高铁连续梁线形控制分析

　　摘要：本文介绍了高铁连续梁施工控制的特点、自适应控制方法、挂篮的变形预测及调整等施工要点，分析线型控制实践结果。
　　关键词：连续梁桥，悬臂施工，线形控制
　　前言
　　近年来，采用挂篮悬臂法施工的连续梁桥在铁路工程中得到了广泛地运用，在实际施工中,虽然可采用各种施工计算方法算出各施工阶段的预抛高值、位移值、挠度，但当按这些理论值进行施工时，结构的实际变形却未必能达到预期的结果。这主要是由于设计时所采用的诸如材料的弹性模量、构件自重、砼的收缩徐变系数、施工临时荷载的条件等设计参数，与实际工程中所表现出来的参数不完全一致而引起的；或者是由于施工中的立模误差、测量误差、观测误差、悬拼梁段的预制误差等；或者两者兼而有之。这种偏差随着连续刚构桥悬臂的不断加伸,逐渐累积。如不加以有效的控制和调整,主梁标高最终将显著地偏离设计目标,造成合拢困难,并影响成桥后的内力和线形。
　　为保证合拢前悬臂端竖向挠度的偏差和主梁轴线的横向位移不超过容许范围、保证合拢后的桥面线形良好，必须对该桥主梁的挠度等施工控制参数做出明确的规定，并在施工中加以有效的管理和控制，以确保该桥在施工过程中的安全，并保证成桥后主梁的线形符合设计要求。
　　1自适应控制方法
　　1.1连续梁施工控制的特点
　　预应力混凝土连续梁桥部分在悬臂施工阶段是静定结构，合拢过程中如不施加额外的压重，成桥后内力状态一般不会偏离设计值很多，因此连续梁桥施工控制的主要目标是控制主梁的线型。对于混凝土连续梁桥，若已施工梁段上出现误差，除张拉预备预应力束外，基本没有调整的余地，且这一调整量也是非常有限的，而且对梁体受力不利。因此，一旦出现线型误差，误差将永远存在，对未施工梁段可以通过立模标高调整已施工梁段的残余误差，如果残余误差较大，则调整需经过几个梁段才能完成。
　　1.2自适应控制方法
　　对于预应力混凝土桥梁，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，主要是混凝土的弹性模量、材料的比重、徐变系数等，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辩识过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。图1为自适应控制的原理图。
　　
　　图1自适应施工控制基本原理图
　　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，按照上述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。
　　对于采用悬臂拼装或悬臂浇筑的桥梁，主梁在墩顶附近的相对线刚度较大，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型的影响较小，这对于上述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，为跨中变形较大的节段的施工控制创造了良好的条件。
　　2变形预测及调整
　　2.1挂篮变形预测
　　挂篮的变形由弹性变形和非弹性变形两部分组成，其中挂篮结构内部的非弹性变形可在挂篮组装完毕后通过外力加载法消除。本桥挂篮属于轻型挂篮，其弹性变形较大，并且由于梁段重量不同而引起的挂篮弹性变形值的差异应引起足够重视。在本桥的线形控制中，挂篮弹性变形的初值通过挂篮预压试验获得，以后通过梁段拟合曲线外延的方法得到，如图2所示。推算挂篮实际变形的计算公式为：
　　
　　式中：
　　fg—浇筑第n号快件时的挂篮弹性变形；
　　△hn,△hn-1,△hn-2—浇筑混凝土后第n,n-1,n-2号节段前端的挠度；
　　ln,ln-1—第n,n-1号节段的长度。
　　
　　图2挂篮弹性变形的计算图
　　其中△hn是混凝土底模前端的变位，是本节段挂篮定位标高与混凝土后标高的差值，它包括由已施工节段变位引起的刚体位移和挂篮的弹性变形两部分。
　　当ln=ln-1时，上式简化为：
　　由以上公式可预测得到下一节段的挂篮变形，再参考挂篮组装后的荷载试验结果可总结出挂篮的弹性变形规律，进而可较准确地预测待施工节段的挂篮弹性变形值。
　　2.2立模标高的确定
　　挂篮定位标高的控制点选择在待施工箱梁节段底板前端处的底模上，由式计算得：
　　
　　式中:H—挂篮的定位标高；
　　H0—梁底设计标高；
　　H—倒退分析计算得到的预抬高量；
　　Hg—挂篮的弹性变形；
　　Hn—待施工梁段的控制线形与设计标高的差值。
　　监控计算采用平面杆系有限元方法进行，根据本桥的施工进度计划从正装分析、倒装分析、实时跟踪分析三方面对本桥进行了结构分析。施工过程中利用最小二乘法对参数进行识别、修正。
　　2.3误差调整
　　在施工过程中，由于结构实际情况与理论计算的差异以及挂篮定位标高放样的误差，必将导致已建部分在成桥时的线形出现不能消除的误差。若对误差不予调整而继续施工，将导致全桥的线形波动较大。鉴于这种情况，须对未施工阶段的控制线形作出修改。在本桥的线形控制中采用了拉格朗日差值法，如式所示：
　　
　　式中：f(x)—待施工阶段控制线形与设计标高的差值；
　　fk—已施工阶段的标高与控制目标的偏差；
　　xj、xk—已施工阶段前端截面的水平坐标。
　　由上式可得出待施工阶段的控制线形与设计标高的差值fn，还须比较fn与标高偏差允许范围Hmax的大小，取。
　　3、桥梁线形控制
　　3.1工程概况
　　某高铁桥梁上部结构为60＋100＋60m现浇预应力混凝土连续梁桥，梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。梁全长221.5m，计算跨度为60＋100＋60m，中支点处梁高7.85m，跨中10m直线段及边跨15.75m直线段梁高为4.85m，梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端0.75m。
　　3.2施工控制流程
　　桥梁自适应施工控制流程如图3所示.
　　
　　图3自适应施工控制流程
　　3.3计算模型参数调整
　　前期计算均以规范规定的计算参数进行，随着施工的进展,根据现场的实测数据对计算参数进行了必要的修正。本桥每墩13个节段,在悬浇至第5和9节段时,根据测量数据分别进行了一次参数调整。连续梁桥需要修正的参数主要有：自重集度、弹性模量、徐变系数、预应力损失、挂篮变形。预应力摩阻损失试验结果表明,实测计算值与计算值接近,因此在控制过程中对预应力损失计算参数没有作大的修正。在本桥悬臂浇筑期间，对弹性模量进行了取样试验,根据对梁段标高的测量结果,主梁刚度取为0.8EhI0。悬浇初期主梁混凝土比重取为26kn/m3,在悬浇过程中调整为26.25kn/m3和26.5kn/m3。
　　4线形控制结果
　　4.1施工过程中的位移预测
　　以66＃墩12＃块为例，该块悬臂施工过程中的位移预测值与理论值的比较如图4所示。
　　
　　(a)浇筑混凝土引起的位移
　　
　　(b)张拉预应力引起的位移
　　图466＃墩12＃块位移预测值与理论值比较
　　由图4可以看出，实测位移拟合曲线与理论预测值非常接近，说明监控计算采用的计算参数符合实际情况，所采用的计算模型能反映该桥的实际状况。
　　4.2线形控制结果
　　中跨合拢前梁体线型与理论线型的对比结果如图5所示。
　　
　　图5合拢前梁体线形
　　
　　图6成桥阶段梁体线形
　　经过精心的控制施工，该桥按照预计的目标合拢，所有节点标高与设计线型的误差均在1.5cm厘米以内，合拢误差为7mm，满足控制目标要求。
　　由合拢阶段梁体实际预拱度与理论预拱度的对比图可以看出，梁体合拢后，梁体实际预拱度与理论预拱度误差较小，说明本桥线型平顺，能保证后期铺设博格板的要求，满足设计及施工规范要求。说明本桥悬臂阶段的立模标高合理，基本准确地预测了本桥各施工阶段梁体发生的位移。
　　5结论
　　（1）线形控制结果表明，全桥线形变化平顺，实际走向与理论走向的变化趋势基本一致，所有节点高差及合拢误差满足控制目标要求；
　　（2）连续梁悬臂施工标高控制是一个比较复杂的过程，控制计算结果和实测结果之间误差的发生是施工控制中重点把握的问题.

《高铁连续梁线形控制分析》

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