目前桥梁施工控制技术在大跨径桥梁施工中已经得到广泛应用, 涉及的桥型包括连续刚构桥、斜拉桥索力控制、悬索桥线形控制等。例如, Stromsund桥施工时要求索力和标高符合设计值, 1958年完工的260m跨度的Thcodon Nenss桥施工设计中, 设计者第1次提出了“倒退分析”法的概念。重庆黄花园嘉陵江大桥施工控制运用工程控制论的思想, 将预应力连续刚构桥的施工控制视为一个随机最优控制问题, 建立相应的数学模型、目标函数及物理模型, 采用卡尔曼最优一步预测, 按确定性的最优控制规律构成闭环状态反馈系统^[1,2,3,4,5]。

桥梁顶升作为一门新兴的工程技术, 在桥梁支座更换、净空调整和高速公路扩建中已经得到越来越广泛的应用。加固维修后的桥梁, 对于桥梁脱空、老化或变形的支座采用液压油泵同步顶升技术进行更换, 以免破坏桥梁结构的整体受力和梁间的横向联系^{[6,7,8,9,10,11,12]}。桥梁顶升施工本身是一项系统工程和动态变化的过程, 桥梁同步顶升施工监测技术可对结构行为进行控制, 优化和提高顶升施工精度。

1) 开环控制对于结构和施工较简单的桥梁, 一般按照设计施工图进行施工, 施工完成后的结构便基本上能达到设计所要求的线形和内力状态。

2) 闭环控制对于较复杂桥型, 由于实际施工状态和计算状态之间存在差异, 随着桥梁跨度的增大、结构复杂程度的增加, 在每个施工阶段的积累误差将不可忽略, 否则到施工结束时结构的线形和内力将较显著地偏离理想的成桥状态。在出现误差之后就必须及时纠正, 而纠正的措施和控制量的大小是必须由误差经反馈计算所决定的, 这就形成了一个闭环反馈控制过程。

3) 自适应控制在闭环反馈控制的基础上, 再加上一个系统辨识过程, 整个控制系统便成为自适应控制系统。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, 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, 按上节所述的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, 计算模型便基本上与实际结构相一致, 在此基础上可对施工状态进行更好控制。

桥梁顶升控制是保证施工能否取得成功的关键环节, 它是一个施工→量测→判断→修正→预告→施工的循环过程。桥梁顶升控制内容包括主梁各施工工况的标高、部分控制断面的应力、结构温度场、气温以及对混凝土材料的一些常规试验。在每一工况返回结构的量测数据之后, 要对这些数据进行综合分析和判断, 以了解已经存在的误差, 并同时进行误差原因分析。在这一基础上, 将产生误差的原因予以尽量消除, 给出下一个工况的施工控制指令, 以便现场施工形成良性循环。因此, 其本质是一种反馈控制的闭环控制方法, 即在每个顶升施工阶段的积累误差将不可忽略, 否则到施工结束时结构的线形和内力将较显著地偏离初始状态。同步顶升过程控制流程如图1所示。

在顶升过程中, 需要从结构内力、位移、标高等的变化中判别出真实的结构状态;同时, 为了达到顶升控制的最基本要求, 可针对结构状态理论值与实测值之间的误差进行分析、调整。桥梁顶升是一种系统的、动态的控制过程。任意一个控制环节出现异常, 则必须停止施工, 检查无误后方可进行下一步施工控制指令。

闭环控制的要点如下: (1) 结构行为控制桥梁结构有限元分析。 (2) 桥梁承载力评估对于承载力不足的桥梁, 需要维修加固后再顶升施工。 (3) 关键截面力学状态控制主要通过关键截面应变测试完成。 (4) 桥面线形控制主要通过桥梁关键断面线形测量完成。 (5) 计算机对PLC系统位移控制

通过PLC位移传感器和百分表实时读数控制。 (6) 顶升托盘体系稳定性强度、刚度控制。 (7) 顶升托盘体系沉降控制。 (8) PLC设备自身行为控制主控室计算机系统可实现对内力、位移、设备是否正常工作实施监测。 (9) 外部环境安全控制在主控室内设置监视器系统监测外围施工环境安全。 (10) 更换支座或者桥梁标高调整期间, 桥梁维修搁置阶段行为控制应力、位移监测。桥梁顶升到指定高度后, 在短暂的搁置施工阶段是一个机动体系, 须加强控制结构的力学行为。 (11) 桥梁抗倾覆控制 (斜弯桥) 支座反力分析。 (12) 桥梁外观结构观察如装配式桥梁顶升湿接缝, 钢牛腿、钢抱箍等后锚固结构裂缝检查。

南昌老福山—坛子口立交桥, 是南昌市市政建设史上最宏大的工程之一, 是南昌市的主要枢纽通道之一。坛子口上部结构为钢筋混凝土箱梁, 桥面净宽15m, 单箱三室结构, 立交2层圆环为18跨跨径19~24m的圆环封闭连续梁, 8条曲线匝桥为跨径18~24m不等跨连续梁, 与主环整体连接。由于桥梁支座均已失效, 需要顶升更换。

顶升前先建立空间模型, 计算墩顶计算反力, 确定合适的顶升布置方式和支撑类型, 同时建立监测预警系统以检测施工是否正常进行, 施工控制主要的预警如下。

1) 各墩标高与初值差值不均匀达到3mm时, 重新调试检查顶升不同步原因。

2) 横向百分表位移>5mm时, 须停止顶升, 重新调试检查偏差原因。

3) 监测读数仪应变误差值>50με时, 须停止施工并检查桥梁的受力状态。

以上任意一个环节出现异常将停止施工, 检查无误后方可进行下一步施工控制指令。

过程控制要点如下。

1) 箱梁体箱梁关键受力截面应力监测控制 (见图2) 。

2) 桥面标高控制桥面标高观测点用来推算每个墩柱的实际顶升高度及同步回落后箱梁的标高状态, 使顶升前、后桥面标高得到有效控制。

3) 桥梁纵、横向姿态控制对顶升过程中桥梁纵向、横向位移进行监测, 防止梁体在顶升期间有任何变位。

4) PLC现场监控控制设备。

5) 桥梁横向限位控制可采用抗拔桩和钢丝绳体系对圆环结构进行限位控制。

哈牡高速公路海林互通跨线桥为4跨连续箱梁桥, 跨径组合为15m+17m+17m+15m, 桥面宽9m, 上部为现浇箱梁, 下部为Y形桥墩, 桥台为肋板式桥台。由于主线加铺沥青罩面施工标高要求, 天桥须整体顶升25cm。上部结构为4跨连续箱梁, 由于现场条件的限制, 最优的顶升支撑方式是将系梁作为千斤顶支撑平台。在正常受力状态下, 系梁全截面主要受拉, 为了不再对原结构产生不利影响, 对原顶升施工方案进行改进, 将原结构中间的孔洞浇筑成型钢-混凝土组合结构, 使系梁在梁体顶升时由原来的受弯、受剪状态变为受压状态, 可保证支撑体系的整体受力要求, 提高了结构的抗力储备。施工过程控制要点如下。

为了更好地模拟加固前后墩柱的承载力和加固效果, 对墩柱加固前后采用通用有限元软件ABAQUS进行计算, 准确计算了系梁加固的承载力效果, 从而实现对桥梁结构力学行为的控制。计算时混凝土和钢管均采用C3D8R 8节点六面体线性减缩积分的三维实体单元, 网格划分以0.1m为基本尺寸单元, 桥墩底部采用刚接约束。千斤顶作用加载和系梁之间采用Interaction中tie建立绑定约束 (见图3~5) 。

计算表明, 加固后钢筋和混凝土的主拉应力均满足顶升受力要求。

桥梁同步顶升本质上是一种相对静止状态桥梁的垂直移动过程, 即使产生很小的不同步位移箱梁的应力也会有相应的变化, 根据混凝土应变和位移的关系可以确定预警值, 若在预警值的范围内则表明不同步位移很小, 桥梁的整体状态偏于安全。若箱梁的应变超过预警值, 应立即停止顶升施工, 检测无误后方可进行下一行程的施工, 从而实现对桥梁关键截面应力状态的控制, 保证施工的安全进行。

现场实施时在各墩顶处布置应变计, 对应高度的变化, 应变的变化规律曲线如图6所示。

根据顶升曲线关系可知, 随着箱梁顶升高度的增加, 箱梁腹板的应变呈增加趋势, 然后出现一定的拐点, 表明箱梁混凝土应变基本处于弹性变化范围, 分析该行为与顶升局部存在+0.5mm误差有关。最后箱梁搁置阶段, 箱梁应变呈现较小趋势。这表明顶升搁置阶段, 箱梁的弹性变形基本恢复, 箱梁梁截面整体受力未超出预警值50με。若箱梁应变曲线不呈现拐点, 箱梁可能存在不同步位移和强迫变形, 实际观测未见箱梁腹板存在裂缝, 表明顶升阶段箱梁的应力变形均在设定的监测预警值范围内, 桥梁结构处于安全状态。

根据既有的研究经验公式, 连续梁在顶升期间, 最大强迫位移容许值不得超过0.000 6倍计算跨径。该立交桥的最大不同步位移换算结果为10.2mm。现场实际顶升期间, 计算机和桥面监测最大不同步位移<0.5mm, 桥面监测、位移传感器读数能很好地吻合, 且均小于预警值, 表明结构的线形状态良好。

1) 结合实际桥梁顶升工程采用闭环控制对数据进行综合分析和判断, 考虑每个顶升施工阶段的积累误差, 确保施工结束时结构的线形和内力与初始状态时结构的线形和内力最大限度吻合。

2) 针对实际桥梁顶升过程中Y形墩系梁受力的不利影响, 对原顶升施工方案进行改进, 将原结构中间的孔洞浇筑成型钢-混凝土组合结构, 使系梁在梁体顶升时由原来的受弯、受剪状态变为受压状态。顶升阶段箱梁的应力变形均在设定的监测预警值范围内, 桥梁结构处于安全状态。

3) 对墩柱加固前后采用通用有限元软件ABAQUS进行仿真分析, 准确模拟墩柱的承载力和加固效果, 准确实现对桥梁结构力学行为的控制。根据顶升高度和应变曲线关系预测箱梁裂缝出现和分析应力变化, 实现桥梁顶升准确监测。