连续刚构桥施工线形和应力分析与控制.docVIP

连续刚构桥施工线形和应力的分析与控制 摘　要:以广州市轨道交通4号线沙湾大桥为研究背景,应用通用有限元软件对该桥进行结构分析。应用卡尔曼滤波法和等维灰数递补数据处理技术改进的灰色预测模型以及这2种方法的结合对施工控制的标高进行预测,分析了应力监测的误差及其原因。现场实测结果表明,将这2种方法结合提高了线形预测的精度,可为同类型桥梁的施工控制提供参考。关键词:大跨度桥梁;连续刚构桥;施工控制;卡尔曼滤波法;轨道交通 桥梁施工是桥梁建设的关键环节,桥梁施工技术的高低则直接影响桥梁建设的发展。随着交通事业的发展,桥梁建设任务将更加艰巨,施工难度越来越大。事实上,任何桥梁施工特别是大跨径桥梁的施工,都是一个系统工程。为实现设计目标而必须经历的施工过程中,将受到许许多多确定和不确定因素(误差)的影响,如何从各种失真的结构参数中找出相对真实值,对施工状态进行实时识别(监测)、调整(纠偏)、预测,使施工系统处于控制之中,这对设计目标安全、顺利实现是至关重要的。施工监控的目的是要对成桥目标进行有效控制,修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响,确保成桥后结构受力和线形满足设计要求[1-4]。在此,本文作者结合沙湾大桥,讨论施工控制的重要性以及与施工控制相关的内容,建立该桥的计算模型,并且应用Kalman滤波法和灰色理论以及这2种方法的结合对该桥的线形进行预测和控制,并对应力监测的误差及其原因进行分析。 1桥梁结构分析 1.1工程概况 沙湾大桥主桥上部结构采用(70+120#215;2+70)m预应力混凝土箱型连续刚构桥跨布置。 主桥上部构造的设计采用三向预应力,箱梁顶板宽9.3m,底板梁端及跨中合拢处宽为6.0m,其余位置随梁高变化,箱梁纵向钢束每股直径15.24mm,采用大吨位群锚体系;顶板横向钢束每股直径15.24mm;竖向预应力采用精轧螺纹钢筋。大桥设计标准为:设计行车速度90km/h;设计荷载为城市地铁荷载;桥面总宽为9.30m。 墩顶零号块采用支架浇筑施工,1~14号节段采用挂篮悬臂浇筑,边跨9m段采用满堂支架浇筑完成,边跨、中跨合拢段采用吊架合拢。 1.2计算模型 结合该桥施工监控的需要,采用通用有限元软件计算。混凝土的收缩、徐变、温度变化等因素的影响,将使桥梁结构的变形、应力状态及其变化规律十分复杂。各施工节段离散为梁单元,3个主墩视为固定支座,两边跨端视为活动铰支座。其中,总节点数为138个,最大钢束号为112,梁单元个数为133个,施工阶段总数为59。主桥合拢前后结构体系将发生转变,即由对称的单“T”静定结构转变为对称的超静定结构。其计算模型如图1所示。1.3荷　载 1.3.1重　力 考虑连续刚构各梁段单元的自重、挂篮自重及钢筋、人员和设备的重力,挂篮移动各施工阶段的施工荷载,同时考虑二期恒载。 1.3.2支座的强迫位移 按照设计图纸的规定,基础不均匀沉降边墩按5mm计;中墩按10mm计。 1.3.3活　载 列车竖向静活载,其计算图式见图2,4节编组。1.3.4其他荷载 其他荷载包括温度荷载、风荷载及与结构的形成过程有关的荷载,如混凝土的收缩徐变等,这些荷载能引起结构的附加变形和应力。这里考虑混凝土的收缩徐变时设定的时间为1000d,因为混凝土的收缩徐变主要在早期,后期的影响比较小。风荷载按照设计图纸的规定输入。 2桥梁悬臂施工各阶段立模标高的确定 各施工梁段的立模高程按下式确定[1]: Hm=Hs+Hy+fg+δ调整。(1) 式中,Hs为箱梁顶面中轴处设计标高,采用设计值;Hy为计算预拱度,采用施工控制计算分析值;fg为挂篮变形调整值,一般由试验确定;δ调整为误差调整值。结合前面的计算以及上面的立模公式可给出沙湾大桥的立模标高。 3线形预测与控制 通过结构有限元分析可以确定桥梁结构各施工阶段的中间理想状态,这种理想状态是期望在施工中实现的目标。但是,在实际施工中,桥梁结构的实际状态与理想状态总是存在一定的误差。如何调整这些误差、控制其影响,对结构行为预测分析,是对线形控制所要解决的重要问题。 基于现代系统工程学的理论,把桥梁施工看作一个复杂的动态系统,运用现代控制理论,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,并制定可调变量的最佳调整方案,指导施工现场调整作业,使结构施工的实际状态趋近于理想状态。桥梁施工控制,现多根据监控者积累的现场经验及简单运用最小二乘法来进行,正在发展的一些理论和方法主要有Kalman滤波法、灰色理论法和BP神经网络理论方法。在此将Kalman滤波法、灰色理论法、Kalman滤波与灰色理论结合以预测理论对沙湾大桥的线形进行预测,并与现场实测结果进行比较,以提高线形控制的精度。 3.1灰色系统理论及其应用 灰色系统理论是把观测数据序列看作随时间变化的灰色过程,通过累加生成挖