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宁车沽永定新河特大桥连续梁监控施工组织设计

宁车沽永定新河特大桥连续梁

石家庄******学院

3 施工控制的原理、目的、内容和方法 1

电梯安装施工方案.3.1 施工控制的必要性 1

3.2 施工控制的原理 1

3.3 施工控制的目的 2

3.4 施工控制的内容 2

3.5 施工控制的方法 4

3.5.1 施工控制方法介绍 4

3.5.2 自适应控制方法 5

3.5.3 预测控制方法 6

3.6 施工控制结构的计算方法 10

3.6.1 正装计算法 10

3.6.2 倒装计算法 12

3.6.3 无应力状态法 14

3.7 宁车沽永定新河特大桥施工控制 14

3.7.1 宁车沽永定新河特大桥施工控制的目标 15

3.7.2 施工控制的具体内容 16

3.7.3 施工控制前期结构计算系统 16

3.8 施工控制误差分析 17

3.8.1 结构刚度误差 17

3.8.2 浇筑混凝土误差 17

3.8.3 桥面临时荷载影响 18

3.8.4 挂篮变形误差 18

3.8.5 温度影响 19

3.8.6 预应力束张拉力误差 19

3.8.7 施工方案变化 20

3.9 确定适用的施工误差容许度指标和应力预警系统 20

4 施工监控的工作及对施工工艺的要求 21

4.1 主梁悬臂施工 21

4.2 主梁合龙施工的监测 21

5 施工顺序及监控计算 22

5.1 施工顺序及计算工况 22

5.2 计算参数 22

5.3 利用施工监控、监测实时计算调整控制目标值 23

6 施工监测的方法及具体内容 26

6.1 几何形态挠度监测 26

6.1.1 悬臂施工的控制要点 26

6.1.2 悬臂施工中挠度计算与控制 26

6.1.3 悬臂施工时预拱度的设置方法 27

6.1.4 立模标高的设定立模标高的设定 29

6.1.5 宁车沽永定新河特大桥悬臂施工时预拱度监测方法 29

6.2 应力观测 31

6.3 温度监测 33

6.4 截面尺寸测量 35

6.5 混凝土弹性模量试验 35

6.6 预应力监测 37

6.7 与监控有关的其它资料收集 37

7 施工控制实施日程安排 38

8 现场实施组织方法 39

8.2 施工监控项目组 39

8.3 联系单传递方式 39

宁车沽永定新河特大桥位于新建铁路天津至秦皇岛铁路客运专线天津段，其中包含跨度为48+80+48m无碴轨道预应力混凝土连续梁桥，起止里程分别为DK50＋831.13~DK51+008.83。结构形式为3跨预应力混凝土连续箱梁，全长177.5m，计算跨径布置为48m+80m+48m，中支点处梁高6.65m，跨中9m直线段及边跨13.25m直线段梁高为3.85m。梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端距离0.75m。箱梁采用单箱单室、变截面、变高度结构。箱梁顶面宽12m，箱梁底面宽6.7m，顶板厚度除梁端附近外均为40cm；底板厚度40至100cm，按直线线性变化；腹板48至60、60至90cm，按折线变化。全联在端支点，中跨中及中支点处共设5个横隔板，横隔板设有孔洞供检查人员通过。

[1]《时速350公里客运专线铁路无砟轨道现浇预应力混凝土连续梁（双线）》

[3]《铁路工程抗震设计规范》(GB50111－2006)

[4]《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》

(TB10002.3~2005)；

[5]《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》

(铁建设〔2005〕157号)；

[6]《关于发布《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》等两项铁路工程建设标准局部修订条文的通知》

(铁建设〔2007〕140号)；

施工控制的原理、目的、内容和方法

对高次超静定桥跨结构(多跨连续梁或连续刚构，或斜拉桥)，其成桥的梁部理想的几何线型与合理的内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法。如何通过施工时的浇筑过程的控制以及主梁标高调整来获得预先设计的应力状态和几何线型，是连续梁桥施工中非常关键的问题。

尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况，但是由于施工中出现的诸多因素(如材料的弹性模量、混凝土收缩徐变系数、结构自重、施工荷载、温度影响等)的随机影响，事先难以精确估计，而且在实际施工过程中由于施工在测量等方面产生的误差，会使实际结构的原理论设计值难以做到与实际测量值完全一致，两者之间会存在偏差。尤其值得注意的是，某些偏差(如主梁的竖向挠度误差)具有累积的特性。若对偏差不加以及时有效的调整，随着梁的悬臂长度的增加，主梁的标高会显著偏离设计值，造成合龙困难或影响成桥的内力和线形。特别是采用悬臂施工技术的大跨度桥梁，施工中的不合理误差状态如不能及时地加以识别和处理，主梁的应力有可能发生积聚而超出设计安全状态发生施工事故。所以在施工中对桥梁结构进行实时监测，并根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应调整是十分重要的。已建成的桥梁中就出现过施工控制不好，造成桥梁内力分配不合理、主梁线形不和顺的情况，影响了桥梁的使用。

桥梁的施工控制是一个施工→量测→判断→修正→预告→施工的循环过程，为了能够控制桥梁的外型尺寸和内力，首先必须安排一些基本的和必要的量测项目，其内容包括主梁各施工工况的标高、主梁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，在现场施工形成良性循环。

施工控制的目的，就是根据实际的施工工序，以及现场获取的参数和数据，对桥跨结构进行实时理论分析和结构验算；对每一施工阶段，根据分析验算结果给出其主梁端的挠度(每阶段施工梁段定位标高)等施工控制参数，分析施工误差状态，采用应力预警体系对施工状态进行安全度评价和灾害预警。这样，才能保证结构的受力和变形始终处于安全的范围内，成桥后的结构内力和线形符合设计要求。

对于分节段悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续梁桥来说，施工控制就是根据施工监测所得的结构参数实测值进行施工阶段计算，确定出每个悬浇节段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测的成果进行误差分析、预测和对下一节段立模标高进行调整，以此来保证成桥后桥面线形、合龙段两悬臂端标高的相对偏差不大于规定值以及结构内力状态符合设计要求。

大跨度连续梁桥施工控制的任务就是对桥梁施工过程实施控制，确保在施工过程中桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，确保成桥状态符合设计要求。桥梁施工控制的内容围绕施工任务而展开，总体上讲，桥梁施工控制的具体内容有以下几个方面：

不论采用什么样的施工方法，桥梁结构在施工过程中总要产生变形(挠曲)，并且结构的变形将受到诸多因素的影响，极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置(立面标高、平面位置)状态偏离预期状态，使桥梁难以顺利合龙，或成桥线形形状与设计要求不符，所以必须对桥梁实施控制，使其结构在施工中的实际位置状态与预期状态之间的误差在容许范围和成桥线形状态符合设计要求。

与桥梁工程质量的优劣需用其质量检验评定标准来检验一样，施工控制的结果也需要有一定的标准，即误差容许值来评判。桥梁施工控制中的几何控制总目标就是达到设计的几何状态要求，最终结果的误差容许值与桥梁的规模、跨径的大小、技术难度等有关，目前还没有统一的规定，应根据具体桥梁的施工控制需要具体确定。同时，为保证几何控制总目标的实现，每道工序的几何控制误差允许范围也需事先研究、确定出来

桥梁结构在施工过程中以及在成桥状态的受力情况是否与设计相符合是施工控制要明确的重要问题。通常通过结构应力的监测来了解实际应力状态，若发现实际应力状态与理论(计算)应力状态的差别超限就要进行原因查找和调控，使之在容许的范围内变化。结构应力控制的好坏不像变形控制那样容易发现，若应力控制不够将会给结构造成危害，严重者将发生结构破坏，所以，它比线形控制显得更加重要。必须对结构应力实施严格监控。目前对应力控制的项目和精度还没有明确的规定，需根据实际情况确定。

桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全，它与桥梁的强度有着同等的甚至更重要的意义。世界上曾经有不少桥梁在施工过程中由于失稳而导致全桥破坏的例子，最典型的为加拿大魁北克(Quebec)桥。我国四川州河大桥也在悬臂施工中出现了失稳破坏。因此，桥梁施工过程中不仅要严格控制变形和应力，而且要严格地控制施工各阶段结构构件的局部和整体稳定。

目前桥梁的稳定性已经引起了人们的重视，但主要注重于桥梁建成后的稳定计算。对施工过程中可能出现的失稳现象还没有可靠的监测手段，尤其是随着桥梁跨径的增长，受动荷载或突发情况的影响，还没有建立有效、成熟的快速反应系统，因此，很难保证桥梁的施工安全。目前主要通过稳定分析计算(稳定安全系数)，并结合结构应力、变形情况来综合评定、控制其稳定性。施工中，除桥梁结构本身的稳定性必须得到控制外，施工过程中所用的支架、挂篮、吊装系统等施工设施的各项稳定系数也应满足要求。

桥梁施工过程中的安全控制是桥梁施工控制的重要内容，只有保证了施工过程中安全，才谈得上其它控制与桥梁的建成。其实，桥梁施工安全控制是变形控制、应力控制和稳定控制的综合体现，只有桥梁的变形、应力和稳定得到了控制，其安全也就得到了控制(由于桥梁施工质量问题引起的安全除外)。由于结构型式不同，直接影响施工安全的因素也不一样，在施工控制中需根据实际情况，确定其安全控制的重点。

由于桥梁的结构型式、施工特点及具体施工内容的不同，其施工控制的方法也不尽相同。总的来讲，桥梁施工控制可分为事后控制法、预测控制法、自适应控制法、最大宽容法等。事后控制法是指在施工中，当已成结构状态与设计要求不符时，即可通过一定手段对其进行调整，使之达到要求。而预测控制法则是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，对结构的每一个施工阶段(节段)形成前后的状态进行预测，使施工沿着预定的状态进行。由于预测控制与实际状态之间误差存在，某种误差对施工目标的影响则在后续施工状态的预测中予以考虑，以此循环，直到施工完成和获得与设计相符合的结构状态。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，通过将误差输入到参数识别算法中去调节计算模型参数，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。经过反复辨识从而对施工过程进行有效控制。最大宽容法是指在设计时给予主梁标高和内力最大的宽容度，即误差的容许值。这种做法虽然减少了控制的难度，但会产生其它的一些问题。

连续梁桥是一施工→量测→识别→修正→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顺利推进。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，因此施工控制的核心任务就是对各种误差进行分析、识别、调整，从而对结构未来状态作出预测。大跨度预应力混凝土连续梁桥通常采用悬臂浇筑这种典型的自架设施工方法。由于连续梁桥在施工过程中的己成结构(悬臂节段)状态是无法在事后进行调整的，因此，在大跨度连续梁桥的悬臂施工中一般采用预测控制法和自适应控制法进行控制。与斜拉桥不同，连续梁桥在梁段浇筑完成以后出现的误差，除张拉预备预应力束外，基本上没有调整的余地，而只能针对己有误差在下一未浇筑梁段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尽可能准确的预测，即主要依靠预测控制。无论施工过程如何，总是要以最终桥梁成型状态作为目标状态，以此来控制各施工块件的预抛高值(立模标高)。

自适应控制法也称参数识别修正法。它是在系统的运行过程中，通过系统识别或参数估计，不断地修正参数，使设计输出与实际输出相符，从而实现对目标系统的控制。自适应控制系统最早出现在50年代末期，由美国麻省理工学院Wittaker等人提出，而后出现了许多形式完全不同的自适应系统。一般来讲，一个自适应系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条件的变化(如负荷变化，风、雨等气候条件的变化等)并自动校正控制动作，使系统达到最优或接近最优的控制效果。

采用自适应性控制法进行控制的对象通常是那些存在不定性的系统，在控制系统的运行中，通过不断地量测系统的输入、状态或性能参数，逐渐了解和掌握对象。然后根据所得的过程信息，按照一定的设计方法，作出控制决策去更新控制器的结构、参数或控制作用，以便在某种意义下使控制效果达到最优或次最优，或达到某个项目预期的目标。一般来讲，一个自适应系统具有如下几个特征：

1、过程信息的在线累积

在线累积过程信息的目的，是为了降低受控系统原有的不定性。为此可用系统辨识的方法在线辨识受控系统的结构和参数，直接累积过程信息；也可以通过量测能够反映过程状态的某些辅助变量，间接累积过程信息。在系统识别中，结构辨识比参数估计困难得多。

可调控制器是指它的结构、参数或信号可以根据性能指标要求进行自动调整。这种可调性要求是由受控系统的不定性决定的，否则就无法对过程实现有效的控制。

性能指标的控制可分为开环控制方式和闭环控制方式两种，若与过程动态相关联的辅助变量可测，而且此辅助变量与可调控制器参数之间的关系又可根据物理学知识和经验导出，这时就可通过此辅助变量直接调整可调控制器，以达到预定的性能指标。这就是性能指标的开环控制，它的特点是没有根据系统实际达到的性能指标作进一步的调整。与开环控制方式不同，在性能指标的闭环控制中，还要获取实际性能与预定性能之间的偏差信息，将其反馈后修改可调控制器，直到实际性能达到或接近预定性能为止。

自适应控制法一般适用于被控对象参数未知，或者由于环境条件影响，参数发生较大变化的系统。而对于那些被控对象参数已知定常或变化较小甚至可以忽略的系统，一般采用常规反馈控制、模型匹配控制或最优控制的方法，便可以得到较为满意的控制效果。对于采用悬臂法施工的大跨度连续梁桥而言，己浇筑完成的节段的不可控性及施工中对线形误差纠正措施有限，控制误差的发生就显得尤为重要，因此采用自适应控制法对其进行控制是比较有效的。

预测控制(PredictiveControl)最早是RICHALET等人于1978年提出并在80年代初兴起的一种控制算法。它用来描述过程动态行为的信息，是直接从生产现场检测到过程响应，且不需要事先知道过程模型的结构和参数的有关先验知识，也不必通过复杂的系统识别来建立过程的数学模型，而是根据某一优化指标设计系统，确定一个控制量的时间系列，使未来的一段时间内被调量与经过柔化后的期望轨迹之间的误差为最小。而且预测控制算法采用的是不断在线滚动优化，且在优化的过程中不断的通过实测系统输出与期望模型输出的误差进行反馈校正，所以能在一定程度上克服由于预测模型误差和某些不确定性干扰的影响，使系统的鲁棒性得到增强。由于预测控制具有实现容易、对模型要求低，在线计算方便、控制性能优、稳定性好等优点，因此适用于连续梁桥施工这类复杂过程的控制。预测控制法的算法机理可以用预测模型、滚动优化、反馈矫正等三个要素来表征，这三个要素反映了预测控制的本质特征。

对象的输出预测是预测控制的关键，而对象的输出预测又必须基于描述对象动态特性的数学模型，因此在预测控制算法中，需要一个能描述系统动态特性的基础模型，这种基础模型称为预测模型。预测模型应具有预测功能，即能够根据系统的历史信息和选定的未来控制输入，预测系统的未来输出值。从方法机理的角度来看，凡是具有预测功能的信息集合，不论其表现形式如何，均可以作为预测模型。预测模型要能够正确反映输入—输出的动态因果关系：而且建模表达形式要尽可能简便。

预测控制算法是一种优化控制算法，它通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用，这一性能还涉及到过程未来的行为，它是根据预测模型由未来的控制策略决定的。预测控制中的优化不是一次离线完成的，而是反复在线完成的，即每一采样时刻，优化性能指标只涉及该时刻起到未来有限的时刻，而到下一个采样时刻，这一优化时段会同时向前推移，因此，预测控制不是用一个对全局相同的性能优化指标，而是每一时刻都有一个相对于该时刻的局部性能优化指标。不同时刻优化性能指标的形式相同，但其所包含的时间区域不同。这种局部的有限时域的优化目标，虽然只能得到全局的次优解，但由于这种优化过程是在线反复进行的，而且能更为及时地校正因模型失配、时变、干扰等引起的不确定性，始终把优化过程建立在从实际过程中获得的最新信息基础之上，因此，只要预测范围选择合适，可以使控制保持实际上的最优。

这种基于滚动式的有限时域优化目标，是在每一时刻提出相对于该时刻起对未来有限时域内的优化目标。对于当前k时刻的优化问题，就是要确定从k时刻起的一组M个控制变量(或控制增量)：

使在未来(
)时刻的输出预测，
与期望输出
的方差为最小(参见图1)，即：

——期望输出或参考轨迹；

i,n——分别为预测时域长度和最大预测时域长度；

——第i步预测的非负加权系数。

由于各种干扰和计算误差的影响，使得对象的实际输出
一般不可能与参考轨迹
完全重合。因此，滚动优化意味着按一个己知的非干扰模型来计算控制变量U(k)，以使得从k时刻(现在时刻)开始，未来的n个预测输出
尽可能接近参考轨迹
。若采用闭环预测，则有：

——k时刻对象的实际输出值；

——k+i时刻的模型输出值；

——k时刻的模型输出值。

可以证明，当采用闭环预测时，对象输出值将收敛于设定值C[2]。在求出
以后，在参考轨迹
给定的情况下，可由式(1)求出控制向量u(k)。但在预测长度n中，只有第一个控制输入即当前时间的即时控制量u(k)才被应用，在下一个采样时刻，重复进行上述步骤。

在预测控制算法中，采用预测模型进行过程输出值的预估只是一种理想方式。由于实际系统中存在非线性、时变、模型失配、干扰等因素的影响，使基于不变模型的预测输出不可能与系统的实际输出完全一致。因此，在预测控制中，通过输出的预测量值与模型的预估值进行比较，得出模型的预测误差，再利用模型的预测误差来校正模型的预测值，从而得到更为准确的预测输出值。正是这种模型预测加反馈校正的过程，使得预测控制具有很强的抗干扰和克服系统不确定性的能力。在预测控制中，反馈校正的形式是多种多样的，既可以在采用的预测模型基础上对预测模型值加以补偿，也可以根据在线辨识原理直接修改预测模型，因此预测控制中不仅基于模型，而且利用了反馈信息，因此预测控制是一种闭环优化控制算法。

预测控制法是一种基于系统模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法。预测控制对模型的要求不同于其它传统的控制，它强调的是模型的预测功能而不是结构形式，只要模型可以利用过去的已知数据预测未来的系统输出就可以作为预测模型。预测控制对模型要求的不唯一性，使它可以根据对象的特点和控制要求，以其最合适的方法建立系统的预测模型。此外，预测控制汲取了优化控制的思想，利用滚动的有限时段优化取代了一成不变的全局优化。这虽然在理想情况下不能导致全局最优，但由于实际上不可避免地存在着模型误差和环境干扰，这种建立在实际反馈信息基础上的反复优化，能不断顾及不确定性的影响并及时加以校正，反而比只依靠模型的一次优化更能适应实际过程，有更强的鲁棒性。

从预测控制法的基本原理可以看出，采用此法对大跨度连续梁桥的施工过程实施有效的控制是比较合适的。因为大跨度连续梁桥的施工过程是一个极其复杂的随机过程，不确定性的因素很多，建立能够切实反映这一施工过程的动态特性的精确数学模型是不可能的，因此，把预测控制这种建模容易、计算简单且可以考虑不确定性因素的算法运用到大跨长联预应力混凝土连续梁桥的施工控制中，可以取得较好的效果。

施工控制结构的计算方法

无论采用什么分析方法和手段，对桥梁结构参数、施工工艺、施工监测等环节采取什么措施，总是要对实际桥梁结构进行简化，建立计算模型，进行桥梁施工仿真计算。

由于悬臂施工的连续梁桥结构的最终形成，必须经历一个漫长又复杂的施工过程及结构体系转化过程，对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析，采取恰当的施工过程模拟分析力法是保证仿真计算精度和速度的关键。施工控制中的过程模拟分析方法不仅能够对整个施工过程进行描述，反映整个施工过程结构的受力行为，而且还能确定结构各个阶段的理想状态，为施工提供中间状态目标。现阶段大跨度桥梁施工控制中桥梁的过程模拟分析方法主要包括：正装分析法、倒装分析法及无应力状态分析等，这3种分析方法各有特点，但由于不同型式的桥梁结构所采用的施工方法不同，因而这3种计算方法对于不同型式的桥梁结构分析是有所侧重的。

对于大跨度桥梁结构，在分段施工过程中，结构的某些荷载如自重荷载、施工荷载、预应力等是在施工过程中逐级施加的，每一个施工阶段都可能伴随着混凝土的徐变发生、边界约束增减、预应力张拉和体系转换等。后期结构的力学性能与前期结构的施工情况有着密切联系。换言之，施工方案的改变，将直接影响成桥结构的受力状态。在确定了施工方案的情况下，如何分析各施工阶段及成桥结构的受力特性及变形是施工设计的首要任务。为了计算出桥梁结构成桥后的受力状态，只有根据实际结构配筋情况和施土方案设计逐步逐阶段地进行计算，最终才能得到成桥结构的受力状态，这种计算方法就是正装计算方法。

正装计算法也称正装分析法或前进分析方法，是指按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构受力和变形分析，能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程，能得到各个阶段的受力和位移状态，不仅可用来指导桥梁设计和施工，而且能对施工控制提供了依据。同时，在正装计算中，能较好对考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素，如结构的非线性问题和混凝土的收缩、徐变问题。因此，正装计算法在桥梁结构分析中占有重要的位置。

这种计算方法的特点是：

(1)随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束条件、荷载形式在不断地改变，前期结构将发生徐变，其几何位置也在改变，因而，前一阶段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。

(2)桥梁结构在正装计算之前，必须制定出详细的施工方案，只有按照施工方案中确定的施工加载顺序进行结构分析，才能得到结构中间阶段或最终成桥阶段的实际变形和受力状态。

(3)在结构分析之初，要确定结构最初实际状态，即以符合设计要求的实际施工结果(如跨径、标高等)倒退到施工的第一阶段作为结构正装计算分析的初始状态。

(4)对于混凝土徐变、收缩等时差效应在各个施工阶段中逐步计入。

(5)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。

正装计算法可以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迁移，最终结构线形不可能完全满足设计线形。

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和运营质量。为了使竣工后桥梁保持设计线形，可在施工过程中设置预拱度的方法来实现。而对于分段施工的连续梁桥等复杂结构，一般要给出各个施工阶段结构控制点的标高(预抛高)，以便最终使结构物满足设计要求，这个问题是用正装计算法难以解决，而倒装计算可以解决这一问题。

倒装计算法也称倒拆计算法或倒退分析法，是指按照桥梁实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为分析。它的基本思想是：假设t=to时刻结构内力分布满足正装计算时刻的结果，线形满足设计要求。在此初始状态下，按照正装分析的逆过程，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施工的理想状态。所谓结构施工理想状态，就是在施上各阶段结构应有的位置和受力状态。每个阶段的施工理想状态都将控制着全桥最终的形状和受力特性。

倒装的目的就是要获得桥梁结构在各施工阶段理想的安装位置(主要指标高)和理想的受力状态。一座大跨度桥梁的设计图，只给出了桥梁结构最终成桥设计状态的成桥线形和设计标高，但是桥梁结构施工中间各状态的标高并没有明确给出，要想得到桥梁结构施工初始状态和施工中间各阶段的理想状态，就要从设计图纸中给出的最终成桥状态汗始，逐步地倒拆计算来得到施工各阶段中间的理想状态和初始状态，只有按照倒装计算出来的桥梁结构各阶段中间状态(主要是标高)去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。当然，在桥梁结构的施工控制中，除了控制结构的标高和线形之外，同样要控制结构的受力状态，它与线形同样重要。正因为倒装计算法有这些特点，所以其能适用于各种桥型结构的安装计算，尤其适用于以悬臂施工为主的大跨度梁桥、刚构桥和斜拉桥：倒装计算法确定桥梁结构各阶段施工理想状态，需要注意以下几点:

(1)倒拆计算时的初始状态必须由正装分析来确定。

(2)拆除单元的等效荷载，用被拆单元接缝处的内力反方向作用在剩余主体结构接缝处加以模拟。

(3)拆除杆件后的结构状态为拆除杆件前结构状态与被拆除杆件等效荷载作用状态的叠加。即本阶段结束时，结构的受力状态用本阶段荷载作用下的结构受力与前一阶段的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。

(4)被拆除构件应满足零应力条件，剩余主体结构新出现接缝面应力等于此阶段对该接缝面施加的预加应力。这是正确进行倒装分析的必要条件。

(5)倒拆时需要注意，对于几何非线性十分明显的大跨度桥梁，按倒装计算法计算的结果进行正装施工，桥梁结构将偏离预定的成桥状态。处理的方法就是要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方法。

(6)倒装计算的局限就是无法进行混凝土收缩、徐变计算，因为混凝土构件的收缩、徐变与结构的形成历程有密切关系。由于倒装计算的顺序是结构形成历程的逆过程，所以在倒装分析时，考虑结构的时差效应的影响有一定困难。

处理这一问题的方法是正装与倒装计算应交替迭代进行，思路是：第一轮倒装计算，不计混凝土的收缩、徐变，然后以倒装计算结果投入正装计算，逐阶段计算混凝土的收缩、徐变影响，并将各阶段的混凝土收缩、徐变值保存起来，以备下一轮迭代计算时采用。上一轮计算完成后，再进行下一轮倒装计算。此时，要计入上一轮正装计算相应阶段的混凝土收缩、徐变值，如此反复进行直到计算结果收敛。即一般正装计算可以考虑混凝土的收缩、徐变影响，而倒装汁算无法考虑，故通过正装计算和倒装计算的反复迭代，直至二者之间误差达到一定的范围之内，桥梁在施工过程中的各个阶段的理想状态才得以确定。

倒装计算是通过分析桥梁的内力来建立起桥梁各施工阶段中间状态与桥梁结构成桥状态之间的联系，由于结构的内力与结构的形成历程密切相关，是个相对不稳定、不独立的量，因而用倒拆计算法确定结构的中间理想状态是比较困难的。因此，找到一种相对稳定或恒定不变的量来建立起各施工阶段中间状态与成桥状态之间的联系，就显得尤为重要，无应力状态计算法就是在这种思想的基础上产生的。

无应力状态法的基本思想：设想将一座已建的桥梁结构解体，结构中各构件或单元在标准温度下的无应力长度和曲率是一个确定的值，在桥梁结构施工中或建成后，不论结构温度如何变化，如何位移，以及如何加载，即在任何受力状态下，各构件或单元的无应力长度和曲率保持不变的原理进行结构状态分析的方法叫无应力状态法，这种方法特别适用于大跨径拱桥和悬索桥。

桥梁结构无应力状态只是一个数学目标，通过它将桥梁结构安装的中间状态和终结状态之间联系起来，为分析桥梁结构各种受力状态提供了一种有效的方法。

无应力状态法与倒拆计算法相比有很多优点：

(1)无应力状态法是以单元的无应力长度为控制量，它是一个相对稳定、比较独立的量，因此该法应变能力较强。

(2)无应力状态法在分析桥梁结构的受力状态时，只进行正装计算，它无需进行结构的倒拆计算，这就避免了结构在倒拆计算时难以考虑结构的非线性和混凝土收缩、徐变影响等影响。

(3)倒拆计算法一个循环中，包括一次倒拆计算和一次正装计算的全过程，而无应力状态法只进行正装计算，全部参数每一轮计算均参与迭代，因此收敛快，计算工作量相对较小。

宁车沽永定新河特大桥施工控制

根据以往桥梁施工及控制经验，并根据该桥的具体情况，估计在施工过程中影响桥梁结构内力和线形的因素主要有以下几方面：

⑤混凝土浇筑方量的控制；

当上述因素与估计不符，而又不能及时识别引起控制目标偏离的真正原因时，必然导致在以后阶段施工中采用错误的纠偏措施，引起误差累积。所以施工监测和控制是大跨桥梁施工过程中不可缺少的工序。

宁车沽永定新河特大桥施工控制的目标

本项目工作的目标是：把大跨度桥梁施工控制的理论和方法应用于宁车沽永定新河特大桥工程的实际施工过程，对该桥施工期间的线型、混凝土应力等内容进行有力的控制和调整，即：根据施工全过程中实际发生的各项影响桥梁内力与变形的参数，结合施工过程中测得的各阶段主梁内力(应力)与变形数据，随时分析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预测值的差异并找出原因，提出修正对策，以协助施工单位安全、优质、高效地进行施工，并确保在全桥建成以后桥梁的内力状态与外形曲线与设计尽量相符。整个施工控制过程见流程图(见图2)。

①验算施工过程中各断面的应力；

②提供施工过程中各阶段立模标高；

③提供合龙后桥面的标高；

⑤对于桥梁的横向和局部应力、变形提供参考意见；

⑥对于施工工艺提供参考意见；

⑦对于施工中出现的问题和意外事故会同有关部门提出处理的参考方案。

施工控制前期结构计算系统

施工控制计算是施工监控的一个重要部分，是施工监控的前提。施工控制计算的目的是保证施工过程中桥梁结构的安全，并计算结构的预拱度，使得结构内力合理、线形和顺。

针对本桥计算分析要拟定控制目标，这可以和设计单位协商，或选定为最大悬臂状态下个梁段控制截面弯矩和主梁各标高控制点的标高为控制目标等。

结构总体分析采用非线性计算理论。分析模型采用空间模型，采用ANSYS软件计算,石家庄铁道学院研制的桥梁施工监控分析软件校核。挂篮作为结构单元进行拆装，参与受力计算。整个施工过程按施工循环周期分成若干阶段，每个阶段分3个工况，即：1)空挂篮就位；2)浇筑完毕节段混凝土；3)张拉预应力钢筋。

误差分析是施工监控的难点，也是施工监控三大系统中相对最不成熟的部分，主要原因是测试数据较少而影响因素较多的矛盾引起的。例如，引起主梁标高较低的因素较多，诸如混凝土超方、挂篮变形较大、预应力张拉力不够、临时荷载引起、日照影响等等，在诸多的因素中，仅仅通过标高测量或者应变测量是很难判断出原因的。所以，为了得到更准确的分析，必须增加测点，增加测试工况，增加测试内容，这无形中就增加了监控的成本。在目前情况下，如何在保证结构安全、保证线形和顺的前提下节约成本是我们追求的目标。这就要求我们在监控过程中善于抓主要矛盾，忽略次要矛盾。既要满足设计要求，又要节约费用，我们以往桥梁的监控经验将是我们进行施工监控的宝贵财富。下面将连续梁桥可能碰到的误差、误差的严重程度以及解决方法分析如下：

引起结构刚度误差的因素，一方面是混凝土弹性模量的改变，另一方面截面尺寸的变化，都对刚度有所影响。对于对称悬臂施工的连续梁桥来说，如果整体刚度提高，虽然浇筑混凝土过程中主梁变形量会减少，但是，张拉预应力束的过程中变形量也会减少。所以，结构刚度误差对施工控制质量的危害不大。

浇筑混凝土误差，即超方现象是浇筑混凝土过程中难以克服的误差，产生的原因有两方面。一方面是浇筑混凝土时，由现场施工负责人估计顶、底板混凝土厚度而产生的误差，另一方面是由模板变形和混凝土容重变化而产生的误差。

混凝土超方对连续梁桥施工阶段的内力和线型影响较大，特别是两侧出现不平衡超方时，影响就更大。当结构悬臂伸长时，危害急剧增加。

在施工过程中，通过改进施工方法减少误差的产生是很有必要的，也是可行的。对悬臂施工的连续梁桥来说，由于两悬臂端对称荷载对结构的影响比单侧荷载要小的多，所以，施工中出现两侧不平衡荷载时，可以考虑在轻的一侧增加重量，只要保持平衡，影响不会太大。

桥面临时荷载的影响类似于混凝土超方，既存在对称荷载，也存在单侧荷载。桥面临时荷载可分为两类，第一类相对固定，如卷扬机、压浆机、吊梁机、施工简易房等；第二类比较随机，如桥面上堆放的钢筋、型钢、锚具等。

由于桥面荷载随机性较大，只能通过实地观察，估计桥面荷载的重量以及位置，在计算数据中考虑。如果能准确估计第一类荷载的重量，并且随时记录第二类荷载堆放的时间和重量，是能够在计算中消除此类误差的。由于临时荷载是随机的，如果把每一种荷载影响作为荷载工况输入跟踪计算，并不方便。一般情况下，可先进行试算，将各种荷载影响的结果算出，作为修正值现场修正会比较方便。

当结构处于悬臂状态时，桥面临时荷载的影响效果同浇筑混凝土的超方现象。由于它是随机的，所以较难掌握。在施工过程中，加强施工管理，除了必须的施工设备外，对于无用的设备及时清理，并且尽可能保持桥面荷载的平衡性。在计算中要考虑临时荷载的影响，特别是在挂篮定位时要将不平衡的临时荷载影响排除。

浇筑混凝土过程中，挂篮会发生变形，这包括纵向变形和横向变形，也包括弹性变形和非弹性变形。

挂篮非弹性变形对施工控制质量有较大影响，特别是后支点挂篮，由于无拉索帮助，挂篮受力较大。前支点挂篮由于拉索帮助，其纵梁的受力得到很大改善，但是，对于宽桥，前支点挂篮优点不明显，其主要受力在横向，所以前支点挂篮的横向受力更为重要。

温度影响是施工控制中较难掌握的因素，这主要是因为温度始终变化无常，而且在同一时刻，结构各部分也存在温差。所以，在结构计算中一般不把温度影响作为单独工况，而是将温度影响单独列出，作为修正。温度测量也比较困难，一般情况下，只能测气温，而气温和结构温度是有很大差别的。

温度影响产生桥梁挠度变化有两种情况：均匀温差、箱梁内外侧的相对温差。

温度变化虽然随时存在，但其对施工控制的危害主要表现在挂篮定位时，选择夜间或者早晨进行挂篮定位比较合适。温度影响变化无常，每座桥都有各自特点，所以施工控制前必须加强观测，及时掌握规律，尽可能排除温度影响。如果能掌握温度引起挠度的变化规律，可以将挂篮定位安排在任意的时间进行，对于加快施工进度是有好处的。

预应力束张拉误差一方面由张拉千斤顶的油压表读数误差引起，另一方面由各种预应力损失引起。预应力损失包括：①管道摩阻力，②锚具损失，③温度损失，④钢丝松弛，⑤徐变损失。

悬浇阶段的预应力束是连续梁桥承受负弯矩的主要构件，如果预应力不足，会引起主梁混凝土开裂，严重的会引起结构的破坏。消除预应力误差的方法，一方面加强张拉力的控制，严格标定千斤顶和油表，消除张拉误差；另一方面疏通管道，减少管道摩阻力。

施工控制是个连续的过程，任何后期荷载的影响或者施工方案的改变都会影响桥梁的线形和内力，所以，当施工方案确定后，一般情况下，施工程序不再改变，如果要改变施工方案，则施工控制程序也将作相应调整。

施工方案的改变对施工控制影响比较大，它不但影响主梁的线型，同时对结构内力也有影响。施工方案的改变主要是管理上的问题，必须加强施工上的管理，对施工中出现的问题要有预见性，施工控制小组也要对此提出方案，避免出现措手不及的情况。施工方案临时改变的情况必须尽量避免。

确定适用的施工误差容许度指标和应力预警系统

要确定误差峰值的大小和确定是否进行误差调整，必须确定一套符合施工实际情况的误差容许度指标体系。过严的误差容许度会为施工带来困难，延误施工进度，过松的误差容许度会为施工留下一定的隐患。误差容许度的确定还必须满足设计对施工质量的要求。针对宁车沽永定新河特大桥工程跨径的具体情况，初步确定施工中轴线偏差的误差容许值为±10mm，在施工阶段，控制截面的混凝土的拉应力不超过2.5MPa，最大压应力不超过19.6MPa。具体指标在与设计协商后，根据施工情况进行调整。

对于主梁的应力指标而言，由于采用的测试设备，根据国内目前的使用情况来看其应力测试的准确度尚不能令人十分满意。并且设计计算和施工监控、监测计算一般只能给出线性平面应力的大小，而施工中存在箱梁的剪力滞后效应及角域应力的特殊性，因此应力的测试结果通常不用于直接的误差分析，而是利用应力测试的增量结果作为施工的应力预警参数。监控单位对于测试中出现的应力异常变化及时作出预警报告。

施工监控的工作及对施工工艺的要求

主梁悬臂施工是施工监控过程中工作量最大，也是时间最长的阶段，在这个过程中，施工监控单位必须有专人常驻现场，实时监控并指导施工。在这个过程中，必须做到以下几点：

①提供挂篮、模板、施工机具的重量及形心位置；

②挂篮使用前须进行压载试验，提供弹性及非弹性变形；

③挂篮移动到位、浇筑混凝土和张拉预应力束工况均须进行监控测试；

④每阶段挂篮定位数据由监控单位提供；

⑤挂篮定位须在早晚进行，以消除日照影响；

⑥主梁应力测试断面设在每个挂篮施工段的根部。

主梁合龙施工是施工监控过程中的关键阶段，在这个阶段必须做到以下几点：

①施工单位尽早提供合龙方案，包括合龙时的挂篮重量；

②监控单位提供合龙混凝土配重重量；

③根据合龙温度调整合龙施加的水平推力；

④在劲性骨架中埋设应变测点；

⑤浇筑合龙混凝土观测应变和标高的变化；

⑥合龙段混凝土的养护；

⑦主桥合龙后测量全桥梁顶标高以确定是否调整桥面的铺装标高。

施工监控必须围绕施工进行，根据图纸，本监控组进行了跟踪计算，并提供了相关计算数据。施工计算工况和监控说明见表一。

表一监控和监测参数一揽表

实际材料的物理力学性能参数

3施工荷载(大小、位置等)

4临时荷载(大小、位置等)

截面几何尺寸与设计有变化

各测控断面坐标及高程值(根据施工控制测量要求进行)

施工监控是个循环过程，必须根据测量、分析结果反复计算，这就牵涉到计算参数的不断修正，使计算模型更接近实际结构。在计算初期，我们一般采用设计参数或经验参数。

主梁混凝土：C50混凝土，容重26kN/m3，弹性模量3.55×104MPa；

桥面混凝土：C40混凝土，铺装r=24kN/m3。

2)挂篮计算参数取值及修正

挂篮是施工过程中的临时结构，由于是后支点挂篮，对于整个桥梁结构的受力来说，相当于简支结构，所以挂篮的受力变形将单独考虑。

挂篮变形主要包括挂篮的弹性变形和非弹性变形，其中非弹性变形相对难以控制，主要原因是挂篮制作误差和连接处变形所产生的。从结构安全和施工监控的角度考虑，挂篮使用前必须进行加载试验，在挂篮上作用相当于混凝土重量的荷载，以检验挂篮的受力性能和变形性能，同时也消除了一部分的挂篮非弹性变形。最初的挂篮变形值由试验确定，以后将根据实际施工情况进行修正。

3)临时荷载和温度影响及修正

临时荷载和温度影响都是变化的，一般在跟踪计算中不将其考虑。而将其影响值放在临时修正中，如在挂篮定位时考虑。这就将非常复杂的临时荷载和温度影响简化，仅考虑某一情况下的数值，忽略其变化规律。

利用施工监控、监测实时计算调整控制目标值

在进行参数调整拟合后，利用实际的施工时间参数和实际的施工荷载参数进行施工监控、监测实时计算，产生施工控制实际目标真值，用于下一阶段的主梁标高确定和误差分析。

施工监控、监测在实施时第一步的工作是要形成控制的目标文件。施工监控、监测的预测计算将采用设计计算参数对施工过程进行分析，计算出控制目标的理论真值。理论真值由主梁理论挠度、主梁理论轴线、和主梁截面理论应力等系列数据组成。在这一计算过程中将与设计计算进行相互校核，以确保控制的目标不与设计要求失真。

桥梁施工监控、监测的目的就是使施工与设计尽可能一致。在桥梁的设计计算中通常会采用一些假定的参数用于计算，比如：材料的弹性模量、容重、施工时间等。另外，在设计计算中还有大量的指定的计算参数，比如：施工顺序等。在桥梁的施工控制计算中通常会采用尽可能真实的参数用于计算，以反映出设计与施工的差异。设计计算和施工控制计算的区别和联系，以及施工监控、监测的基本流程和控制目标如图3所示。

由于桥梁的设计和施工中存在着这两种既不相同又相互联系的计算过程，并且在实际工作中这两类计算可能采用不同的计算模型，由不同的单位来完成，因此，为达到使施工监控、监测指导的施工能与设计结果相一致，首先要校核设计计算与施工监控、监测计算的闭合性。其校核过程如图4所示。

这一校核过程主要是在施工控制计算初期，根据设计图提供的资料，建立施工控制计算模型(a)，采用设计计算的主要参数(B)和设计计算中假定的施工时间(C2)进行计算，利用此过程下的施工控制计算结果与设计计算结果相核对，以校核二者是否在计算模型(a(A)及施工方法模拟(c1(C1)间存在实质性差异。只有在两者计算结论基本一致的前提下，施工监控、监测的开展才有实际意义。否则，需要与设计人员一起仔细核对两种计算过程，找出并解决存在的问题。

施工监测的方法及具体内容

桥梁的悬臂施工中，施工挠度计算与控制以及科学合理确定悬臂每一待浇梁段或悬拼段的预拱度是至关重要。只有预拱度设置合理，才能保证一个跨径内将要合龙的两个悬臂端可能在同一水平线上，也才能使桥梁上部结构经历施工和运营状态，反复发生向上或向下的挠度后，在结构运营一定时间后达到设计所期望的标高线形。

悬臂施工中挠度计算与控制

施工过程中的挠度计算不仅与力学计算模式的选取有关，而且更重要的是与许多影响挠度的因素相关，这些主要因素包括：

①、施工阶段的一期恒载，即梁自身静载和预加应力；

③、悬浇的挂篮和模板机具设备重；

④、悬拼的吊梁机具设备重；

⑤、人群荷载、大自然的温度变化、湿度变化、风荷载；

⑥、桥墩变位、基础沉降、施工误差等。

这些主要影响因素中，还有许多模糊不定及随机变化因素的情况XX市城北水厂供水管网配套工程供水管网施工组织设计，如混凝土材料自身的弹塑性性能、收缩与徐变变形的性能；各节段施工工期的不定性使混凝土加载龄期的变化与不规律性；预应力钢束的应力损失的随机性；日照温度使结构内外温度变化的不均衡等，再加上施工荷载及预应力筋张拉锚固的增多而随机变化，致使精确计算挠度变形比较困难。为了用理论指导施工的进行，必须按既定施工程序对挠度按弹性和徐变挠度两部分进行计算和控制。

桥梁悬臂施工时结构的总挠度计算包括短期弹性挠度和已发生的徐变挠度变形，计算公式为：

——扣除预应力损失后的预加力产生的挠度；

——梁段自身静载(即一期恒载)产生的下挠度；

——悬臂施工时的临时施工荷载产生的下挠度；

GB／T 36268-2018 夹层玻璃单位产品能耗测试方法
——混凝土随龄期增大的徐变系数。

对于桥梁长期荷载作用下的总挠度计算，还必须考虑二期恒载和活载的作用所产生的挠度，计算公式为：