预应力砼连续箱梁桥施工过程线形监控研究

刘首峰

(义乌市精诚交通工程检测有限公司， 浙江 义乌 320000)

桥梁线形监控一直是研究重点和热点，如汪顺平等利用有限元软件MIDAS/Civi 2012对悬臂挂篮施工方法和大节段支架现浇施工方法下大跨度变截面连续箱梁的受力特征进行对比分析，得出大节段支架现浇施工过程中桥梁墩顶负弯矩较小，且能缩短工期；李国平将大跨径连续梁桥施工期结构变形和成桥线形为控制对象，根据悬臂施工特点控制约束条件、目标函数、状态与变量及实施方法等，取得了较好的效果；冼尚钧对钢箱连续梁桥线形进行控制分析，得到了制造及架设过程中线形变化规律及调整措施。该文针对某预应力砼连续箱梁桥，运用改进BP神经网络模拟分析施工中线形变化规律。

1 工程概况

某跨江大桥全长196 m，为跨径(50+80+50) m预应力连续刚构桥。桥梁上部结构采用单箱单室截面，顶板厚度为28 cm，宽度为1 850 cm，横坡为1.5%；底板宽度为1 050 cm，底板上沿顺桥向呈二次抛物线变化，截面高度变化范围为230～500 cm，边墩支座及跨中截面梁高230 cm，中墩支座梁高500 cm。箱梁顶面沿中心设置人字形横坡，坡度为1.5%。主梁采用三向预应力体系设置，主梁砼强度等级为C50，按全预应力构件设置。主梁采用挂篮悬臂对称施工，首先搭设现浇支架浇筑0#块，然后安装挂篮悬臂施工浇筑1#～11#块标准段，边跨现浇段采用满堂支架浇筑，合龙段先边跨后中跨合龙，最终进行结构体系转换，施工完成主梁结构。主桥结构施工控制流程见图1。

2 主梁模型建立及立模标高确定

为保障主梁准确合龙，降低铺装难度，使成桥线形满足要求，施工过程中采用有限元软件MIDAS/Civil 2010对桥梁结构进行全过程模拟计算。采用梁单元建立全桥模型，共分为67个节点、72个单元(见图2)。

图1 主梁节段施工流程

图2 全桥计算模型

桥梁的线形监控主要通过调整立模标高来实现。首先确定悬臂浇筑各阶段的立模标高，箱梁各节段实际立模标高按下式计算：

Hi立模=Hi设计+Hi理论预拱度+Hi预拱度调整+

Hi挂篮变形

(1)

式中：Hi立模为第i节点的实际立模标准高度；Hi设计为第i节点的设计高程；Hi理论预拱度为第i节点的理论预拱度；Hi预拱度调整为参数误差产生的理论预拱度的改变值；Hi挂篮变形为挂篮弹性压缩变形，由挂篮加载施压后计算得到。

该桥设计中将箱梁底面下沿高程与箱梁上顶面中心高程一起纳入理论预拱度中，施工过程中立模标高公式修正为：

Hi立模标高=Hi箱梁顶面中心高程-Hi设计预拱度+

Hi实际预拱度+Hi挂篮变形

(2)

根据不同箱形截面设计高度，依据箱梁顶面中心高程可直接计算箱梁地面中心高程，对挂篮进行加载施压后，通过观察挂篮的受力与变形状况，分析由挂篮弹性压缩导致的变形。只要对实际预拱度值进行设定，即可得到每道工序段的实际立模标准高度。实际施工中，因存在很多不能预知的因素，桥梁结构的实际线形不易达到理想状态，当施工现场实测挠度与理论挠度存在差异时，应对设计参数进行调整，使其与实际施工状态的理论挠度相符，通过施工前的预测与施工后的调整使桥梁线形满足要求。该桥施工监控过程主要包括平面线形监控与箱梁高程线形监控，其中平面线形较易控制，故重点对箱梁高程线形进行监控，使其与目标线形相符。

3 线形状态预测分析

3.1 线形测点分布

在每个施工节段布置3个对称的高程测点，采用水准仪对各截面标准高度进行测量，对各测点的箱梁曲线与挠度变化过程进行实时观测，并与预测值进行比较，为结构状态修正提供依据，确保箱梁悬臂端合龙精度与桥面线形满足要求(见图3)。

图3 线形测点的横断面分布(单位：cm)

3.2 线形预测

该桥施工过程中只针对重要设计参数砼容重进行误差修正。2#墩大道施工段与小巷侧施工段的砼节段自重不同，重点对8#施工段预应力钢筋张拉后的状况进行论述。标高取以0#块中心为基准点的相对高程。采用BP神经网络对线形进行预测，输入、输出参数见表1。

对2#墩大道8#块预应力筋张拉后线形状态进行预测。表1中实际标高与理论标高为2#墩大道8#块张拉后各施工段的截面标准高度，以表1中实测标高与理论标高分别作为输入、输出参数，通过整理，得式(3)、式(4)。

表1 BP神经网络输入、输出参数

(3)

t=[0.139 0.173 0.278 0.227 0.254

0.276 0.282 0.310]

(4)

利用式(5)对表1中数据进行归一化处理，结果见表2。

(5)

式中：x′为该组元素归一化后输入(输出)值：a、b为常量，其值依据现实状况确定，该桥取a=0.2、b=0.6；x为该组元素归一化前输入(输出)值；xmax为同一类输入(输出)值中最高值；xmin为同一类输入(输出)值中最低值。

表2 归一化后的输入、输出参数

将表2中数据转变成下列矩阵：

得到仿真预测数据为：

A=[0.181 0.373 0.431 0.435 0.650

0.727 0.682 0.784]

再将该矩阵反归一化，得：

A=[0.091 0.235 0.191 0.231 0.234

0.289 0.307 0.286]

3.3 线形预测结论

运用BP神经网络对该桥线形进行预测，并与实测值对比，结果见表3～5。

根据表3～5，该桥合龙精度为：1#墩大道边跨10.89 mm，中跨18 mm，小港侧边跨16.29 mm，边跨、中跨合龙精度均未超过20 mm，满足控制要求。各截面高程值见表6～9。

表3 1#墩标高预测值与理论计算值、实测值的比较

表4 2#墩标高预测值与理论计算值、实测值的比较

表5 1#墩大道标高预测值与理论计算值、实测值的比较

表6 1#墩大道高程值

表7 1#墩小港侧高程值

由表6～9可知：经过施工线形监控，各墩梁合龙后实测标高与设计标高差异不大，理论计算值与实际变形值的误差较小，只有极少数测点实测高程与设计高程出现较大偏差。主要原因是标高测点在施工中被压弯与破坏或测量中存在一些不可避免的因素，如大风等使主梁产生振动、仪器不准等。

表8 2#墩大道高程值

表9 2#墩小港侧高程值

4 结论

(1) 该桥变形值小于20 mm，满足控制要求。

(2) 合龙精度符合设计要求。

(3) 桥梁合龙后，左右对称性较好。

(4) 主桥线形平顺、流畅，与预期目标一致。