8）米，腹板厚0.9米。单薄壁顺桥向尺寸5米的桥墩顶部箱梁内设2道横隔板单薄壁顺桥向尺寸7米（7.5米）的桥墩顶部箱梁内设3道横隔板外，跨中设置两道横隔板。桥面横坡采用不同腹板高度予以调整。主桥箱梁除墩顶块件外，各“T”箱梁均采用挂篮悬臂浇筑法施工，分18对梁段，进行对称悬臂浇筑。桥墩墩顶块件长12.0米，中孔合拢段长2.0米，

3、边孔现浇段长3.89米，边孔合拢段长2.0米。主梁采用纵、横、竖向三向预应力体系。纵向预应力：主桥顶板束、边跨合拢束预应力钢束采用23S15.20钢绞线，OVM15-23锚具，中跨合拢束预应力钢束采用21S15.20钢绞线，OVM15-21锚具，中跨底板束、边跨底板束、腹板下弯预应力钢束采用19S15.20钢绞线，OVM15-19锚具，锚下张拉控制应力con=1395Mpa。横向预应力：顶板采用3S15.20钢绞线，BM-3扁锚，以50厘米间隔布置，交叉单端张拉锚固，锚下张拉控制应力con=1395Mpa。竖向预应力：采用JL32高强度精扎螺纹钢筋，设计张拉力560KN，腹板采用双肢布置。为方

4、便施工，竖向预应力钢筋可用作悬臂施工时挂篮的后锚点，锚固钢筋根数可根据施工挂篮及块件自重、施工动力荷载、材料自重等因素综合考虑确定，其安全系数控制2.0以上。（2）主桥下部结构主桥2-3号桥墩采用单薄壁空心桥墩，2-3号桥墩横桥向宽8.65米，顺桥向单薄壁尺寸为7.0米、7.5米，壁厚顺桥向0.7米，横桥向0.9米。分隔墩采用单薄壁空心墩，横桥向宽8.65米，顺桥向尺寸为3.0米，壁厚0.5米。主桥墩采用直径1.8米，2.0米的钻孔灌注桩基础，分隔墩采用直径1.5米的钻（挖）孔灌注桩基础。2、施工监控的目的及意义随着我国交通事业的不断发展，急需修建更多的高墩大跨径桥梁跨越大江大河和深谷，同时预

5、应力混凝土施工工艺的不断完善，采用挂篮悬臂浇筑节段混凝土，实现无支架而靠自身结构进行施工的先进方法，使得预应力混凝土连续刚构桥得到了更大的发展。分段悬臂浇筑法是目前国内外大跨径预应力混凝土连续刚构桥的主要施工方法。当桥梁下部结构施工完成之后，从桥墩墩顶部位浇筑箱梁零号块开始至全桥箱梁合拢，其间经历逐段立模浇筑混凝土节段，分批张拉预应力钢束，逐步至全桥合拢的较长施工过程。在这个施工过程中，对于高墩大跨径连续刚构桥，其施工阶段比较多，各个阶段的变形、内力、应力与墩高、荷载大小、混凝土收缩、徐变、预应力筋应力损失、温度、施工误差、材料特性等多种因素有关，加之各阶段混凝土加载龄期不同的相互影响，从而会

6、造成桥梁在施工过程中的每一状态不可能与设计状态完全一致，结构的受力变形过程表现为非平衡的随机过程。大量荷载试验表明，其实测值总小于理论值，从强度角度来讲，具有安全储备，符合新建桥规范；从变形的角度来讲，实际变形小于理论变形，实际刚度大于理论刚度，如果仅用理论刚度来进行施工控制，就无法实现结构的空间设计位置。因此，为了保证施工质量，必须对梁的整个悬浇过程进行施工控制，在施工过程中对结构内力和变形不断进行监测，分析其与设计理论值间的关系，对施工过程及有关控制参数加以调整和控制，保证建成后的主梁线形及结构的受力状态符合设计期望值，结构受力尽可能处于最优状态。所以实施桥梁监控量测，及时、准确地提供施工

7、控制数据对桥梁的施工质量有着重要的意义。同时为了保证桥梁施工安全，必须对悬浇的整个过程进行施工监控。因为桥梁所采用的施工方法均是按预定的程序进行。施工中的每一阶段，结构内力和变形是可以预计的，同时可通过监测手段得到各施工阶段结构的实际内力和变形，从而完全可以跟踪和掌握施工进程和发展情况。当发现施工过程中监测的实际值与计算的预计值相差过大时，就要进行检查和分析原因，这样就避免了不安全事故的发生。可以说施工监控量测是桥梁施工过程中的安全监测系统，为了确保施工安全，监控量测必不可少，尤其对造价昂贵的大跨径连续刚构桥更为重要。施工监控工作一方面是保证各个施工阶段能安全、可靠地进行；另一方面是结合测试分

8、析和模拟计算，对施工过程中结构状态的变化进行有效的预测和控制，优化施工工序、保证工程质量。现在国内同类桥梁在建设中均进行了全面的监控工作，充分反映了桥梁施工监控的重要性和必要性。3、施工监控的基本思路和方法根据我单位施工监控的数座高墩大跨径连续刚构桥的经验，施工监控的基本思路和方法可归纳如下：（1）收集设计和施工文件，对施工全过程进行模拟计算，得出各主要阶段的变形和应力状态的数据，并作数据分析或图表文件进行存放。（2）协同设计、监理和施工单位优化预定的施工监控方案，制定实施细则，报送业主审查。（3）做好监控前的准备工作，如：材料进场、设备购置、仪器标定、传感器的安装、测试系统的调试等。（4）对

9、施工所涉及材料的性能进行试验和测定，掌握其弹性模量、收缩、徐变及热膨胀系数的变化规律，这些工作将为施工监控中的计算过程提供可靠的经过实际修正的参数。（5）对悬灌施工的重要设备施工挂篮进行变形分析研究和计算，并进行必要的静力荷载试验。（6）实施监测：一是对施工过程中的关键工序进行按时跟踪监测，确保关键施工工序的安全、可靠；二是阶段性状态监测，当施工到某一相对稳定的状态时，测试结构的线形、变位以及应力状态。（7）实施监控：对比施工模拟计算和阶段性监测的实测值，分析偏差原因，利用实测参数和动力特性的测试分析参数，并考虑收缩、徐变和环境作用的影响修正模拟计算值，对下一步施工的结构变形和应力状态进行预测

10、，以确定下一阶段的调整量。监控程序如图2施工监控流程图所示。收集设计、施工文件混凝土试验成果、施工挂蓝参数、施工工艺、施工计划施工过程的计算模拟细化和优化施工监控方案、制定施工监控细则专家审查监测监控准备工作材料设备购置仪器设备和测试系统标定辅助设施的设计制作传感器的安装调试基准点设置监测、监控关键工序的实时跟踪监测阶段性监测控制点变形控制截面应力线型、位移应力测试温度场预应力监测结果分析偏差分析环境作用分析材料参数变异分析修正模拟计算值预测指导下一步施工图2 施工监控流程图4、施工监控4.1施工监控系统的建立桥梁施工控制的实施涉及到方方面面，所以必须事先建立完善、有效的控制系统才能达到预期的

11、控制目标。桥梁施工控制系统的建立及其功能的确定要根据不同的工程施工实际分别考虑。一般施工控制系统都具备管理与控制的功能，施工控制系统由施工控制管理与施工现场控制两个分系统组成。施工控制系统如图3所示。施工控制管理分系统桥梁施工控制系统施工现场控制分系统施工控制分析支系统误差与实时跟踪分析支系统施工状态监测与参数识别支系统图3 施工控制系统框图（1）施工控制管理分系统大跨度桥梁施工控制是一个较大的系统工程，它必须具备足够的人力、物力、财力以及先进的管理手段才能使其正常运行。桥梁施工通常要涉及到业主、设计、施工、社会监理、政府监督、施工控制等多个部门及单位，这些单位都将在施工控制中起到不同程度的作

12、用，他们既分工负责又协同作战。本桥施工控制管理系统如图4所示。设计单位业主控制单位监督单位施工单位监理单位意见意见意见意见监督协调协调通报协调协调通报通报控制反馈控制指令监督执行控制指令控制反馈图4 施工管理系统框图（2）施工现场控制分系统施工现场控制分系统是施工控制系统的核心，它包含整个施工控制的主要分析过程，具有数据比较、结构当前状态把握、误差分析、参数识别、前进或倒退仿真分析、未来预测等功能。施工现场控制分系统由多个支系统组成。施工控制分析支系统该系统是指采用专业软件对结构进行施工模拟计算分析，判断当前结构状态是否与实际相符和对未来状态进行预测。结构状态监测与参数识别支系统结构状态监测是

13、为控制模拟分析提供合理的基本参数。参数识别是为判断当前施工状态是否与设计值相符提供实际参数。 误差分析与实时跟踪分析支系统施工控制中总存在误差，这些误差均将使施工偏离理想状态和控制目标。该系统主要功能是：对结构理想状态、实测状态和误差信息进行分析并做作出最佳调整方案，使结构施工实际状态与设计理想状态的差值控制在允许范围内；在计入结构参数调整修正值、结构初始状态最优估计值、结构施工误差、量测误差等信息后，通过控制模拟分析系统对结构施工状态确定出超前预测控制值。 4.2 施工监控的主要内容（1）基础资料试验数据的收集混凝土龄期为3、7、14、28、90天的弹性模量试验以及按规定要求的强度实验；钢筋

14、混凝土容重。气候资料：晴雨、气温、风向、风速。挂篮支点反力及其他施工荷载在桥上布置位置与数值。以上数据由相关单位提供（2）施工控制的主要内容与技术路线主跨在施工过程中及成桥后的结构分析；施工控制误差分析；主跨结构设计参数识别；结合控制的实时跟踪分析；施工控制软件的简单操作说明；进度计划安排；有限元分析计算模型的优化；墩身和箱梁施工过程中的稳定性分析；挂篮设计方案安全性评估，要满足铁路部门对施工时安全的要求。（3）施工监测的主要内容与技术路线施工挂篮静力荷载试验；结构截面的应力监测；砼弹模、容重的测定和收缩、徐变、热膨胀系数的确定；高桥墩施工监测；主跨结构施工监测；钢绞线管道摩阻损失的测定；温度

15、监测；墩身稳定性监测；预应力钢筋应力监测；腹板抗剪性监控。4.3 施工控制结构分析计算大跨度桥梁的施工均采用分阶段逐步完成的施工方法，结构最终形成必须经历一个漫长而又复杂的施工过程，对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析是桥梁施工控制中最基本的内容。现阶段混凝土连续刚构桥施工控制计算方法有两种：前进分析法和倒退分析法。4.3.1前进分析法又称正装计算法，是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，它能较好的模拟桥梁结构的实际施工历程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，不仅可以用来指导桥梁设计和施工，而且为桥梁施工控制提供了依据。前进分析法的目的在于确定成桥结构的受力状

16、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、荷载形式在不断的改变，前期结构将发生徐变，其几何位置也在改变，因而前一阶段状态将是本次施工阶段结构分析的基础。（1）基本原理悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续刚构桥的前进分析计算如下： 确定结构初始状态：主要包括：中跨、边跨（次边跨）的大小、桥面线形、桥墩的高度、横截面信息、材料信息、约束信息、混凝土徐变信息、施工临时荷载信息、二期恒载信息。 基础、桥墩和0号块浇筑完成：计算已浇筑部分在自重和外荷载作用下的变形和内力。 在每一个桥墩上对称地依次悬臂浇筑各个块件，直到悬臂浇筑完成，挂篮拆除。计算每一次悬臂浇筑时结构的变形和内力，每一阶段计

17、算均依照上一阶段结束时结构变形后的几何形状为基础。 进行边跨合拢（次边跨合拢）、中跨合拢，计算这几个主要阶段结构的变形和内力。 桥面铺装：计算二期恒载作用下结构的变形和内力。综上所述，前进分析法具有以下几个特点： 桥梁结构在作前进分析之前，必须先制定详细的施工方案，只有按照施工方案确定施工加载顺序进行结构分析，才能得到结构的各个中间阶段和最终成桥阶段的实际变形和受力状态。 在结构分析之初，先要确定结构最初的实际状态，即以符合设计的实际施工结果（如跨径、标高等）倒退到施工的第一阶段作为结构前进分析计算的初始状态。 本阶段的结构分析必须以前一阶段的计算结果为基础，前一阶段的结构位移是本阶段确定结构

18、轴线的基础，前一个施工阶段结构受力状态是本阶段结构时差、材料非线性计算的基础。 对混凝土徐变、收缩等时间效应在各个施工阶段中逐步计入。 在施工分析过程中严格计入结构几何非线性效应，本阶段结束时的结构受力状态用本阶段荷载作用下结构受力与以前各阶段结构受力平衡而求得。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，还为结构刚度、强度验算提供依据，而且可以为施工阶段理想状态的确定、完成桥梁结构施工控制奠定基础。前进分析程序系统流程图如图5所示。（2）几何非线性分析几何非线性即是大位移问题。大多数大位移问题，结构内部的应变是微小的，而且材料的应力应变关系基本呈线性的。当荷载作用在桥梁结构的某个节点

19、上，该节点将发生位移，荷载也随之移动，这种位移不仅改变了荷载相对于与该节点相连接的杆件的作用方向，而且改变了荷载对结构上其它节点产生的弯矩。如果位移量大，就会严重的影响荷载对结构产生的效应。因此，考虑几何非线性的影响对于大跨径桥梁结构分析是十分必要的。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解激活本阶段结构上的预加力束本阶段所增块件自重与施工荷载内力与位移计算本阶段预加力效应（内力与位移）计算挂篮前移效应（内力与位移）计算混凝土收缩徐变内力与位移计算对施工阶段循环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截面特性修正内力、位移及体系预加力沿程分布写入外设预加力损失

20、计算开 始结 束数 据 输 入图5 前进分析流程图（3） 混凝土材料非线性分析在大跨径桥梁中，钢筋混凝土结构无论是钢筋还是混凝土，都存在材料非线性问题，在精确理论分析中应当予以考虑，它包括在短时间荷载作用下混凝土的非线性应力应变关系。（4） 混凝土收缩与徐变分析混凝土的徐变、收缩与混凝土的组成材料和配合比，周围环境的温度与湿度，构件截面形式与混凝土养护条件，以及混凝土的龄期都有关系，除此之外，还与混凝土水灰比，水泥种类和用量、构件与大气的接触面积等众多因素有关。对箱梁结构而言，徐变的影响主要表现在以下几个方面：主桥箱梁在悬臂施工阶段，其受力图式为T型的悬臂端带支撑的超静定结构悬臂梁，混凝土的徐

21、变是存在的，主桥合拢后体系发生转换时从前期结构继承下来的应力状态所产生的徐变受到后期结构的约束，从而导致结构内力和支点反力的重分布；由于徐变的作用使预应力钢束发生应力损失；由于徐变的作用，使箱梁发生徐变挠度，而悬臂施工阶段箱梁截面上的应力仅为弹性应力而无徐变引起的应力。但是由于钢筋应力计埋在混凝土中，当混凝土发生徐变变形时，根据变形协调原理，钢筋应力计也要发生变形，其值与相应的变形一致。因此，应当由应力计的总应变中扣除这时刻发生的混凝土徐变应变值作为混凝土的弹性应变实测应力计算参数。根据规范公式，本项目将结合试验成果，修正徐变与收缩的总效应，利用桥梁结构实用计算程序求算混凝土徐变、收缩影响的理

22、论值。在桥梁施工过程中，由于混凝土龄期短，混凝土徐变、收缩影响较大，必须加以分析和控制。混凝土徐变收缩各影响因素在实验上的统计结果也有15%-20%的变异系数，而且实验的试件和实验环境往往与实际结构物所处的条件相距很远，故精确度较低。公路桥规的徐变分析理论考虑了瞬时徐变、滞后弹性徐变以及塑性徐变三部分徐变特性。可以采用递推分析法分析各阶段收缩徐变的影响。4.3.2 倒退分析法也称倒装计算法，是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构分析，其目的是为了获得桥梁结构在各个施工阶段理想的安装位置和理想的受力状态。即从成桥状态开始逐步地倒拆计算得到施工个阶段中间的理想状态和初始状态。前进分析可以

23、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改变，最终结构线形不可能完全满足设计线形要求。实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要，线形误差将造成桥梁结构的合拢困难，影响桥梁建成后的美观与营运质量。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来实现，而对于分阶段施工的连续梁桥，一般要求给出各个施工阶段结构物控制标高（预抛高），以便最终使结构物满足设计要求。这个问题用前进分析是难以解决的，而倒退分析系统可以从根本上这一问题。（1）倒退分析的基本原理它的基本思想是：假定t=t0时刻结构内力分布满足前进分析t0时刻的结果，轴线满足设计线形要求。在此初

24、始状态下，按照前进分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次拆除一个施工阶段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析得到的结构位移、内力状态便是该阶段结构理想的施工状态，所谓结构施工理想状态就是在施工各个阶段结构应有的位置和受力状态，每段的施工理想状态都将控制着全桥的最终形态和受力特性： 倒退分析时的初始状态必须由前进分析来确定，但初始状态中的各杆件的轴线位置可取设计轴线位置。 拆除单元的等效荷载,用被拆单元接缝处的内力反向作用在剩余主体结构接缝处加以模拟，这些内力值可以由前进分析计算来得到。 拆除杆件后的结构状态为拆除杆件前的结构状态与被拆杆件等效荷载作用状态的叠加。换言之，本阶段结束时，结构的受力状

25、态用本阶段荷载作用下的结构受力与前一阶段结构受力状态相叠加而得，即认为在这种情况下线性叠加原理成立。 被拆构件满足零应力条件，剩余主体结构新出现的接缝面应力等于此阶段对接缝面施加的预加应力，这是正确进行桥梁结构倒退分析的必要条件。混凝土的收缩徐变与结构的形成历程有着密切的关系，徐变应变不仅与混凝土的龄期有关，而且与作用在混凝土构件上的应力应变有关。因而结构在进行倒退分析计算时，一般是无法直接进行徐变计算的。为了解决这一问题，一般是应用下述的方法：在进行前进分析时，先不计混凝土收缩徐变的影响，计算出结构的内力和变形值，然后再计算出结构计入混凝土收缩徐变后的内力和变形值，两者相减则可以得到每一阶段

26、混凝土收缩徐变产生的内力和位移值，将其保存起来。接着进行倒退分析，按阶段扣除前进分析时相应阶段混凝土时效的影响倒退分析程序系统流程如图6所示。对施工阶段循环t=t0时刻状态阶段末状态输出立模时刻（阶段初）的状态数据，预留拱度及立模标高施工初态阶段初状态开 始结 束数 据 输 入图6 倒退分析流程图（2） 几何非线性分析对于几何非线性十分明显的大跨度桥梁，一次倒装分析的结论并不是理想的初始状态。由于结构非线性的影响，要确定结构的理想状态，就必须完成倒装计算和正装计算的交替迭代过程，也就是用循环迭代逼近分析的方法。循环迭代逼近分析方法是依据已知的设计成桥状态进行倒装分析，一位移反推结构的最初状态，

27、由此得到第一次拟理想初试状态，依此初试状态按施工顺序进行正装计算，求出新的成桥状态。由于几何非线性的影响，倒装、正装一次分析结果并不吻合，因此，要求反复多次进行正装计算、倒装计算，直到计算成桥状态与设计成桥状态一致。由此得到的收敛值就是理想的初试状态。（3） 混凝土收缩与徐变的分析倒退分析是桥梁施工阶段的计算方法。但是以往的倒退分析方法都无法计入徐变收缩对结构内力和变形的影响。原因是徐变收缩计算在时间上只能是顺序的，而倒退分析方法在时间上又恰好是逆序的。对于混凝土材料的桥梁（特别是悬浇的情况）如果在结构变位和内力计算中不计入徐变收缩的作用，引起的误差将是显著的。下面讨论徐变倒退分析方法：徐变应

28、力应变可以表达为： （4-1）式中：为初始时刻时的混凝土应力； 为龄期为时混凝土弹性模量；徐变老化理论有一很重要的特性：已知结构初始时刻的内力可以求出徐变终了时结构内力；反之，已知结构徐变终了时，由结构内力亦可求出结构的初始内力。这种特性是徐变弹性体理论和继效理论所不具备的，这就有可能考虑徐变影响对桥梁进行倒退分析。 在实际结构中应力与时间关系近似示于图7。图2-3 实际结构中应力与时间关系图7 应力与时间关系图图7中表示时刻的瞬时弹性应力，表示时段的徐变应力增量，实际结构中应力与时间关系则第个时段的徐变即的徐变应变为 （4-2）利用积分中值定理，有 （4-3）令 （4-4） （4-5）其中

29、于是式（4-3）有 （4-6）而老化理论 （4-7）这样，式（4-4）、（4-5）变换为 （4-8）将上式代入式（3-8），得： （4-9）令 （4-10） （4-11）由图中看出是时刻的结构真实应力。由于在倒退分析中，首先已知即时刻的结构真实应力，现在要求第阶段的徐变应力增量，于是需进行如下变换 （4-12）式中： （4-13）为第时刻的结构真切实应力； （4-14）称为倒退分析徐变弹性模量。式（4-12）中为已知，为时效系数，因此与正装分析的方程类似，仅是徐变弹性模量有差异。方程（4-12）可按徐变增量法求出，从而可以求得时刻的结构真实应力。如此一步一步地进行倒退分析，可以确定当考虑徐变影

30、响时的主梁应力，进而可得主梁变形。老化理论没有考虑弹性滞后的影响，如果采用改进的老化理论，即在老化理论徐变系数表达式中加上一常数，即能近似考虑弹性滞后的影响，则倒退分析亦是可能的。不过必须分两种情况进行分析。当在时段即进行分析时，可按式（4-12）进行分析，仅是值应是改进老化理论导出的值。在时刻，即，因要拆除某一部分结构而产生瞬时弹性应力，这里应特别注意倒退分析时应力符号，此时 （4-15）式中为改进老化理论徐变系数表达式中的常数，因已知，因此可以求得时刻的瞬时徐变压应力。若采用改进老化理论来进行徐变倒退分析，那么，对于第时段应使用方程（4-12），而对于时刻的瞬时弹性应力的瞬时徐变应力的分析

31、应使用方程（4-15）。本项目实施过程中使用老化理论分别计算成桥和成桥1000天后各阶段预抛高，以期消除成桥后混凝土徐变对箱梁挠度的影响。应力监测时从应变计的总应变中扣除截至此时刻发生的混凝土的徐变应变值，得到结构的真实弹性应变值，再求出其应力值。4.3.3 拟采用的结构分析软件本项目拟采用Dr.Bridge分析软件和Midas分析软件进行结构分析。4.3.3.1 Dr.Bridge分析软件Dr.Bridge系统是一套通用桥梁结构设计施工计算系统，具有强大的直线桥梁、平面斜、弯和异型桥梁设计与施工计算功能，能进行各种结构体系的恒载与活载的线性与非线性结构响应计算，能够实现复杂的截面施工操作，能

32、够有效地模拟施工中采用的临时支架和挂篮设备，能够进行结构上下部共同作用的分析；并能够自动计算每根拉索的施工张拉力；能够自动按照规范进行三种承载能力极限状态组合和六种正常使用极限状态组合（包括施工阶段组合V）,并根据需要进行这九种组合的配筋计算或应力验算和强度验算及抗裂性验算；系统同时附有截面设计计算、活载横向分布系数计算以及基础计算等模块。4.3.3.2 Midas分析软件是针对土木结构，特别是分析象预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。是目前广泛使用的一种空间结构分析程序，具有强大的结构分析功

33、能。尤其适用于大型结构的空间内力分析，对动态加载和地震力分析具有独到之处。4.4 施工控制误差分析连续刚构桥是施工监测识别调整预告施工的循环过程，其实质就是使施工按照预定的理想状态（主要是施工标高）顺利推进。而实际上不论是理论分析得到的理想状态，还是实际施工都存在误差，所以，施工控制的核心任务就是对各种误差进行分析、识别、调整，对结构未来做出预测。4.4.1 预测控制法连续刚构桥在梁段浇筑完成后出现的误差，除张拉预应力索外，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做出必要的调整。所以，要保证控制目标的实现，最根本的就是对立模标高做出准确的预测，而预测控制法是连续梁桥

34、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刚构桥，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。其基本结构如图8所示：图8 误差控制的基本结构预测控制以现代控制论为理论基础，其预测

35、方法常见的有卡尔曼（Kalman）滤波法、灰色理论法等。（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

36、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： 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。 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。 灰色预测控制是

37、“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。 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。 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。 影响主梁挠度变化的主要因素都具

38、有灰色信息的特征。4.4.2 自适应控制法鉴于连续梁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。4.4.3 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

39、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精度难以保证。4.4.4误差分析软件：我公司已利用卡尔曼滤波及最小二乘法理论研制开发了桥梁监控误差分析软件，该程序用高级语言编写附有详细注释，完全透明。已在多座连续刚构桥上采用，通俗易懂，操作简单，精度高。误差分析流程如图9所示。前期结构分析计算预告挂蓝定位标高施 工标高、温度、应力、弹性模量挂蓝定位误差弹性模量误差温度影响徐变影响计算图式误差应力测 量误差分析精度判断修改设计参数新模型结

40、构计算满足要求图9 误差分析流程图最小二乘法的基本原理从整体上考虑近似函数同所给数据点(i=0,1,m)误差(i=0,1,m)的大小，常用的方法有以下三种：是误差(i=0,1,m)绝对值的最大值，即误差 向量的范数；是误差绝对值的和，即误差向量r的1范数；是误差平方和的算术平方根，即误差向量r的2范数；前两种方法简单、自然，但不便于微分运算 ，后一种方法相当于考虑 2范数的平方，因此在曲线拟合中常采用误差平方和来 度量误差(i=0，1，m)的整体大小。数据拟合的具体作法是：对给定数据 (i=0,1,，m)，在取定的函数类中,求,使误差(i=0,1,m)的平方和最小，即 =从几何意义上讲，就是寻

41、求与给定点(i=0,1,m)的距离平方和为最小的曲线（图6-1）。函数称为拟合 函数或最小二乘解，求拟合函数的方法称为曲线拟合的最小二乘法。在曲线拟合中，函数类可有不同的选取方法.4.5 主跨结构设计参数识别这里所指的参数是一个广义的概念，既包括参数误差本身对应的参数，还包括通过其他方式能够参数化的施工误差，参数调整以敏感性分析为基础。对于悬浇与悬拼体系，影响挠度及预留拱度的参数虽然很多，但有些参数在施工中的变异相对却是不大的。如一般情况下，施工过程中混凝土强度变异很小，其影响可以忽略。还有些参数，虽然变异很大，难以把握，但其影响可以通过某种方法滤除（如温度），在此也不考虑。对于参数调整应着重

42、考虑的参数项有：块件重量；有效预加力；弹性模量；混凝土收缩徐变；合拢方式。对于这些参数如果在各施工阶段能获得其实际值，并将实际结果与原定理想状态比较，就可以确定其调整量，下面分别进行讨论。（1）块件重量块件重量变异主要由施工截面尺寸偏差或涨模产生。为确定块件实际重量，可预先在悬臂根部某截面I-I（距悬臂根部约h/2处，h为悬臂根部梁高）的箱梁顶底板内埋置应力传感器（见图10）。图10 块件重量计算示意图对于施工阶段K，在块件混凝土浇筑前后，观测到I-I截面顶、底板的应力变化量分别为 、，令对应于顶、底板应力观测值、的悬臂端块件重量分别为、。其中：WS、WXI-I截面顶、底板截面模量 L块件重心

43、到截面I-I的距离块件实际重量则为P=（Ps+Px）/2 （4-16）P=（）/2L （4-17）应力计是根据变形转换为应力的工作原理研制的，因此量测的应力值中会含有收缩、徐变的影响。但由于该项检测可在混凝土浇筑前后完成，时间很短，其影响也很小，这样确定的P，其精度取决于应力传感器与频率测定仪的精度，而与温度变化及混凝土收缩徐变关系不大。调整块重的另一有效方法是进行施工过程截面尺寸检测。施工控制中块重的调整方法为：随后状态计算时一律采用当前状态的实际截面观测值。（2）有效预加力这里有效预加力系指力筋束张拉后瞬时损失完成时的预加力。在理论上，若在预加力张拉前后观测到I-I截面顶、底板应力变化分别

44、为、，令对应于观测应力、的I-I截面顶底板反算有效预加力分别为、，则 （4-18） （4-19）其中：WS，WX截面模量； AI-I截面面积； e力筋束形心距I-I截面形心的距离。实际有效预应力则为 （4-20）然而在施工中，有效预应力量测值一般受影响较大。因此，实用的有效预加力调整还是通过引伸量及千斤顶油表双控来实施。（3）弹性模量弹性模量是混凝土的物理参数，由规范或试验确定，但弹性模量的增长往往滞后于混凝土强度，当箱梁块件施工周期较短时，对梁端挠度的影响非常大。确定混凝土弹性模量可以采用两种方法来进行。一种方法是试验，采集有代表性混凝土集料和水泥，通过加载试验确定弹性模量及其增长规律。另一

45、种方法是反算，可考虑在节段施工的某道工序前后（如混凝土浇筑或预加力张拉前后），观测悬臂端的挠度变化值，根据工序施加的效应与挠度变化之间的关系反算弹性模量，但这种方法很难得到满意的精度，这是因为挠度观测中含有混凝土收缩徐变的成分，另外还有温度变化的干扰，相比之下，试验测定具有较好的可靠性，是一种可取的方法。（4）混凝土收缩徐变对于悬臂体系，主梁的混凝土收缩表现为水平位移，不影响主梁自身的挠度，只有墩身混凝土的收缩才使主梁产生向下的挠度，但墩身的龄期较长，后期收缩量很小，因此对主梁挠度的影响也很小。混凝土徐变则是主梁挠度的主要影响因素，必须认真对待。可以根据现场取样，模拟现场环境条件下的收缩徐变试

46、验结果来计算并得到主梁收缩和徐变挠度，将此挠度与计算的挠度比较可判定收缩、徐变误差并借以确定参数调整量，具体而言，可对收缩、徐变系数引入一个综合变异参数，先将观测值平滑处理，再调整变异参数试算，反复试算即可确定变异参数调整量。在本桥的监控过程中采用模拟实桥环境通过试验确定混凝土的收缩徐变系数。至于温度和合龙次序修正，则在敏感性分析中已讨论。（5）施工周期偏差实际的施工周期安排（包括箱梁块件施工周期、总体工期）往往与施工图设计时的模拟周期偏差较大，因此结构变形（主要是挠度）也就不可避免地产生了偏差。（6）外荷载偏差主要是施工临时荷载偏差，譬如大桥设计时模拟挂篮重和实际重量有偏差，同时挂篮长度及支

47、点和后锚点位置同时也有所变动，需按实际调整。（7）挂篮弹性变形误差挂篮在结构分析计算一般采用一组外力进行模拟，而其自身在施工过程中要产生一定的弹性变形和非弹性变形，施工前要通过外力加载法试验消除其非弹性变形，实测其弹性变形，并予以调整。无论采用前面讨论的直接分析判定法还是参数识别法，都可以估计出参数误差。根据参数误差，就可以对参数进行调整。用调整后的参数和修正后的结构计算数据对系统进行前进与倒退分析，可得到各阶段挠度及预留拱度的新的理想状态，即随后理想状态，随后理想状态与原定理想状态相比，更具有合理性。通过以上分析，可获得块件重量、预加力、弹性模量、徐变等项参数的变异量，但在对这些参数进行调整

48、时，需要特别的谨慎，由于观测误差及观测量与被确定量之间的关系误差的存在，这些变异量不一定都是可靠的，为判定其可靠性，可将相邻若干节段的参数及其变异情况联系起来考虑。此外，反馈控制分析所进行的预留拱度系统误差估计得到的估计值也会对此判定提供很有益的帮助。因此，需要将这些信息综合起来分析，最终才能确定出较为合理的变异量，据之进行的调整才是合理的调整。4.6 误差调整（1）直接分析判定法上节讨论的方法是从参数的间接观测与实测入手，通过人工分析逐个确定实际参数。这种方法对块件重量与预加力两项重要参数借助于应力观测来反算，由于应力是从应变转换而来的，其值仍受到温度及混凝土收缩徐变的影响，但由于上述两项观

49、测可在很短的时间内完成，因此观测量仍具有较好的可靠性，缺点是分析判定量大，使用不够方便。（2）参数识别法对于悬浇与悬拼体系的控制，可以采用参数识别法，应用最小二乘原理对该参数进行识别。如果在某一施工阶段测得主梁悬臂端m个节段的挠度为S=S（1），S（2），S（m）T设原定理想状态的理论计算挠度为 =（1），（2），（m）T则有误差向量Y=Y（1），Y（2），Y（m）TY=-S （4-21）若记待识别的参数误差为=（1），（2），（n）Tn为参数误差识别的项数由引起的各节段挠度误差为=（1），（2），（m）T= （4-22）其中为参数误差到的线性变换矩阵，由结构性能给定。残差=Y-=Y- （4-

50、23）Y=+ （4-24）方差 V=T =（Y-）T（Y-） =（Y-）T（Y-） =YTY-YT-TY+TT （4-25）将上式配成完全平方的形式V=（-（T）-1TY）TT（-（T）-1TY） +YTY-YT（T）-1TY YTY-YT（T）-1TY当-（T）-1TY=0时，上述不等式中的等号成立，此时V达到最小，因此的最小二乘估计为 （4-26）引入加权矩阵有 （4-27）在实际应用中，可预先计算，定义，现场实测S，由（4-17）式得到Y，最后由（4-23）式得到误差参数估计值。这种方法虽然方便，但线性变换阵的因子很难充分合理地给出，这是因为挠度的有些影响因素（如混凝土徐变、预加力损失等

51、）本身又受多种因素影响，这些因素难以充分合理地参数化，因此矩阵中不可避免会含有较大的误差，这些误差必然会影响到参数估计值。基于这些分析，由此得到的参数误差估计值，也必须经过认真分析判定并与预测理论对比后才能采用。4.7 有限元分析计算模型的优化大跨径连续梁桥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。施工控制的最基本要求是确保施工中结构的安全，其次必须保证结构的线形和内力状态符合设计要求。由于在施工控制中，同样会受到或多或少的噪声干扰，需要用滤波的方法，从被噪声污染的状态中估计出真实的状态。同时，为了达到施工控制的最基本要求，也即它的最优性能指标，就必须遵循最优控制规律，组成随机最优控

52、制系统，进行分析、调整、预测。本桥运用工程控制论的思想，采用最优控制理论与计算机相结合的技术，将主桥成桥线形和施工期结构变位状态，作为线性离散、确定性动态结构系统最优控制的对象，建立随机的数学模型和性能指标，用误差分析的思想，从被噪声污染的状态中估计出真实的状态，并用估计出来的状态变量，按确定性的最优控制规律构成闭环状态反馈系统，求出最优控制变量值，不断对各阶段进行调整、控制，最终达到随机最优控制的目的。4.8 稳定性分析结合本桥的施工方案和施工方法，采用Midas分析软件对不同施工阶段时主体结构进行稳定性分析，防止异常情况下的结构失稳破坏，并根据计算分析结果及时向施工单位及监理工程师发出书面

53、通知，并提出相应的整改措施。4.9 挂篮设计安全评估及静载试验：4.9.1安全评估挂篮是大跨径连续刚构桥进行悬臂施工的主要设备，为此应对挂篮进行结构受力分析、变形验算以及稳定性分析，确保安全及变形满足设计及规范要求。本次挂篮验算采用Midas结构分析软件进行空间结构分析。4.9.2 静载试验由于挂篮本身的变形会对立模标高产生很大的影响，所以在挂篮安装完成后，对挂篮必须进行静载试验。监控单位将配合施工单位采集挂篮在各种不同荷载作用下的变形及受力特征值，并应用到施工监控过程中，以便正确预测梁段的立模标高。根据测试要求，加载重量按等效荷载的1.21.4倍进行，拟分6级加卸载。荷载分级按施工工艺安排进

54、行，一般第一级加载以底板重量为等效荷载，第二级按腹板重量的2/3进行，第三级按剩余荷载进行，最后加载须等待72小时（混凝土等强时间），中途加载等待30分钟即可；三级卸载按加载顺序反方向进行；在每次等待时间满足要求后记录挂篮前支后锚的变形，剔除非弹性变形，绘制弹性变形和荷载曲线，为分析墩旁鹰架和挂篮变形及施工结构安全服务其总变形量不得超出20mm。挂篮静载试验时可在挂篮的主桁杆上，挂篮的后锚钢筋上布置应力测点；在挂篮的前吊点布置挠度测点；另外为了测定吊点的相对挠度，还应对支点的沉降进行测量。4.10 主梁位移监测大跨径预应力混凝土连续刚构桥主梁采用节段悬臂浇筑法施工。当桥梁下部结构施工完成之后，

55、从桥墩墩顶部位浇筑箱梁零号节段开始至全桥箱梁合拢，其间将经过逐节段立模浇筑混凝土节段、分批张拉预应力钢束等多道工序至逐跨合拢，最终形成桥跨连续结构。在整个悬浇过程中我们将对主梁的位移进行监测。位移监测分竖向位移监测和平面位移监测。在监测过程中监控单位将和施工单位共用一个测量控制网，在共用的基础上又相互独立、相互监督、相互检查。控制过程是“施工测量预测识别调整预告施工”的循环过程。在此过程中对主梁的变形与应力实行双控，这是一个技术问题，也是一项系统工程。其主要分为两个组成部分，一部分是施工数据采集系统，即在桥梁施工过程中通过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计

56、算系统、将采集到的资料进行分析处理，以确定一道施工工序的有关参数。因此在箱梁标高控制过程中需要细致的观测、测试工作和大量的计算分析工作。通过有效的监控，保证设计的施工过程和受力状态得以准确实现。最终达到成桥阶段的控制目标。 为了同时满足主梁挠度和轴线变形观测的需要，将在主梁各梁段前端设观测断面，观测断面距梁端20cm。每断面设3个测点，分别设在主梁顶板轴线及腹板中心处，测点采用16螺纹钢筋棍（顶部打磨后涂漆），一端埋入箱梁顶板，另一端露出顶板顶面2cm。测点具体布置如图12。图12观测断面高程测点布置图在监控实施过程中，根据施工进度计划安排，按照预先设置好的观测点，由监控、施工单位测取全过程的

57、测点变形值，根据监测分析成果对后期变形值进行预测控制。变形控制频率设在每块段预应力钢束张拉前、张拉后和梁段混凝土浇注前、浇注后，变形测取时间控制在每天早晨的8点之前。（1）竖向位移监测 ：在采用节段悬臂浇筑混凝土法施工过程中，其自重作用而使得悬臂端向下位移，当张拉预应力钢束时，又将使悬臂端向上位移。同时，由于混凝土结构的收缩徐变机理复杂，结构发生的非线性变形不易精确确定；施工中所用材料的变异性、实际结构的受力条件以及施工中温度变化等因素，将使得悬臂浇筑的箱梁标高与设计标高明显偏离，因此，必须进行竖向位移监测，以确保主梁能顺利合拢、桥面高程能满足设计要求。竖向位移监测采用精密水准仪进行测量。（2

58、）平面位移监测：主要通过各梁段前端轴线上的测点，利用全站仪进行控制，以确保主梁平面线形平顺。4.11 边跨现浇段及支座预偏设置根据理论分析并结合我公司多年来同类型桥梁施工监控的经验，上部箱梁结构在全桥合拢阶段，受合拢钢束及底板正弯矩钢束张拉及混凝土收缩、徐变的影响除产生竖向挠度位移外，还将产生一定的水平纵向位移。对于支座墩顶设支座的预应力混凝土刚构-连续组合体系梁桥来说，当纵向位移较大时应考虑支座顶板在安装时进行反方向预偏，以保证全桥合拢后支座顶板中心与支座中心重合，从而避免当桥梁结构在升降温荷载作用下支座顶板中心与支座中心偏心过大，使得支座受力不均匀过大而影响支座使用性能。同理，为确保梁端伸

59、缩缝有效伸缩量满足设计求，边跨现浇段在施工时也应相应地进行预偏，预偏量的大小及方向与支座相同。4.12 主梁正应力应变监测由于高墩大跨径连续刚构桥桥墩和主梁联合作用，使得主梁各部位受力复杂多变，通过应力监测找出各施工阶段控制断面的应力变化规律指导施工，同时通过应力监测及时发现施工中异常现象，避免发生不安全事故。比如预应力钢束出现滑索，钢束内缩，存在过大的预应力损失等从锚固点观测不到时，可以通过应力变化检查出来，及时进行处理。主梁正应力监测以JXG-1型钢筋应力传感器和JXH-2型埋入式应变传感器共同采集、相互校核。 JXG-1型钢筋传感器在指定位置与纵向钢筋焊接，JXH-2型埋入式应变传感器在

60、混凝土浇筑时埋入指定位置，方向同桥轴线方向，均用屏蔽导线引出，数据采集SS-II型数据采集仪。该采集仪精密且抗干扰能力强。主梁正应力监测断面设在单T悬臂根部（距悬臂根部约1/2梁高处）、L/4、跨中断面，主桥左右幅共设38个断面。每断面内分别设4个测点，测点均匀布置在腹板与顶板和底板相交处。其具体布设情况详见图14图15所示。4.13 主梁腹板抗剪性监测腹板抗剪性测试截面设在距现浇段支点约为1/2梁高（支点梁高）处的腹板中间，主桥左右幅共设4个断面。每个断面设2个测点，测点布置在截面中性轴高度处腹板内，其截面具体布设情况详见图14图15所示。腹板抗剪性监测以JXG-1型钢筋应力传感器进行控制截面主拉应力（应变