1、大跨度橋梁工程施工質量控制與風險研究摘要大跨度橋梁橋半個世紀來在世界范圍內大量建造，已成為世界橋梁的發展趨勢。大跨 度橋梁一般采用分段施工的方法，在施工過程中主梁的結構、內力、荷載都在不斷發生變化。 各階段產生的誤差涉及因素繁雜，需要對各階段的施工參數不斷監測、校驗、修正。施工質量控制技術在連續梁橋的建設過程中是不可或缺的一部分，對其研究比較重要。本文對大跨度橋橋在國內外的發展情況進行了比較，并且通過對施工控制技術的發展 情況的陳述，闡述了連續梁橋建設和施工控制的不足。然后介紹了施工控制理論與方法，尤其是采用自適應控制方法， 結合相應的施工手段和檢測方法，對主梁線形、內力等關鍵指標實施控制.隨

2、著橋梁的發展和跨徑的不斷增大，各種不確定性對結構的影響也越來越大。但是，現有研究大多是針對結構中的確定性問題，對于影響結構安全的各種不確定性問題研究較少。而事實上，和其它結構物一樣，大跨度橋梁結構中存在著大量的不確定性。大跨度橋梁施工風險 有必要進行分析。本文的工程背景是天池特大橋。以大型通用軟件Midas civil為基礎，建立了全橋有限元模型。通過仿真計算分析， 得到主梁各節段在每一步施工步驟中的預拱度和應力值，作為施工過程中對立模標髙的調整依據和應力監測的預判依據。通過實測數據同有限元計算結果的對比分析，可以有效地證明有限元模型的準確性和在施工過程中的指導性。橋梁在建設期間直至成橋狀態的

3、內力都在安全范圍之內，主梁實際高程均高于設計高程，符合建設要求和目標。并對天池特大橋施工中存在的各種風險進行識別，通過現場實測調研及監測數據，提出了 5項主要的風險因素，根據風險發生概率和風險損失，確定了本橋施工過程中的風險 等級，為川高度風險，并通過采取有效控制措施和制定的應急預案，完成達到將項目建設風險降低到最低程度，保證安全實施的目標本文所得結論可 人紐補以橋梁馬殳掛奘仃 心鑒.1緒論1.1引言目前采用的大跨橋梁施工技術一般為分段施工法。分段施工中橋梁結構的最終形成必然要經過許多的施工階段，盡管每個階段都嚴格控制施工時的結構幾何尺寸、容重、收縮、徐 變、彈性模量、預加力和索力等可以人為控

4、制的因素，但是不可避免地會出現實際結構狀態與理想結構狀態的偏差。這種偏差可能來自于施工本身的誤差，也可能是環境誤差的干擾，還可能是測量系統的誤差。隨著橋梁結構跨徑和結構復雜性的增大，這種誤差已經到了影響結構的幾何線形、改變結構內力狀態、甚至威脅結構施工的安全。如何消除或修正這些誤差，確保施工過程中的結構穩定安全，力求最終成橋受力狀態基本符合理想狀態要求，已經成為目前橋梁結構分段施工中的關鍵問題。橋梁結構的施工質量控制是現代控制理論與橋梁工程結合的必然產物，隨著橋梁跨徑的不斷增大，以及新材料、新工藝、新的施工方法在橋梁工程中的應用，橋梁結構施工控制所涉及的范圍越來越廣。橋梁施工質量控制是指在各施

5、工階段通過測量關鍵參數識別結構的狀態 參數，預測估計實際結構狀態，最優控制成橋狀態。確保施工質量是工程的關鍵，施工質量控制 的目的在于保證施工過程中橋梁結構截面應力分布、撓度變化都能處于安全合理的范圍之內特別是確保大橋順利合攏，使合攏段兩懸臂端實際標高與設計相應標高目標的偏差不大于監 控允許值，合攏后橋面線形良好，結構受力合理。同時，隨著橋梁的發展和跨徑的不斷增大，各種不確定性對結構的影響也越來越大。但是，現有研究大多是針對結構中的確定性問題，對于影響結構安全的各種不確定性問題研究較少。而事實上，和其它結構物一樣，大跨度橋梁結構中存在著大量的不確定性。由于大跨度橋 梁結構體系復雜，施工難度大，

6、尤其是大跨度混凝土橋梁，多采用懸臂澆注的施工方法，施工工 序多，施工工藝復雜，施工周期又短，這些不利因素進一步增加了大跨度橋梁在施工過程中的 不確定性。天池特大橋一座橋型布置為5X 20 + 228.8 + 3X 20m的大跨度上承式拱橋，本文將以該橋為工程背景，研究橋梁結構的施工質量控制問題和風險問題。1.2工程背景1.2.1工程概況天池特大橋（原行對岔大橋）是世行貸款福建公路項目n福建省省道S303線連接寧大橋位于寧德市與屏南縣的寧德八都橋頭至屏南城關公路焦城段二期工程中的一座特大橋,C40鋼纖維混凝土，厚2.8m，頂板預制部德市蕉城區洪口鄉。橋梁長度405.40米，橋寬10.0米，橋梁高

7、度142.0米。橋梁起點樁號K43+474.53，終點樁號 K43+879.93，橋型布置為:5 X 20 + 228.8 + 3X 20m=主拱圈橫截面采用單箱三室箱型截面，采用節段預制、纜索吊裝工藝施工。橋梁總體布置圖如圖1-1。圖1-1天池特大橋總體布置圖1.2.2總體布置受峽谷兩岸地形限制，本橋上承式鋼筋混凝土空腹箱型拱主橋采用了較大的矢跨比，為1/4?？傮w布置為：凈跨徑 L0=204.959m，凈矢高f0=51.227m ;計算跨徑L=207.2m，計算矢 高f=51.73m。橋寬為10m,其中車行道凈-9m。為減少主拱分段長度，拱上結構跨度布置采 用12.66m、12.68m兩種跨

8、度形式，共布置18孔。橋面系由8片預應力混凝土空心板梁組成。主橋左岸設5孔20m預應力空心板引橋與道路連接，右岸設3孔20m預應力空心板引橋與隧道出口道路連接。橋面系簡支空心板梁支撐在拱上立柱的蓋梁上。橋面設2%的雙向橫坡，橫坡通過拱上立柱帽梁形成，鋪裝采用為 12cm。1.2.3主拱結構主拱圈采用寬8.0m，高3.0m的單箱三室普通鋼筋砼箱型斷面，頂板、底板和腹板厚度均為25cm。主拱結構采用預制吊裝法施工。主拱圈截面分三次形成，其中兩個邊室采用分段預制拼裝成拱，中室采用拱上現澆頂、底板施工。預制標準段邊箱寬 分厚度為10cm,腹板和底板厚度均為 25cm。拱腳根部段設置一定長度的實體段，實

9、體段通過變厚截面拱箱與標準斷面連接，形成過渡段。上下游拱肋共預制34節段，各節段長度不一。最長節段為2#節段，沿拱軸線長度為 15.881m，最大吊重118T。1.3大跨度橋梁施工的質量控制的研究現狀1.3.1國外大跨度橋梁施工質量控制的研究現狀國外最早采用橋梁施工質量控制技術，世紀年代初，日本在修建日野預應力混凝土連續梁橋時，建立了橋梁施工監測所需的應力、曉度等參數的觀測系統，應用計算機對所測量參數進行現場處理，然后將處理后的實測參數送回控制室進行結構計算分析，最后再將分析結果返回到橋梁施工現場進行橋梁施工控制。上述方法也是國外傳統的橋梁施工質量控制方法。國外在橋梁施工質量控制技術方面的研究

10、和應用起步較早，現今眾多發達國家已經形成了較為完善的橋梁施工質量控制系統，并已將橋梁施工質量控制納入到常規的橋梁施工管理工作之中橋梁施工質量控制方法已從人工測量、分析與預報，發展到由計算機自動控制的自動測量、分析與預報、參數調整等，并已形成了較為完善的橋梁施工控制系統。由于影響橋梁施工的因素太多、 太復雜，目前尚有很多問題還亟待進一步解決；同時不斷涌現的新型橋梁、規模（跨徑）更大的橋梁也對橋梁施工質量控制工作提出了更高的要求，因此國外對橋梁施工質量控制技術的研究還在繼續。20年代時首座的橋梁 Stromsund把怎樣讓索力以及標高符合規劃納入建造中。在修 TheodonNess橋梁時對橋的標高

11、與初始索力中第一次加入了后退剖析法，這種核算發法在加拿大等國建橋時也納入。 在日本的橋梁項目建造期中真實對比全部詳盡地把橋梁施工操控理 論使用起來，施工操控中請求的應力及撓度各方面元素的檢查辦法是由日本構建預應力的混 凝土中的接連梁橋工程時創立，把這些得出來的參數用計算機實現了實際演算接著把這些處理過的參數用來結構核算處理然后又把處理得出的成果轉到施工中用在工程操控方面。1.3.2國內大跨度橋梁的施工質量控制的研究現狀我國在橋梁施工質量控制技術方面的研究相對起步較晚，然而發展卻較為迅速。懸臂澆筑施工的橋梁施工質量控制內容主要為結構變形、結構應力和結構穩定性控制個方面。橋梁施工質量控制的工作重心

12、一般放在結構變形控制上，由于影響應力測量精度的因素較多，直接測試得到的應力不能精確反映結構實際應力狀態，必須采用一定的修正措施對測試得到的應力進行修正，修正后的應力方能近似反映結構的應力狀態，因此應力控制一般起安全預警的作用。文獻1以成都東客站跨成渝右線立交連續梁橋為工程背景，實施了該橋的施工質量控制，獲得了較好的效果。文章總結了懸臂澆筑施工的連續梁橋施工質量控制中存在的主要問題， 指出連續梁橋施工質量控制的工作重點為應力監測和線形控制，其中影響應力監測效果的因素復雜，很難獲得精確結果，往往作為一種“安全預警”作用，而橋梁線形控制較為精確， 能夠反映梁體真實狀態，應作為橋梁施工質量控制的重點控

13、制對象。作者計算分析了該橋梁結構受力情況，得出梁底最大應力位置在懸臂根部、四分點和中跨跨中， 因此應在這些位置處布置應力測點，保證梁體的施工安全和施工質量。文獻2以滄德特大橋為工程背景，成功實施了該橋的施工質量控制。作者制定了該橋梁的施工質量控制方案，實施了具體的橋梁施工質量控制，保證了該橋成橋的線形和內力滿足 規范要求。作者研究了連續梁橋懸臂澆筑的施工工藝，對影響橋梁施工質量的關鍵工藝進行了驗算，提出了掛籃、臨時固結、0號塊施工、合龍段施工為關鍵工藝，直接影響到橋梁成橋質量和施工安全， 論述了 0號塊施工的具體步驟， 強調了 0號塊施工中的預壓方案， 這些 措施為橋梁的順利建成提供了保障；作

14、者利用有限元軟件建立了掛籃的仿真計算模型，根據掛籃實際受力情況施加荷載，對掛籃的安全性和變形能力進行了計算，驗算了掛籃各個部件的強度，計算結果表明，該掛籃結構強度足夠。臨時固結是保證懸臂澆筑施工的連續梁橋抵 抗傾覆力矩的構造措施，它對保證橋梁施工安全性至關重要文獻討論了臨時固結措施的計算 方法，對蘇丹西納公路大橋墩梁臨時固結的設計進行了驗算，證明了該橋梁臨時固結的安全性。文獻3以南水北調丹江口大橋為工程背景。作者在文章中詳細分析了懸臂澆筑施工方法中的體系轉換對施工控制的影響和臨時固結措施對主梁撓度的影響，計算結果表明，計算模型誤差引起的主梁撓度誤差在懸臂段施工時小，體系轉換后變大，誤差主要出現

15、在體系轉換后，且體系轉換后的模型誤差不能在施工控制過程中進行修正，所以建立的計算模型應盡量與實際情況相吻合，這是保證橋梁施工控制計算理論值與實測值相吻合的重要條件；關于臨時固結解除后邊界條件的模擬， 采用固定鉸支座模擬會引起結構誤差，誤差的大小取決于橋墩剛度的大小，橋墩剛度大誤差小，橋墩剛度小誤差大；建議對橋梁柱也采用有限元模擬， 連接采用彈性連接模擬支座真實情況，剛度系數參照。文獻4以田螺大橋為工程背景， 進行了該橋的施工質量控制。釆用自適應控制理論實施了該橋的施工質量控制， 獲得了較好的成果。由于實際施工中結構自重與理論值普遍存在偏 差，該偏差對橋梁的結構狀態影響較大，是引起結構狀態偏差的

16、主要來源，為了保證橋梁施工安全和成橋質量，必須在橋梁施工中嚴格控制自重誤差；混凝土彈性模量直接影響到結構的剛度，對結構變形有影響，彈性模量大，結構剛度則大，結構變形相應要小，反之相反， 但是其對結構的應力狀況影響不大；預應力損失是預應力混凝土梁橋施工質量控制誤差產生的另一個主要因素， 預應力損失不僅影響到橋梁變形，還影響到結構應力， 因此正確選取預應力參數是保證準確估計預應力影響的前提條件，在大跨度橋梁施工中， 必須對預應力管道磨阻系數及偏差系數進行現場實測； 混凝土收縮徐變對主梁跨中變形影響較明顯， 對結構內 力也有一定影響。結構參數誤差是引起結構實際狀態和理想狀態偏差的主要因素。通過參數識

17、別和修正，減小誤差，進而達到計算模型能較為真實反映實際結構情況的要求，可以很好地預測結構下一階段變形，達到橋梁施工控制的目標。文獻5以某預應力混凝土連續梁橋為工程背景，實施了該橋的施工質量控制， 獲得了較好的效果。采用自適應法進行施工質量控制，介紹了利用有限元軟件建立結構計算模型時關鍵參數的選取，以及利用有限元軟件進行相關參數的敏感性分析，獲得主要參數為混凝土自重和預應力荷載；得出施工初期在懸臂根部底板可能會出現較小的拉應力，因此應采取措施避免橋梁施工過程中出現混凝土開裂，造成結構的損壞。文獻6以某預應力混凝土連續梁橋為工程背景。作者釆用有限元軟件對該橋施工過程進行有限元模擬，分析結果作為標高

18、控制和應力監測的依據。監控結果表明，利用有限元軟件仿真分析得到的計算結果作為理論計算結果是可行的和有效的；提出了在無實測箱梁溫度場數據的情況下修正溫度引起的測量數據偏差的經驗方法。文獻7以楠溪江大橋為工程背景。 文獻總結了懸臂澆筑施工的連續梁橋施工質量控制方法和主要影響因素，以及施工控制的計算方法，給出了主梁立模標髙的計算公式，作者實際測量了溫度對最大懸臂狀態的影響，選擇早上最低溫時刻和下午橋面最高溫時刻，溫差導致的懸臂端曉度差值達到可見溫度對主梁線形影響很大，應在監控中給予高度重視。 作者分析了施工工期變異對主梁曉度的影響，在楠溪江大橋工期延長天的情況下，計算表明成橋后主梁下曉，跨中曉度最大

19、增加，邊跨處累計曉度平均增加。應力方面，施工工期延長后，計算 表明楠溪江大橋全橋頂板應力稍微變小，差值在左右；底板應力稍微變大，跨中和邊跨變化較明顯，最大差值。文獻8以關口斑號橋為工程背景。作者研究指出應力監測的結果受各種因素影響較大，其結果與梁體真實應力值有較大偏差；現有的有限元軟件對溫度因素的考慮不合適，我國公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范關于日照溫度荷載引起的橋梁內力的計算規定多有不合適，計算結果與實測值相差很遠； 作者計算分析了混凝土收縮徐變對預應力混凝土 橋梁的影響程度，指出現有的混凝土收縮徐變計算公式均是半經驗公式，精度較差，而根據我國公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規

20、范關于混凝土收縮徐變的規定計算的結果較實測值小，該差值隨懸臂施工節段的伸長而變大。1.4大跨度橋梁施工風險分析研究的必要性1.4.1大跨度橋梁施工存在大量的不確定性隨著橋梁的發展和跨徑的不斷增大，各種不確定性對結構的影響也越來越大。但是，現有研究大多是針對結構中的確定性問題，對于影響結構安全的各種不確定性問題研究較少。而事實上，和其它結構物一樣，大跨度橋梁結構中存在著大量的不確定性。同時，由于大跨度橋梁結構體系復雜，施工難度大，尤其是大跨度混凝土橋梁，多采用懸臂澆注的施工方法，施工工序 多，施工工藝復雜，施工周期又短，這些不利因素進一步增加了大跨度橋梁在施工過程中的不 確定性。大跨度橋梁結構施

21、工過程中的各種不確定性按其成因可分為決策的不確定性、現象的不確定性、物理的不確定性、模型的不確定性、 統計的不確定性、預測的不確定性以及人為不確定性等，如圖1-2所示。圖圖L2J給構聳工過程中的不確定性給構聳工過程中的不確定性1.4.2大跨度橋梁施工存在著高風險大跨度橋梁施工期間大量不確定性的存在，直接影響了橋梁整個建造過程的安全性。而傳統的定性設計與分析方法未能考慮眾多不確定性對結構安全度的影響，不能真正反映結構的安全儲備。同時，由于大跨度橋梁結構體系的復雜性 ，以及施工階段工序多、周期短、工藝 復雜等諸多不利因素的影響，進一步增加了橋梁工程建設的風險而我國現行的橋梁設計、施 工規范主要是針

22、對中小跨度橋梁制定的，已不能適應大跨度橋梁設計、施工的安全需要，更為大跨度橋梁的工程建設埋下了安全隱患。橋梁的施工建造是一項龐大的系統工程 ，結構設計過程和施工過程中的任一環節的錯誤 和疏忽，都會大大降低結構施工期間的安全性，以至導致各類工程事故的發生國內外橋梁結構 尤其是大跨度橋梁的施工事故屢見不鮮。大跨度橋梁施工期間存在著高風險，必須引起足夠的重視，否則極易發生工程事故，而這些工程事故的發生往往會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，以及帶來不良的社會影響。因此為了降低大跨度橋梁施工期間的結構風險，避免工程事故的發生，開展大跨度橋梁施工風險分析研究是十分必要的。通過施工風險分析，人們可以了解和掌握

23、大跨度橋梁施工期間可能面臨的各種風險，以采取積極有效的風險應對策略，控制和降低風險水平，保障結構施工安全。另 外,開展大跨度橋梁施工風險分析研究 ，對于確保大跨度橋梁工程建設的安全性和科學性 ，對 于提高橋梁工程結構的經濟性和合理性 ，對于推動橋梁設計理論及保險體系的發展等 ，都具有 十分重要的理論價值和現實意義。1.5風險分析的國內外發展和研究現狀1.5.1風險分析的發展和研究現狀風險的概念最早出現在西方的經濟管理領域中。世紀產業革命時，法國人首次把風險管理的思想引進了企業經營領域，由于人們對此還沒有足夠的認識，所以當時并沒有得到廣泛 的應用。上世紀50年代，美國和歐洲一些國家將風險分析方法

24、應用于核電廠的安全性評估之 中。風險管理才開始發展成為一門獨立的學科。將概率理論引入風險研究是在上世紀60年代，在此期間以概率理論為基礎的風險評估研究得到了快速發展。比如在英國就建立了專門的研究機構一故障數據庫和可靠性服務所進行概率風險研究。1973年3月，美國一核電廠發電機組發生事故，核電廠的概率安全評價開始為人們所關注。1975年，首次發表了商用核電站輕水反應堆的風險分析報告。1979 年，英國和德國的一些機構對荷蘭的一些工業設施進行了風險評價。隨后，關于此類的風險分析評價技術在西方許多發達國家的諸多工業項目中得到了廣泛的應用，并且先后研究推出一系列風險評價方法，至此，以風險理論為基礎的風

25、險分析方法才真正進入了實際應用 階段。1986年，發生了兩起震驚世界的重大事故，一個是美國“挑戰者”號航天飛機發生爆炸，另一個是前蘇聯切爾諾貝利核電站爆炸事故，這兩起事故使人們開始重視工程領域內存在的風險問題，從某種意義上說促進了風險分析與評價技術的進一步發展。上世紀年代，隨著發展中國家經濟的起飛，風險管理愈加為這些國家所重視，風險管理研究也從發達國家逐步向發展 中國家擴散。為了將風險管理科學推廣和普及到廣大發展中國家，年聯合國有關機構編輯出版了有關風險管理方面的專題研究報告。目前，風險分析方法已經應用到諸如機械工程、醫藥化工、電子工程、土木工程、及經 濟管理等領域，取得了一系列研究成果。隨著

26、時間的推移，可以想象風險分析理論的研究與應用將會更加深入與廣泛。1.5.2大跨度橋梁風險分析的研究現狀橋梁運營階段的風險研究，主要是對運營中的橋梁結構安全性與可靠性進行風險評估，如對船撞風險、車撞風險、超載風險、地震風險、洪災與火災風險等風險問題的研究。這方面研究較多，且大部分是對某單項風險問題的研究。在船撞橋方面。此方面的風險研究相對較多，如文獻,對船撞等橋梁風險評估加以介紹同時針對船撞，提出了在設計方面應采取的保護性措施。介紹了日本學者基于故障樹方法建 立的船撞風險分析系統，并認為船撞事故中人為因素占很大一部分。項海帆指出了中國規范 與歐美規范或指南在處理船撞問題上的異同。戴彤宇首次建立了

27、我國的船撞橋事故數據庫 并對在建的哈爾濱松花江斜拉橋進行了初步的船撞橋風險分析，提出了降低船撞風險的具體建議。在車撞橋方面。文獻，對車撞橋的風險進行了詳細研究，研究認為，車撞引起的損失可以從 對橋梁造成的損失，對車輛及其運送貨物造成的損失，對人員造成的傷害，在維修期間造成的交通堵塞等間接損失，交通系統不暢造成的社會和經濟損失，對環境造成的損失等方面考慮對法國車輛撞擊橋梁墩柱問題進行了比較詳盡的研究，對車橋碰撞概率、碰撞后倒塌等各種概率進行了分析。在抗震、抗風方面。文獻11給出了一個多階段地震風險評估的流程，包括快速風險檢查、 風險嚴重性計算和風險回避研究等內容。在第一階段，主要用“風險水平”來

28、區分風險等級并在第二階段引入了投資一收益比來輔助決策。文獻12介紹了一個橋梁結構的地震風險評估系統，它應用馬爾可夫過程并基于概率計算，對橋梁結構在地震作用過程中結構性能的變化 過程給出了定量的評價，從而可以方便地確定損失函數。文獻13從風險的角度對纜索承重橋 梁的抗風性能評估進行了研究，建立了相應的評估方法和評價體系，并對蘇通長江公路大橋的 抗風風險進行了綜合評價。在超載、洪災與火災方面。文獻14給出了一個對座橋梁組成的道路系統進行超載和洪水風險評價的例子。采用的基本方法是，對超載和洪水分別建立極限狀態，使用基于概率的方法驗算各個橋梁在各種極限狀態下的失效概率，然后先后利用兩次悲觀法則，分別確

29、定結構在某種風險狀態下的失效概率和洪水與超載聯合作用下的最終失效概率。所謂悲觀法則就是取各種結果中的最不利的作為最終結果，顯然，這種決策過于保守。1.6本文主要研究的內容和思路本文以大跨度拱橋天池特大橋為工程背景，對該橋的施工質量控制問題和風險問題進行研究，主要的研究內容和思路如下：1、 介紹大跨度橋梁施工質量控制的內容及常用方法。對大跨度橋梁施工質量控制方法、有限元分析方法、施工質量控制影響參數加以說明，并以天池特大橋為背景，介紹其施工質量控制的內容和分析計算方法。2、 利用有限元分析軟件 MIDAS CIVIL對天池特大橋建立了有限元模型，為天池特大橋的 線性控制、索力控制等施工質量控制內

30、容作準備工作。3、分析各個施工工況下天池特大橋的變形和受力狀態，以研究該橋的預拱度設置和吊 索索力值，為天池特大橋現場施工質量控制提供依據。4、介紹大跨度橋梁施工風險評估的主要方法和主要內容，并對天池特大橋的施工作出 風險評估。2大跨度橋梁施工質量控制的內容及方法2.1前言在施工過程中，由于荷載是由各節段吊裝完成而逐步施加的，混凝土的收縮徐變、 溫度變化等因素，會使橋梁結構的變形、應力狀態及其變化規律更為復雜。因此對于這樣一個復雜的系統，僅僅依靠事后檢查是無法保證的，所以必須對橋梁結構施工過程這一系統實行實時控制，這樣才能保證最佳成橋狀態，這一點對于大跨度橋梁來說尤為如此。施工質量控制的首要任

31、務是對所監控橋梁的應力、位移等參數進行分析計算，并與施工過程中所監測到的應力、位移進行對比，以保證橋梁施工工藝的準確性和安全性。本章將主要介紹大跨度橋梁施工質量控制方法、有限元分析方法、施工質量控制影響參數加以說明，并以天池特大橋為背景，介紹其施工質量控制的內容和計算方法。2.2大跨度橋梁施工質量控制方法針對橋梁結構的不同、 施工技術的區別以及控制內容的特點，大跨度上承式拱橋的施工控制分析方法也各有特色不盡相同?？偟膩碚f，施工控制方法可以分為：開環控制法、反饋控制法、自適應控制法和其他方法。2.2.1開環控制法對于結構線形和施工技術相對簡單的橋梁工程，通常直接按照設計施工圖進行施工，施工完成后

32、的結構就基本上能達到設計所要求的線形和內力狀態，這種控制方法就是開環控制法。開環控制法的控制方向是單向不可逆的，這一方法無需根據橋梁結構在施工過程中的內力和變形來調整施工中的預拱度和內力。當橋梁的施工精度較高，構件制作精良時，誤差控制得當時，這是一種快速高效的施工控制方法，因此這一方法廣泛應用于中小型橋梁的施工建設當中。2.2.2反饋控制法對于橋梁跨度較大、施工技術難度較高、工程結構計算復雜的橋梁，在每個施工階段的 累計誤差是不可忽略的。 如若不及時對橋梁結構的施工過程進行控制，累計誤差不能夠及時修正，將導致最終合攏時橋梁的線形和內力與設計圖理想的成橋狀態存在明顯差異，甚至無法順利進行合攏。因

33、此誤差糾正在施工控制的過程中就顯得尤為重要，而糾正的方法和改變 量的大小是必須由誤差經反饋計算所得而出，從而形成了一個閉環反饋控制過程。223自適應控制法自適應控制法也可稱作參數識別修正法，參數識別是通過觀測一個系統或過程的輸入與輸出關系來確定對應的數學模型的方法。然而在實際的工程施工過程中，結構的實際狀態幾乎很難與設計狀態完全吻合，也就是說，橋梁結構的實際狀態與設計狀態間存在著一定的誤 差。原因主要是由于設計參數誤差（例如材料特性、截面特性、容重等 卜施工誤差（如架設誤差、制作誤差等）、測量誤差、結構分析模型誤差以及若干難于預計的隨機誤差等因素影響 所致。結構的實際狀態與設計狀態之間的誤差，

34、可以通過理論方法和誤差分析來調整，控制其影響，對結構進行預測和分析，進而發出預拱度控制指令、確定肋拱各節段的安裝標高， 調整好扣索和錨索的張拉力來控制拱肋線形和應力。在現代系統工程學理論的研究背景下，把拱橋施工過程視為一個復雜的動態系統。根據施工圖的設計狀態、現場施工時測量的實際狀態和誤差影響因素進行誤差分析，并由此制定最佳修正方案，用以指導施工現場調整作業，使結構施工的實際狀態盡可能擬合設計狀態。 以上一施工階段擬合完畢為基礎， 運用正裝計算法和倒裝計算法結合運算當前施工工況下的 應力和變形狀態直至成橋合攏，即為施工控制的兩大任務：即結構的后期調整和前期預報。 為了達到這一目標，橋梁施工控制

35、慣常采用的理論和方法有：設計參數的識別和調整、Kalman濾波法、灰色理論法和最小二乘法。前兩種方法主要是運用隨機統計和估計理論；而最小二乘法在回歸分析方面用得比較成熟和廣泛；灰色理論近年來較熱門。設計目標圖2-1自適應控制系統組成224其他方法除了上述提到的一些施工控制分析方法以外，還存在許多其他的分析方法，比如：專家系統控制法、最大寬容度法、模糊控制法等等。根據橋梁結構施工技術、設計線形、具體控 制內容的差異，往往會選擇不同的施工控制分析方法。通常來看，大跨度橋梁的施工控制總是選擇多維并舉，綜合多種方法進行監測監控。一般流程主要分為：參數識別修正計算模型T預測控制各個施工階段T確定最大容許

36、誤差T最終確定成橋。2.3大跨度橋梁有限元分析方法大跨度橋梁施工會經歷一個十分漫長而復雜的施工過程和結構體系轉換過程。橋梁控制的基本內容之一是對各個階段施工工況劃分下，結構內力和變形進行計算。因此，通過科學的計算和理論分析來修正橋梁結構施工過程中每個階段在受力和變形直到達到理想設計狀 態。綜上所述，施工控制中的結構計算不但能夠描述整個施工過程，反映整個施工過程中結構的受力行為，同時還能準確獲得結構各個施工工況下的理想狀態，為施工過程控制提供中間目標狀態。目前橋梁結構的有限元分析方法主要包括：正裝分析法、倒裝分析法和無應力狀態計算法。上述的幾種方法針對不同橋梁型式結構具有普遍適用性，然而正是由于

37、橋梁結構型式有所差異，各具特點，因此這幾種方法對于不同橋型各有側重。橋梁建設人員應當準確分析橋梁結構特點，選擇合適的施工控制計算方法。2.3.1正裝計算法正裝計算法是根據橋梁結構實際施工加載順序進行結構變形和受力分析，其較好地模擬橋梁結構的實際施工過程，計算得出結構在各個施工階段的位移和受力狀態，這些數據不但可以預測下一施工階段橋梁結構的變形受力狀態，對橋梁施工控制提供數據支持，還可以用來指導橋梁設計和施工。 同時，在正裝計算中，能較好地考慮一些與橋梁結構建筑材料時間 歷程有關的影響因素，如結構的非線性問題和混凝土收縮徐變問題。特別是對于大跨度上承式拱橋，為準確了解橋梁結構在各個施工階段的變形

38、受力狀態，都必須采用正裝計算法先行計算。正裝計算法可以完整地擬合工程結構施工過程，對于采用懸臂拼裝法施工的鋼筋混凝土拱橋，其正裝計算法可按照如下步驟計算分析：(1) 確定橋梁結構的原始狀態，主要包括主跨和邊跨的大小、橋梁線形、橋墩及立柱 的高度、橋梁約束、截面參數、拉索錨索信息、施工荷載、體系轉換等等。這些數據或者信 息可以通過施工設計圖和施工組織設計獲得。(2) 橋墩、基礎、0號塊澆筑完成：計算已澆筑部分在自重和外加荷載作用下的變形 和內力。（3）在各個工況下纜索吊裝各部分塊件，直到吊裝完成，拆除設備。計算各個施工工 況下橋梁結構的變形和內力，每一階段計算均依照上一施工工況結束時結構變形后的

39、線形為 基礎。（4）進行拱肋拱圈合攏，計算這幾個階段的結構內力和變形。（5）橋面鋪裝時的二次恒載作用下，橋梁結構的變形和內力，控制其與設計線形保持一致。2.32倒裝計算法倒裝計算法是根據橋梁結構實際施工加載順序的逆過程來進行結構受力行為分析。倒裝計算的目的是為了獲得橋梁結構在各施工階段理想的安裝位置（主要指標高）和理想的受力狀態。通常而言，結構設計圖只給出了橋梁最終成橋狀態下的設計線形和設計標高的具體數 據，然而橋梁結構施工中， 各個施工工況下的標高并沒有準確給出，如果想要獲得橋梁結構施工初始狀態和施工中間各個工況下的目標狀態，就必須從結構設計圖中給出的最終成橋狀態開始，逐步逆推地通過倒裝計算

40、法來獲得各施工中間階段的目標狀態，最終算出橋梁結構施工的初始狀態。只有按照倒裝計算出的橋梁結構各階段中間目標狀態去指導施工，才能使橋梁的成橋狀態符合最佳理想設計要求。當然，在橋梁結構的施工控制階段，除了結構的標高和線形需要計算來控制以外，結構的受力行為同樣需要計算得到并加以控制，它與橋梁線形控制同等重要。倒裝計算法對于各種類型的橋梁結構具有普遍適用性，可以應用于不同型式的橋梁結構安裝計算中。2.3.3無應力狀態法無應力狀態法是以橋梁結構各構件的無應力長度和曲率不變為基礎，將橋梁結構的成橋狀態和施工各階段的中間狀態聯系起來，在結構分階段施工工況下， 建立力學平衡方程，當結構外荷載、結構體系、支承

41、邊界、單元無應力長度、無應力曲率一定的情況下，其對應的 結構內力和變形是確定的。2.4大跨度橋梁施工質量控制影響參數能夠引起結構狀態（主要是指內力和變形）變化的因素稱為結構設計參數。因此，在橋梁施工控制中，對結構設計參數進行識別和修正是十分必要的。建造不同型式橋梁結構時， 各個類型的設計參數對結構行為的影響程度是不同的，即使同一設計參數對不同的結構體系也有不同的影響程度。因此，必須弄清結構體系結構設計參數類型。對于拱橋來說，主要的 設計參數包括以下幾個方面:（1）結構幾何參數所以在橋梁的施在橋梁施工過程的結構幾何參數主要是指： 橋梁結構的跨徑、拱肋的矢跨比、拱軸線形等。它們揭示了結 構的形狀和

42、結構最初的狀態。(2)截面特性參數截面特性參數主要包括：(1)拱肋截面的抗彎慣矩I。和截面面積 A。；( 2)橋墩截面的抗彎慣矩h、截面面積厲；(3)橋面行車道板截面的抗彎慣矩12、截面面積A2；( 4)拱上立柱的截面面積 A2等。截面特性參數對于橋梁結構在各個工況下施工控制階段能否達到目標 狀態也存在著較大影響。(3)時間相關參數與時間歷程相關的參數主要是指混凝土收縮徐變和溫度變化。混凝土的收縮徐變特性是這一建筑材料獨有的，在混凝土結構計算中，需考慮收縮徐變帶來的內力變形影響。此外， 橋梁施工是一個漫長的過程， 不論是同一天內的溫度變化或者持續幾個月的季節性溫度變化， 都對橋梁結構的位移和變

43、形有著較大的影響。然而人們對于溫度的影響至今不能完全準確模擬，只能采用定時觀測結合工程經驗減小溫度影響。(4)荷載參數荷載參數主要指結構構件自重、施工臨時荷載和扣索錨索張拉力。對于拱肋吊裝施工過程來說，拱肋節段自重和施工臨時荷載是相對穩定的量，在施工過程中通常不會有較大的改變。對于扣索錨索體系中的有效索力，可以通過計算獲得。 由于節段吊裝的不斷推進，后續拱段的自重將陸續作用在已經安裝好的拱段上，相應的扣索索力和錨索索力也將陸續施加于墩柱和扣塔上，這些荷載將使扣索錨索體系中的有效索力隨著施工工況的不同而變化。成拱后，需現場澆筑立柱混凝土， 經常會由于立模引起構件荷載的變化， 但其沒有一定 的變化

44、規律。相對的，橋面系自重和施工臨時荷載是比較穩定的量，在施工過程中通常不會有較大改變。(5)材料特性參數材料特性參數主要是指材料的彈性模量E和剪切模量G。鋼材的彈性模量和剪切模量比較穩定，不會發生較大改變，而混凝土材料恰恰相反，波動幅度相對較大。工控制中要對其進行參數識別。針對不同橋梁體系，以上提到的結構設計參數的影響程度是不同的。計算中，要對主要影響參數進行識別和修正。2.5天池特大橋施工質量控制的內容及計算方法選擇2.5.1天池特大橋施工質量控制內容在施工監測與控制過程中，為了掌握每一具體工序完成后結構的受力、變形等情況，需對上述主要施工過程進一步細化，列出細化了的施工工況、施工內容，并給

45、出相應的施工工況模型圖。從而為施工過程的結構有限元計算分析、各施工工況監測監控的測量時機、控制內容等，給出明確的監控過程控制。天池特大橋施工控制的主要內容是綜合考慮主拱圈的穩定性、變形和內力，在施工安全和主拱圈穩定性的前提下，重點控制主拱圈的變形、應力和扣索索力。以變形控制為主，嚴格監控各控制截面的撓度和拱軸線偏移， 監測各控制截面應力和應變發展情況， 監測扣索索 力大小，預測單肋拱圈合龍后的穩定安全系數。2.5.2天池特大橋計算方法的選擇對于大跨度拱橋懸臂施工，施工計算中如不考慮混凝土收縮、徐變的影響，計算結果將發 生較大的偏差，但是混凝土的徐變與結構形成的過程有關，原則上倒拆法無法進行徐變

46、計算。這是因為徐變計算在時間上只能是順序的，不可逆的，而倒拆法在時間上則是逆序的。一般可應用迭代法來解決這個問題。即第一輪倒拆計算時不計及混凝土的收縮、徐變，然后以倒拆結果進行正裝計算，逐階段計算混凝土的收縮、徐變影響，再進行倒拆法計算時，按階段疊加入 正裝計算時相應階段的混凝上的收縮、徐變影響，如此反復迭代，直至計算結果收斂。因此，本文將采用正裝計算法對天池特大橋進行有限元分析，為天池特大橋的質量控 制提供依據。2.6本章小結本章主要對大跨度上承式拱橋懸臂拼裝施工控制分析方法進行了分析和闡述，并著重介紹了正裝分析法、倒裝分析法和無應力分析法。結合天池特大橋為實例背景，根據工程的經 驗得出天池

47、特大橋施工控制的主要內容和計算方法的選擇，最終達到精度的要求，實現施工控制目標。3天池特大橋施工工況劃分及結構仿真計算3.1引言結構仿真計算分析能夠保證橋梁結構的科學性和準確性。在進行有限元分析時，運用科學的思維方法，按照其結構特點進行建模。通常而言，這類橋型可按空間（或平面）梁單元進行分析。在選用計算分析軟件時， 還應該考慮到工程應用的簡便，在保證計算精度相同的情況下，優先選擇原始數據工作量小、力學概念清楚、模型簡單的分析軟件。天池特大橋的結構建模仿真計算分析采用了MADIS /CIVIL 2012橋梁專業分析軟件進行施工過程結構計算分析，MADIS /CIVIL 2012 軟件能夠很好地模

48、擬施工進度，準確地考慮各個工況下線形控制影響因素的問題。天池特大橋肋拱安裝采用節段吊裝施工方法，結構的最終成橋合攏建成通車，經歷了一個漫長而又復雜的施工過程及結構體系轉換過程。橋梁施工控制的基本內容之一是針對施工過程中各個工況下結構受力行為的計算分析。因此，在橋梁施工過程中各個施工階段結構的變形和受力可以運用有限元理論分析計算預測結構的目 標狀態，以便指導施工過程，使其最終的成橋線形和受力狀態達到符合設計要求，達到最佳理想狀態。3.2天池特大橋施工工況劃分根據設計圖紙和施工單位提出的施工組織設計文件，天池特大橋主橋的主要施工過程為：（1）采用分段預制拱箱節段（上下游肋拱各17節段，共34節段）

49、，纜索吊裝進行懸臂拼裝， 直至上、下游單肋拱箱分別合攏；（2）現澆拱箱中室頂板、底板，形成完整的單箱二室主拱圈整體截面；（3）立模現澆拱上立柱和蓋梁，并吊裝主橋空心板；（4）澆筑防撞墻，橋面鋪裝。3.2.1單肋分節段吊裝上、下游單肋拱箱吊裝施工過程的工況劃分，與實際吊裝施工過程一致。按照吊裝施工的先后順序，劃分為 10個工況進行結構分析計算和監測監控。各工況下的主要施工內容如 表 3.1。工況號施工主要內容工況1吊裝1#、1 /#節段，張拉扣索 KS1、KS1,和錨索MS1 MS2。工況2吊裝2#、2/#節段，張拉扣索 KS2 KS2/和錨索MS2 MS2,調錨索力。工況3吊裝3#、3/#節段

50、，張拉扣索 KS3 KS3,和錨索MS3 MS3,調錨索力。工況4吊裝4#、4/#節段，張拉扣索 KS4 KS4/和錨索MS4 MS4,調錨索力。工況5吊裝5#、5/#節段，張拉扣索 KS5 KS5,和錨索MS5 MS5,調錨索力。工況6吊裝6#、6/#節段，張拉扣索 KS6 KS6,和錨索MS6 MS6,調錨索力。工況7吊裝7#、7/#節段，張拉扣索 KS7、KS7/和錨索MS7 MS7，調錨索力。工況8吊裝8#、8/#節段，張拉扣索 KS8 KS8,和錨索MS8 MS8,調錨索力。工況9吊裝9#合攏段，施加雙向水平推力，現澆接縫成拱，松吊索。工況10對稱松扣索和錨索，完成肋拱體系轉換，形成

51、邊肋單肋裸拱。表3.13.3.1.2吊裝施工模型圖工況劃分及主要施工內容相應于各施工工況的計算模型如圖3-1 圖 3-10。工況1吊裝1#節段工況2吊裝2#節段圖3-3工況3吊裝3#節段工況4吊裝4#節段圖3-4圖3-6圖3-7工況7吊裝7#節段工況6吊裝6#節段中箱現澆施工順序如圖2-11所示，中箱現澆施工日期如圖2-12所示。中箱現澆橫截面圖3-8工況8吊裝8#節段圖3-9工況9吊裝9#節段圖3-10工況10松扣索，單肋成拱332中箱現澆成拱中箱現澆施工工況及其主要內容如表3.2所示。表3.2工況劃分及主要施工內容工況施工主要內容工況現澆1 # 1# 2# 2#節段頂底板及加厚層。工況現澆

52、3 # 3# 4# 4#節段頂底板及加厚層。工況現澆5 # 5# 6# 6#節段頂底板及加厚層。工況現澆7#8 #節段頂底板及加厚層。工況現澆7 # 8# 9#節段頂底板及加厚層。3.3.2.2中箱現澆施工模型圖如圖2-13所示，分頂板和底板二次澆筑。3.3.3立柱、蓋梁澆注及行車道板安裝立柱和蓋梁施工工況劃分和主要施工內容如表2.3所示，共劃分為8個工況。該表依據實際施工情況編寫而成，與原監控方案相關內容有些出入。表3.3工況劃分及主要施工內容工況號施工主要內容工況11#1#立柱澆注18m,8#8#9#立柱蓋梁頂鋼筋籠完成，其余立柱墊梁完成。工況21#立柱澆注 24m,1#30m,4#完成6

53、m,5#完成6m,8#9#8#7#6# 完成,其余立柱墊梁完成。工況31#1# 立柱澆注 30m,2#3#4# 完成 6m,5#6#7#8#9#8#7#6# 完 成,5#12m,4#3#6m,2# 墊梁。工況41# 立柱澆注 30m,2#3#4# 完成 12m,5#6#7#8#9#8#7#6#5#完成,4#3#12m,2# 墊梁,1#36m，安裝第9、10跨兩跨行車道板。工況51# 立 柱澆注 36m,2#18m, 3#12m, 4#5#6#7#8#9#8#7#6#5#4#完成,3#12m,2#6m,1#42m ，安裝第 6、7、8、11、12 跨行車道板。工況61#42m ,2# 柱身完成

54、3#4#5#6#7#8#9#8#7#6#5#4#3#完成,2#30m,1#42m，安裝第5、13、14跨行車道板。工況7拱上立柱全部完成，安裝第 4、15跨行車道板。工況8吊裝其余行車道板。立柱和蓋梁施工工況模型如圖3-14圖3-21所示。圖3-14 工況1圖3-15 工況2圖3-16 工況3圖3-17 工況4圖3-18 工況5圖3-19 工況6圖3-20 工況7圖3-21 工況8334橋面系施工橋面系施工工況及其主要內容如表3.4所示，劃分為1個工況。表3.4工況劃分及主要施工內容工況號施工主要內容工況1澆注12cm加厚層，澆注防撞護欄橋面系施工模型圖如圖3-22所示。圖3-22 工況1-橋

55、面系施工3.3天池特大橋有限元分析方法3.3.1有限單元法對拱橋施工控制結構計算正裝分析法和倒裝分析法，是以有限單元法原理為基礎的結構計算方法。有限單元法是將連續體理想化為有限個單元的集合體，使單元僅在有限個結點上相連接，即以一個有限單元體系代替一個無限個自由度的連續體，作為物理上的近似。先進行單元分析，用結點位移表示單元內力，然后將單元再合成結構， 進行整體分析，建立整體平衡條件。通過結構幾何條件、結點荷載等求出結構單元中的結點位移和內應力。在求解力學問題時，最普遍的是以單元上結點位移作為基本未知量，這種方法稱為位移有限元法。3.3.2天池特大橋結構有限元模型在對天池特大橋進行結構計算時，將

56、其簡化為平面結構。 各施工節段的拱肋、 拱上立柱和行車道板離散為梁單元，扣索為桁架單元。拱腳為固定端支座。根據施工步驟模擬每個施工階段的狀態，最后的成橋狀態是，每個施工階段位移、應力的疊加。拱肋吊裝施工計算模型（1）計算模型根據施工圖（文件編號：0275S 2004路），以及施工單位所提供的天池特大橋纜 索吊裝施工方案（2006.12 ），把肋拱圈上扣點、接頭橫隔板等處作為劃分單元的控制節點， 建立主拱圈合攏吊裝施工結構計算分析平面模型，如圖1 -1所示。圖1-1主拱圈合攏吊裝施工結構計算分析平面模型(2)單元劃分肋拱、5 #和6#墩設置為平面梁單元，扣索和錨索設置為拉索單元。該吊裝施工過程計

57、算模型共劃分為116個單元，有97個結點。其中，肋拱圈部分劃分為52個單元，有53個結點。單元劃分如圖 1 - 2所示。圖1-2拱肋吊裝單元劃分圖(3)單元橫截面幾何特性肋拱圈單元橫截面如圖 1-3所示。4SX15圖1-3主拱圈橫截面形式(4)材料特性主拱圈、橋面行車道板選用C50;交界墩選用 C35;蓋梁選用 C40立柱和橫墻(含蓋梁和底座)選用 C40。材料特性如表1- 1所示。表1 1材料參數表材料材料標號彈性模容重線脹系數天也特大橋類型量（Mpa）kN/m31C4032500261.00E-052C353150025.51.00E-053C5035000261.00E-05拱上建筑施工

58、計算模型（1）計算模型根據施工圖（文件編號：0275S2004路），建立天池特大橋主橋施工結構計算分析模型，如圖1 - 4所示。（2）單元劃分單元劃分如圖1 - 5所示。圖1-5有限元計算模型拱肋、拱上立柱和行車道板離散為梁單元，全橋橋共劃分為203個單元，188個節點（其中主拱圈部分有52個單元，53個節點）。3.4計算參數（1）一恒（D1）: 一恒按照結構容重加載。（2） 二恒（D2）:按施工圖（文件編號：0275S 2004路）設計說明給出，q=30kN/m。（3）初始索力：在拱段吊裝過程中，最理想的扣索張拉方式是只張拉一次，往后不用調整索力的大小，就能滿足拱肋的線形和應力要求。由于后續

59、拱段不斷地吊裝定位和扣索張拉，后續工況吊裝的拱肋自重和張拉的索力必將對前面已裝好的扣索的索力和拱肋的正應力圖1-4主橋施工結構計算分析模型產生很大影響，所以扣索一次張拉到位的目標是很難實現的。利用大型通用有限元計算軟件midas civil 2012，對扣索的初始張拉力反復進行優化調整,可基本達到一次張拉到位的要求。從而大大減少調索工作量，縮短工期。（4）活載（L）：公路I級車道荷載。圖1-6為活載的荷載形式。（5）其他荷載：溫度荷載按公路橋梁規范取值，考慮其變化土10 C的影響，考慮混凝土收縮徐變的影響。3.5本章小結本章以天池特大橋為工程實例，介紹了天池特大橋的工程概況，并以圖表結合的方式

60、分析了施工工況劃分。 接著詳細介紹了有限單元法的理論，并將理論運用于實際建模之中，采用MIDAS CIVIL建立了有限元模型，闡述了橋梁結構建模思路，為天池特大橋的線性控制、 索力控制等施工質量控制內容作準備工作。4天池特大橋施工質量控制研究4.1引言4.2橋梁線形控制與索力監測的原理和目的無論采用什么施工方法，橋梁結構在施工過程中總要產生變形（撓曲），并且結構的變形受到諸多因素的影響，極易使橋梁結構在施工過程中的實際位置（立面高程、平面線形）狀態偏離預期狀態，使橋梁難以順利合攏， 或成橋線形與設計要求不符，所以必須對橋梁實施線形控制，使其結構在施工中的實際位置狀態與預期狀態之間的誤差在容許范