摘 要

近年来，我国工程施工技术和交通领域正在蓬勃发展，其中预应力混凝土连续梁桥在交通网络构造中运用非常普遍。预应力混凝土连续梁桥具有跨径长度大、使用耐久性好、承载力强、造型美观、建造总成本合理等优点。在实际工程施工中，因为许多复杂因素导致桥梁结构各阶段的内力和挠度等与设计要求偏差较大，所以为了保障桥梁结构在施工过程中具有富余的安全性和稳定性以及成桥线形和应力达到单位设计标准，对整个桥梁施工过程进行施工监测监控非常重要。

本文基于预应力混凝土连续梁桥施工监控的原理、方法和内容，以府河特大桥跨堤桥为工程背景，对预应力混凝土连续箱梁桥的施工控制进行了结构计算研究。利用有限元软件Midas/civil得到桥梁每个施工阶段控制截面的桥面线形和应力值。结合府河特大桥跨堤桥的实际特征、施工环境等提出科学合理的控制方案，制定全面的施工控制系统，最后对跨堤桥的施工进行线形和应力监测。

通过实际监测数据和建模计算值对比，发现两者吻合较好，跨堤桥的各施工阶段控制截面的线形和应力符合预期设计，满足设计要求。同时说明有限元软件在工程施工应用中的有效性和准确性，本文对桥梁施工控制的研究也对其他该类型桥的施工控制有着有效的参考作用。

关键词：连续梁桥；施工控制；线形；应力；

Abstract

In recent years, with the rapid development of China's engineering technology and transportation industry, prestressed concrete continuous beam Bridges are widely used in transportation construction. The prestressed concrete continuous beam bridge has the advantages of long span, good durability, strong bearing capacity, beautiful shape and reasonable total construction cost. In actual engineering construction, because of many complex factors in different stages of the bridge structure internal force and deflection with the design requirements of deviation is bigger, so in order to ensure the bridge structure with security and stability in the process of construction, bridge alignment and stress meet the design requirements, for the construction monitoring of bridge construction whole process monitoring is very important.

Based on the principle, method and content of construction monitoring of continuous girder bridge, the construction monitoring of prestressed concrete continuous box girder bridge is calculated and analyzed on the basis of the overpass bridge of FuHe bridge. Finite element software Midas/civil was used for numerical simulation to obtain the line shape and stress value of the control section of the bridge in each construction stage. Based on the actual characteristics of the bridge and the construction environment of FuHe bridge, a scientific and reasonable control scheme is proposed, and a comprehensive construction control system is developed to monitor the alignment and stress of the bridge.

Through the comparison between the actual monitoring data and the modeling calculation value, it is found that the two are in good agreement. The line shape and stress of the control section of the dike bridge in each construction stage conform to the expected design and meet the design requirements. At the same time, the validity and accuracy of the finite element software in engineering construction are illustrated. The research on the bridge construction control in this paper also has an effective reference to the construction control of other Bridges of this type.

Keywords: Continuous beam bridge; Construction control; The linear; Stress

目 录

第一章 绪论 1

1.1 预应力混凝土连续梁桥的建设与发展现状 1

1.1.1 预应力连续梁桥概述 1

1.1.2 预应力混凝土连续梁桥的特点 1

1.2 桥梁施工控制和监测发展概况 2

1.2.1 桥梁施工国内安全监测技术现状 2

1.2.2 国外施工监测基本概况 3

1.3 本文研究的主要内容及方法 3

第二章 施工控制的主要目的、原理和方法 5

2.1 施工控制的目的和意义 5

2.2施工控制的原理 5

2.3 施工控制方法 6

2.4 本章小结 6

第三章 府河特大桥跨堤桥结构模拟计算 8

3.1 府河特大桥跨堤桥工程简介 8

3.1.1 桥型及主要参数 8

3.1.2 主梁 9

3.1.3 桥面系、设计荷载、材料参数 10

3.2 府河特大桥跨堤桥结构计算 11

3.2.1 设计标准与施工阶段划分 11

3.2.2 府河大桥计算模型 13

3.2.3 计算荷载取值 15

3.3 Midas仿真分析结果 15

3.3.1 预拱度 15

3.3.2 各种施工状态下关键点的应力 16

3.4 本章小结 18

第四章 施工监控与结果分析 19

4.1 施工监控步骤 19

4.2 测量内容 20

4.2.1 施工控制监测主要内容 20

4.2.2 线形测量主要内容 20

4.3 测量结果与分析 21

4.3.1 箱梁根部应力测量结果 21

4.3.2 应力测试误差分析 27

4.3.3 桥面线形分析 28

4.4 本章小结 38

第五章 结论与展望 39

5.1 本文研究的主要成果与结论 39

5.2 需要进一步研究的问题 39

致谢 41

参考文献 42

第一章 绪论

1.1 预应力混凝土连续梁桥的建设与发展现状

1.1.1 预应力连续梁桥概述

随着时代的飞快发展，大批的公路与桥梁急需建造，而其中大跨度桥梁的建造则是公路交通建设中的重点工程，其建设过程任务非常艰巨且重要。因此，对大跨度桥梁的安全性与可靠性进行检测已经是重中之重。为了确保桥梁完成建造后具有牢靠的行车舒适性、安全稳定性、运营耐久性，分析大跨度桥梁在施工项目中的结构性能变化，是桥梁工程的重中之重。

预应力混凝土桥梁施工技术在1820年开始应用，德国在20世纪30年代建成了人类史上第一座预应力混凝土桥，紧随其后日本、法国、美国等也取得重大突破。到1950年，世界上已经修建了许多座预应力混凝土桥梁，但是跨径都未超过100米。直至1951年，世界上第一座运用悬臂法浇注施工的混凝土连续梁桥在欧洲建成。从此，悬臂施工法在桥梁施工技术中大幅应用^[1][2]。

我国在二十世纪六十年代首次利用悬臂施工法建成了连续预应力混凝土梁桥——盐步桥。而后广州洛溪大桥的建成，表明了我国在大跨径混凝土梁桥上的重大进展。1997年建成的广东虎门大桥跨径270米成为了该类型桥梁的世界之最，其上部结构的轻型化设计标志着我国在连续混凝土梁桥的施工技术中有了进一步的发展。

1.1.2 预应力混凝土连续梁桥的特点

在特大跨径桥梁结构形式中，斜拉桥与悬索桥因其独特的跨越能力占据绝对优势^[3]。然而在小跨径桥梁中，连续预应力混凝土梁桥以造价成本低的优点被大幅使用。连续预应力混凝土梁桥是指上部构造之间连续，上部构造与下部构造由支座间接传递荷载的一种桥梁结构。当其桥面受到各种竖向荷载时，主梁端部将会有负弯矩诞生来抵消跨中正弯矩，从而可以缩小跨中截面尺寸。连续混凝土梁桥具有经济合理、耐久性好、承载能力强、造型优美等特点^[4]。在桥梁造型方面，它具有线形流畅，简洁明快的独特优点；在受力特性方面，它的主梁刚度较大且整体性好；在抵抗外力方面，它的抗风和抗震性能也较好；当桥墩较高时，它的受力性能更加突出，也更能满足通航要求。所以在小跨度桥梁结构中，连续混凝土梁桥更具竞争力。预应力混凝土连续梁桥理想的桥面线形和正常的结构受力状态不仅与设计参数相关，还一定程度依赖于施工方法的科学性和合理性^[5][6]。

1.2 桥梁施工控制和监测发展概况

1.2.1 桥梁施工国内安全监测技术现状

在武汉长江大桥的施工过程中首次进行了应力、线形、立模标高监控，这标志着我国首次将实际工程施工与控制理论结合^[7]。随后我国的施工控制技术发展非常快速，尤其在1980年后，随着计算机在桥梁建造工程中的普遍运用，大量结构工程师逐渐重视利用计算机来帮助桥梁工程施工并对其进行监控监测。20世纪80年代初完成的上海柳港大桥初次运用现代施工控制理论，对主梁挠度和应力的施工监控非常有效果。此大桥的成功施工控制，引起了结构工程师们对现代控制理论的极大重视。

我国在桥梁施工监测技术上取得了重大突破的标志是近几年我国多座大跨径悬索桥的建造成功。1982年桥梁工作者邓聚龙先生首次提出灰色预测控制法^[8]，该方法还被成为灰色预测模型。其实这种方法本质是数据随机处理，不论是随机数据还是确定性数据。GM模型现将初始数据当做一组离散型随机数列，将其转化为数学问题来解决，最后为了提高结果精确性，在利用微分方程对随机数列进行处理。20世纪60年代，卡尔曼滤坡法开始广泛用于工业行业 ^[9]，它的本质是一种动态数据处理方法。而后卡尔曼滤坡法逐渐在桥梁变形控制中使用。

1.2.2 国外施工监测基本概况

20世纪50年代人们慢慢认识到桥梁施工监测工作的必要，最早的施工控制是对桥梁索力和立模标高的控制。最早运用桥梁施工监测技术的是欧美国家，但该技术已经发育成熟的是日本，他们初次在桥梁施工控制中运用科学理论基础。1980年，日本在建造日野预应力混凝土连续梁桥时，就对桥梁各控制面的应力、桥梁挠度、桥面线形进行了系统分析，在利用计算机对实测数据进行处理，最后在反馈给施工现场进行控制监测，这就是国外传统的监测步骤。20世纪80年代后期，日本在建造 Chichby 斜拉桥和Yokohama海湾斜拉桥时，成功运用计算机为基础组成的索力调控系统，此系统的三个重要部分为：自动收集数据、施工精度控制、应力计算分析 ^[10]。几年后，日本研究出一种以施工现场计算分析为基础的斜拉桥施工监测双控系统。此系统的最大的优势是能够在施工当场完成测试和计算，并随即反馈给施工控制小组数据资料，同时还能够对施工各状态进行结构安全监测。1980年后，由于计算机系统进入到各种施工项目中，桥梁施工控制手段开始丰富起来。施工工作者可以迅速查看计算机的分析结果，这不仅减少了施工工期，还增加了桥梁施工的稳定性。

随着计算机在二十一世纪的高速发展和广泛应用，许多发达国家在施工控制技术方面又有了重大进展。他们在对桥梁施工监测分析的同时在桥梁中安插应力监测点，为桥梁后期的营运阶段提供有效数据，一旦发生问题便可以立即发现。虽然国外在桥梁的施工控制技术方面已经逐渐发展完善，但他们仍然钻研着，因为能够影响桥梁施工的因素存在大量不确定性。

1.3 本文研究的主要内容及方法

本文以府河特大桥跨堤桥的施工监测监控为工程背景，结合悬臂法施工桥梁的相关资料和实际工程状况，运用现代工程控制理论对悬臂法施工的连续梁桥在施工过程中的应力控制、结构行为和成桥线型等问题进行探讨。在提出合理的施工控制方案后，对温度、应力、变形等重要结构参数进行监测。首先，先描述了预应力混凝土连续梁桥的发展状况以及连续梁桥的结构特点；其次，论述了现代国内外桥梁施工监控的基本概况并分析了影响施工控制的主要参数；最后，结合府河特大桥跨堤桥的工程实例利用Midas等有限元分析软件进行分析，模拟各个施工工况下结构的行为及参数变化，得出科学合理的预拱度值，保证最后的桥面线形与设计标准一致。

第二章 施工控制的主要目的、原理和方法

2.1 施工控制的目的和意义

桥梁工程不但建造工期长、需求资金规模大，而且项目施工环境危险性高，是一种极其复杂、需要多方配合的工程。桥梁工作者每分每秒都存在着极高的危险性。在历史上有许多桥梁因为结构强度不足或者施工监控力度不够而坍塌，引起了国家交通部门的重视。所以，在桥梁工程施工中，进行施工监测监控是不可或缺的过程。

为了保证桥梁施工的安全性，对桥梁建造运用施工控制理论能够最大化地避免桥梁因为强度不足或者受力不当而倒塌。由于现场施工的动态荷载、周围环境条件等不确定因素，导致截面应力值也不断改变，而且结构的实际内力和变位值也与设计存在差异。在桥梁施工过程中依据结构的实际变化值，对结构内力和应变控制，防止施工过程中不断出现误差值，才能确保桥梁成桥线形与设计值一致以及施工安全。

当今是一个快速发展的时代，交通行业也是一样，随着桥梁跨径的逐渐增加，对桥梁进行施工控制已成为必须进行的施工过程。大跨径桥梁的施工工序十分繁杂，若不对各种影响结构内力和变形的参数加以控制调整，则会导致成桥后主梁的各控制截面应力和成桥线形都不符合设计标准。同时预应力混凝土连续梁桥的内力与挠度都受到各项次内力（温度变化、预应力筋松弛、混凝土收缩与徐变）的直接影响。为了确保桥梁结构在施工期间不会产生安全性问题，必须在桥梁结构施工时对其进行施工监控。

2.2施工控制的原理

桥梁结构的施工控制主要目标是针对结构内力状态和成桥线形 ^[11]。首先应根据设计参数值通过模拟仿真分析得出理论值，再将理论值反馈到各个施工工况。如果两者相差较大，则需要改变施工条件来控制两者达到基本要求。在施工过程影响桥梁结构应力状态和成桥线形的参数实在太复杂，所以在施工控制应优先考虑影响较大的因素。例如：各控制截面的应力变化、施工环境的温度、混凝土的收缩徐变等。

在对桥梁的位置参数（挠度控制和主梁的立模标高）进行控制时，必须时刻注意与设计值的偏差大小，如若偏差较大，应当对相应的影响参数进行调控^[12]。同时，应当利用相应的行业规范设计进行参考，一般情况下，两悬臂梁段在合拢时立模标高值不应当大于规定值2cm，如若超过规定值，应当取消合拢并避免对全桥的结构内力和桥面线形造成影响。

2.3 施工控制方法

初期传统的施工控制方法主要是利用数学中的概率统计法、线性回归方程等，这种数据处理方法往往是不准确的。随着时代的快速发展，计算机的出现带给桥梁施工领域又一新的起点。研究者们利用计算机进行数据处理后发现了灰色理论控制法、卡尔曼滤坡法以及人工智能网络等许多效果较为显著的数据处理方法。为了消除结构刚度、梁身自重、施工荷载以及施工环境温度等参数的影响，保证桥梁最终安全完工，必须对位移、应力和线形实测值与理论值进行对比，在对这些参数进行影响程度分析，最后识别出设计参数偏差值^[13]。

对于施工控制中的某些参数预测，可以从上文已施工梁段得出的参数方面进行参考，然后采用科学合理的预测理论方法预测后期梁段的参数值。如果上文得出的参数值与设计值偏差较大，需要对初始设计值进行修改。如果是正常参数偏差，可以通过数据处理优化方法调控。

在参数优化方面，利用从施工过程中测量所得的实测应力值和线形值，提出后期梁段的相关参数优化方案，将参数误差量产生的线形和结构内力变动减小到最小。使成桥线形最大可能的接近初始设计标准值。

对于桥面线形方面，改变立模标高和施工坐标是最合理最有效地方法 ^[14]。

2.4 本章小结

本章节主要介绍了对桥梁工程项目进行施工控制和监测的目的，以及在施工控制中常用的控制方法和遵照的基本原则。对于不同的桥梁结构，应采用最适合最科学合理的施工控制技术。施工控制的原则应当时刻注意，对于施工过程中一旦发现偏差，应当立即采取相应措施。

第三章 府河特大桥跨堤桥结构模拟计算

为了确保桥梁结构在施工时出现安全性问题，在项目施工前应先对结构进行数值模拟仿真计算来保证桥梁结构在施工过程中每个阶段的受力和变形都安全合理，得出理论计算值来对后期施工进行控制，尽最大可能保证成桥线形和结构受力行为达到设计标准^{[15] [16]}。

3.1 府河特大桥跨堤桥工程简介

府河特大桥跨堤桥为武汉市四环线武湖至吴家山段，跨越府河的一座特大桥；府河特大桥跨堤桥位于府河的武湖和吴家两侧，跨堤桥东桥位中心桩号为K58 013，起点桩号为K57 407，止点桩号为K74 548，跨堤桥西桥位中心桩号为K58 013，起点桩号为K58 328，止点桩号为K58 469，引桥长分别为141米，桥宽为38.136米，分别有三跨，采用悬臂法浇筑。

3.1.1 桥型及主要参数

主桥采用移动式挂蓝法逐个节段悬浇施工，边跨现浇段需要在搭立支架后在进行浇筑。桥台使用肋板式桥台；基础使用钻孔灌注桩基础；其中主梁采用C50混凝土，桥墩盖梁、墩柱均采用C40混凝土，桥面铺装采用C40防水混凝土，桥墩承台、墩间系梁、桩顶系梁采用C30混凝土，桩基采用C30水下混凝土。桥墩采用实体墩，承台接钻孔灌注基础；主桥上部结构为 38 65 38m 三跨预应力混凝土连续箱梁，箱梁采用单箱双室截面。如图3.1.1所示。

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