大跨度桥梁工程施工质量控制与风险研究.docx

大跨度桥梁工程施工质量控制与风险研究摘要大跨度桥梁桥半个世纪来在世界范围内大量建造，已成为世界桥梁的发展趋势。大跨度桥梁一般采用分段施工的方法，在施工过程中主梁的结构、内力、荷载都在不断发生变化。各阶段产生的误差涉及因素繁杂，需要对各阶段的施工参数不断监测、校验、修正。施工质量控制技术在连续梁桥的建设过程中是不可或缺的一部分，对其研究比较重要。本文对大跨度桥桥在国内外的发展情况进行了比较，并且通过对施工控制技术的发展情况的陈述，阐述了连续梁桥建设和施工控制的不足。然后介绍了施工控制理论与方法，尤其是采用自适应控制方法，结合相应的施工手段和检测方法，对主梁线形、内力等关键指标实施控制。随着桥梁的发展和跨径的不断增大,各种不确定性对结构的影响也越来越大。但是,现有研究大多是针对结构中的确定性问题,对于影响结构安全的各种不确定性问题研究较少。而事实上,和其它结构物一样,大跨度桥梁结构中存在着大量的不确定性。大跨度桥梁施工风险有必要进行分析。本文的工程背景是天池特大桥。以大型通用软件Midas civil为基础，建立了全桥有限元模型。通过仿真计算分析，得到主梁各节段在每一步施工步骤中的预拱度和应力值，作为施工过程中对立模标髙的调整依据和应力监测的预判依据。通过实测数据同有限元计算结果的对比分析，可以有效地证明有限元模型的准确性和在施工过程中的指导性。桥梁在建设期间直至成桥状态的内力都在安全范围之内，主梁实际高程均高于设计高程，符合建设要求和目标。并对天池特大桥施工中存在的各种风险进行识别，通过现场实测调研及监测数据，提出了5 项主要的风险因素，根据风险发生概率和风险损失，确定了本桥施工过程中的风险等级，为高度风险，并通过采取有效控制措施和制定的应急预案，完成达到将项目建设风险降低到最低程度，保证安全实施的目标本文所得结论可为今后同类桥梁的建设提供有意义的借鉴。1绪论1.1引言目前采用的大跨桥梁施工技术一般为分段施工法。分段施工中桥梁结构的最终形成必然要经过许多的施工阶段,尽管每个阶段都严格控制施工时的结构几何尺寸、容重、收缩、徐变、弹性模量、预加力和索力等可以人为控制的因素,但是不可避免地会出现实际结构状态与理想结构状态的偏差。这种偏差可能来自于施工本身的误差,也可能是环境误差的干扰,还可能是测量系统的误差。随着桥梁结构跨径和结构复杂性的增大,这种误差已经到了影响结构的几何线形、改变结构内力状态、甚至威胁结构施工的安全。如何消除或修正这些误差,确保施工过程中的结构稳定安全,力求最终成桥受力状态基本符合理想状态要求,已经成为目前桥梁结构分段施工中的关键问题。桥梁结构的施工质量控制是现代控制理论与桥梁工程结合的必然产物,随着桥梁跨径的不断增大,以及新材料、新工艺、新的施工方法在桥梁工程中的应用,桥梁结构施工控制所涉及的范围越来越广。桥梁施工质量控制是指在各施工阶段通过测量关键参数识别结构的状态参数,预测估计实际结构状态,最优控制成桥状态。确保施工质量是工程的关键,施工质量控制的目的在于保证施工过程中桥梁结构截面应力分布、挠度变化都能处于安全合理的范围之内,特别是确保大桥顺利合拢,使合拢段两悬臂端实际标高与设计相应标高目标的偏差不大于监控允许值,合拢后桥面线形良好,结构受力合理。同时，随着桥梁的发展和跨径的不断增大,各种不确定性对结构的影响也越来越大。但是,现有研究大多是针对结构中的确定性问题,对于影响结构安全的各种不确定性问题研究较少。而事实上,和其它结构物一样,大跨度桥梁结构中存在着大量的不确定性。由于大跨度桥梁结构体系复杂,施工难度大,尤其是大跨度混凝土桥梁,多采用悬臂浇注的施工方法,施工工序多,施工工艺复杂,施工周期又短,这些不利因素进一步增加了大跨度桥梁在施工过程中的不确定性。天池特大桥一座桥型布置为5×20228.83×20m的大跨度上承式拱桥，本文将以该桥为工程背景，研究桥梁结构的施工质量控制问题和风险问题。1.2工程背景1.2.1工程概况 天池特大桥（原行对岔大桥）是世行贷款福建公路项目福建省省道S303线连接宁德市与屏南县的宁德八都桥头至屏南城关公路焦城段二期工程中的一座特大桥，大桥位于宁德市蕉城区洪口乡。桥梁长度405.40米, 桥宽10.0米，桥梁高度142.0米。桥梁起点桩号K43+474.53，终点桩号K43+879.93，桥型布置为:5×20228.83×20m。主拱圈横截面采用单箱三室箱型截面，采用节段预制、缆索吊装工艺施工。桥梁总体布置图如图1-1。图1-1 天池特大桥总体布置图1.2.2总体布置受峡谷两岸地形限制，本桥上承式钢筋混凝土空腹箱型拱主桥采用了较大的矢跨比，为1/4。总体布置为：净跨径L0=204.959m，净矢高f0=51.227m；计算跨径L=207.2m，计算矢高f=51.73m。桥宽为10m，其中车行道净-9m。为减少主拱分段长度，拱上结构跨度布置采用12.66m、12.68m两种跨度形式，共布置18孔。桥面系由8片预应力混凝土空心板梁组成。主桥左岸设5孔20m预应力空心板引桥与道路连接，右岸设3孔20m预应力空心板引桥与隧道出口道路连接。桥面系简支空心板梁支撑在拱上立柱的盖梁上。桥面设2的双向横坡，横坡通过拱上立柱帽梁形成，铺装采用C40钢纤维混凝土，厚为12cm。1.2.3主拱结构主拱圈采用宽8.0m，高3.0m的单箱三室普通钢筋砼箱型断面，顶板、底板和腹板厚度均为25cm。主拱结构采用预制吊装法施工。主拱圈截面分三次形成，其中两个边室采用分段预制拼装成拱，中室采用拱上现浇顶、底板施工。预制标准段边箱宽2.8m，顶板预制部分厚度为10cm，腹板和底板厚度均为25cm。拱脚根部段设置一定长度的实体段，实体段通过变厚截面拱箱与标准断面连接，形成过渡段。上下游拱肋共预制34节段，各节段长度不一。最长节段为2节段，沿拱轴线长度为15.881m，最大吊重118T。1.3大跨度桥梁施工的质量控制的研究现状1.3.1国外大跨度桥梁施工质量控制的研究现状 国外最早采用桥梁施工质量控制技术，世纪年代初，日本在修建日野预应力混凝土连续梁桥时，建立了桥梁施工监测所需的应力、晓度等参数的观测系统，应用计算机对所测量参数进行现场处理，然后将处理后的实测参数送回控制室进行结构计算分析，最后再将分析结果返回到桥梁施工现场进行桥梁施工控制。上述方法也是国外传统的桥梁施工质量控制方法。国外在桥梁施工质量控制技术方面的研究和应用起步较早，现今众多发达国家已经形成了较为完善的桥梁施工质量控制系统，并已将桥梁施工质量控制纳入到常规的桥梁施工管理工作之中桥梁施工质量控制方法已从人工测量、分析与预报，发展到由计算机自动控制的自动测量、分析与预报、参数调整等，并已形成了较为完善的桥梁施工控制系统。由于影响桥梁施工的因素太多、太复杂，目前尚有很多问题还亟待进一步解决；同时不断涌现的新型桥梁、规模（跨径）更大的桥梁也对桥梁施工质量控制工作提出了更高的要求，因此国外对桥梁施工质量控制技术的研究还在继续。 20年代时首座的桥梁Stromsund把怎样让索力以及标高符合规划纳入建造中。在修TheodonNess桥梁时对桥的标高与初始索力中第一次加入了后退剖析法，这种核算发法在加拿大等国建桥时也纳入。在日本的桥梁项目建造期中真实对比全部详尽地把桥梁施工操控理论使用起来，施工操控中请求的应力及挠度各方面元素的检查办法是由日本构建预应力的混凝土中的接连梁桥工程时创立， 把这些得出来的参数用计算机实现了实际演算接着把这些处理过的参数用来结构核算处理然后又把处理得出的成果转到施工中用在工程操控方面。 1.3.2国内大跨度桥梁的施工质量控制的研究现状 我国在桥梁施工质量控制技术方面的研究相对起步较晚，然而发展却较为迅速。悬臂浇筑施工的桥梁施工质量控制内容主要为结构变形、结构应力和结构稳定性控制个方面。桥梁施工质量控制的工作重心一般放在结构变形控制上，由于影响应力测量精度的因素较多，直接测试得到的应力不能精确反映结构实际应力状态，必须采用一定的修正措施对测试得到的应力进行修正，修正后的应力方能近似反映结构的应力状态，因此应力控制一般起安全预警的作用。文献1以成都东客站跨成渝右线立交连续梁桥为工程背景，实施了该桥的施工质量控制，获得了较好的效果。文章总结了悬臂浇筑施工的连续梁桥施工质量控制中存在的主要问题，指出连续梁桥施工质量控制的工作重点为应力监测和线形控制，其中影响应力监测效果的因素复杂，很难获得精确结果，往往作为一种“安全预警”作用，而桥梁线形控制较为精确，能够反映梁体真实状态，应作为桥梁施工质量控制的重点控制对象。作者计算分析了该桥梁结构受力情况，得出梁底最大应力位置在悬臂根部、四分点和中跨跨中，因此应在这些位置处布置应力测点，保证梁体的施工安全和施工质量。文献2以沧德特大桥为工程背景，成功实施了该桥的施工质量控制。作者制定了该桥梁的施工质量控制方案，实施了具体的桥梁施工质量控制，保证了该桥成桥的线形和内力满足规范要求。作者研究了连续梁桥悬臂浇筑的施工工艺，对影响桥梁施工质量的关键工艺进行了验算，提出了挂篮、临时固结、0号块施工、合龙段施工为关键工艺，直接影响到桥梁成桥质量和施工安全，论述了0号块施工的具体步骤，强调了0号块施工中的预压方案，这些措施为桥梁的顺利建成提供了保障；作者利用有限元软件建立了挂篮的仿真计算模型，根据挂篮实际受力情况施加荷载，对挂篮的安全性和变形能力进行了计算，验算了挂篮各个部件的强度，计算结果表明，该挂篮结构强度足够。临时固结是保证悬臂浇筑施工的连续梁桥抵抗倾覆力矩的构造措施，它对保证桥梁施工安全性至关重要文献讨论了临时固结措施的计算方法，对苏丹西纳公路大桥墩梁临时固结的设计进行了验算，证明了该桥梁临时固结的安全性。文献3以南水北调丹江口大桥为工程背景。作者在文章中详细分析了悬臂浇筑施工方法中的体系转换对施工控制的影响和临时固结措施对主梁挠度的影响，计算结果表明，计算模型误差引起的主梁挠度误差在悬臂段施工时小，体系转换后变大，误差主要出现在体系转换后，且体系转换后的模型误差不能在施工控制过程中进行修正，所以建立的计算模型应尽量与实际情况相吻合，这是保证桥梁施工控制计算理论值与实测值相吻合的重要条件；关于临时固结解除后边界条件的模拟，采用固定铰支座模拟会引起结构误差，误差的大小取决于桥墩刚度的大小，桥墩刚度大误差小，桥墩刚度小误差大；建议对桥梁柱也采用有限元模拟，连接采用弹性连接模拟支座真实情况，刚度系数参照。文献4以田螺大桥为工程背景，进行了该桥的施工质量控制。釆用自适应控制理论实施了该桥的施工质量控制，获得了较好的成果。由于实际施工中结构自重与理论值普遍存在偏差，该偏差对桥梁的结构状态影响较大，是引起结构状态偏差的主要来源，为了保证桥梁施工安全和成桥质量，必须在桥梁施工中严格控制自重误差；混凝土弹性模量直接影响到结构的刚度，对结构变形有影响，弹性模量大，结构刚度则大，结构变形相应要小，反之相反，但是其对结构的应力状况影响不大；预应力损失是预应力混凝土梁桥施工质量控制误差产生的另一个主要因素，预应力损失不仅影响到桥梁变形，还影响到结构应力，因此正确选取预应力参数是保证准确估计预应力影响的前提条件，在大跨度桥梁施工中，必须对预应力管道磨阻系数及偏差系数进行现场实测；混凝土收缩徐变对主梁跨中变形影响较明显，对结构内力也有一定影响。结构参数误差是引起结构实际状态和理想状态偏差的主要因素。通过参数识别和修正，减小误差，进而达到计算模型能较为真实反映实际结构情况的要求，可以很好地预测结构下一阶段变形，达到桥梁施工控制的目标。文献5以某预应力混凝土连续梁桥为工程背景，实施了该桥的施工质量控制，获得了较好的效果。采用自适应法进行施工质量控制，介绍了利用有限元软件建立结构计算模型时关键参数的选取，以及利用有限元软件进行相关参数的敏感性分析，获得主要参数为混凝土自重和预应力荷载；得出施工初期在悬臂根部底板可能会出现较小的拉应力，因此应采取措施避免桥梁施工过程中出现混凝土开裂，造成结构的损坏。文献6以某预应力混凝土连续梁桥为工程背景。作者釆用有限元软件对该桥施工过程进行有限元模拟，分析结果作为标高控制和应力监测的依据。监控结果表明，利用有限元软件仿真分析得到的计算结果作为理论计算结果是可行的和有效的；提出了在无实测箱梁温度场数据的情况下修正温度引起的测量数据偏差的经验方法。文献7以楠溪江大桥为工程背景。文献总结了悬臂浇筑施工的连续梁桥施工质量控制方法和主要影响因素，以及施工控制的计算方法，给出了主梁立模标髙的计算公式，作者实际测量了温度对最大悬臂状态的影响，选择早上最低温时刻和下午桥面最高温时刻，温差导致的悬臂端晓度差值达到可见温度对主梁线形影响很大，应在监控中给予高度重视。作者分析了施工工期变异对主梁晓度的影响，在楠溪江大桥工期延长天的情况下，计算表明成桥后主梁下晓，跨中晓度最大增加，边跨处累计晓度平均增加。应力方面，施工工期延长后，计算表明楠溪江大桥全桥顶板应力稍微变小，差值在左右；底板应力稍微变大，跨中和边跨变化较明显，最大差值。文献8以关口斑号桥为工程背景。作者研究指出应力监测的结果受各种因素影响较大，其结果与梁体真实应力值有较大偏差；现有的有限元软件对温度因素的考虑不合适，我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范关于日照温度荷载引起的桥梁内力的计算规定多有不合适，计算结果与实测值相差很远；作者计算分析了混凝土收缩徐变对预应力混凝土桥梁的影响程度，指出现有的混凝土收缩徐变计算公式均是半经验公式，精度较差，而根据我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范关于混凝土收缩徐变的规定计算的结果较实测值小，该差值随悬臂施工节段的伸长而变大。1.4大跨度桥梁施工风险分析研究的必要性1.4.1大跨度桥梁施工存在大量的不确定性随着桥梁的发展和跨径的不断增大,各种不确定性对结构的影响也越来越大。但是,现有研究大多是针对结构中的确定性问题,对于影响结构安全的各种不确定性问题研究较少。而事实上,和其它结构物一样,大跨度桥梁结构中存在着大量的不确定性。同时,由于大跨度桥梁结构体系复杂,施工难度大,尤其是大跨度混凝土桥梁,多采用悬臂浇注的施工方法,施工工序多,施工工艺复杂,施工周期又短,这些不利因素进一步增加了大跨度桥梁在施工过程中的不确定性。大跨度桥梁结构施工过程中的各种不确定性按其成因可分为决策的不确定性、现象的不确定性、物理的不确定性、模型的不确定性、统计的不确定性、预测的不确定性以及人为不确定性等,如图1-2所示。1.4.2大跨度桥梁施工存在着高风险大跨度桥梁施工期间大量不确定性的存在,直接影响了桥梁整个建造过程的安全性。而传统的定性设计与分析方法未能考虑众多不确定性对结构安全度的影响,不能真正反映结构的安全储备。同时,由于大跨度桥梁结构体系的复杂性,以及施工阶段工序多、周期短、工艺复杂等诸多不利因素的影响,进一步增加了桥梁工程建设的风险而我国现行的桥梁设计、施工规范主要是针对中小跨度桥梁制定的,已不能适应大跨度桥梁设计、施工的安全需要,更为大跨度桥梁的工程建设埋下了安全隐患。桥梁的施工建造是一项庞大的系统工程,结构设计过程和施工过程中的任一环节的错误和疏忽,都会大大降低结构施工期间的安全性,以至导致各类工程事故的发生国内外桥梁结构尤其是大跨度桥梁的施工事故屡见不鲜。大跨度桥梁施工期间存在着高风险,必须引起足够的重视,否则极易发生工程事故,而这些工程事故的发生往往会造成巨大的经济损失和人员伤亡,以及带来不良的社会影响。因此,为了降低大跨度桥梁施工期间的结构风险,避免工程事故的发生,开展大跨度桥梁施工风险分析研究是十分必要的。通过施工风险分析,人们可以了解和掌握大跨度桥梁施工期间可能面临的各种风险,以采取积极有效的风险应对策略,控制和降低风险水平,保障结构施工安全。另外,开展大跨度桥梁施工风险分析研究,对于确保大跨度桥梁工程建设的安全性和科学性,对于提高桥梁工程结构的经济性和合理性,对于推动桥梁设计理论及保险体系的发展等,都具有十分重要的理论价值和现实意义。1.5风险分析的国内外发展和研究现状1.5.1风险分析的发展和研究现状风险的概念最早出现在西方的经济管理领域中。世纪产业革命时,法国人首次把风险管理的思想引进了企业经营领域,由于人们对此还没有足够的认识，所以当时并没有得到广泛的应用。上世纪50年代,美国和欧洲一些国家将风险分析方法应用于核电厂的安全性评估之中。风险管理才开始发展成为一门独立的学科。将概率理论引入风险研究是在上世纪60年代，在此期间以概率理论为基础的风险评估研究得到了快速发展。比如在英国就建立了专门的研究机构一故障数据库和可靠性服务所进行概率风险研究。1973年3月,美国一核电厂发电机组发生事故,核电厂的概率安全评价开始为人们所关注。1975年,首次发表了商用核电站轻水反应堆的风险分析报告。1979年,英国和德国的一些机构对荷兰的一些工业设施进行了风险评价。随后,关于此类的风险分析评价技术在西方许多发达国家的诸多工业项目中得到了广泛的应用,并且先后研究推出一系列风险评价方法,至此,以风险理论为基础的风险分析方法才真正进入了实际应用阶段。1986年,发生了两起震惊世界的重大事故,一个是美国“挑战者”号航天飞机发生爆炸,另一个是前苏联切尔诺贝利核电站爆炸事故,这两起事故使人们开始重视工程领域内存在的风险问题,从某种意义上说促进了风险分析与评价技术的进一步发展。上世纪年代,随着发展中国家经济的起飞,风险管理愈加为这些国家所重视,风险管理研究也从发达国家逐步向发展中国家扩散。为了将风险管理科学推广和普及到广大发展中国家,年联合国有关机构编辑出版了有关风险管理方面的专题研究报告。目前,风险分析方法已经应用到诸如机械工程、医药化工、电子工程、土木工程、及经济管理等领域,取得了一系列研究成果。随着时间的推移,可以想象风险分析理论的研究与应用将会更加深入与广泛。1.5.2大跨度桥梁风险分析的研究现状桥梁运营阶段的风险研究,主要是对运营中的桥梁结构安全性与可靠性进行风险评估,如对船撞风险、车撞风险、超载风险、地震风险、洪灾与火灾风险等风险问题的研究。这方面研究较多,且大部分是对某单项风险问题的研究。在船撞桥方面。此方面的风险研究相对较多,如文献,对船撞等桥梁风险评估加以介绍,同时针对船撞,提出了在设计方面应采取的保护性措施。介绍了日本学者基于故障树方法建立的船撞风险分析系统,并认为船撞事故中人为因素占很大一部分。项海帆指出了中国规范与欧美规范或指南在处理船撞问题上的异同。戴彤宇首次建立了我国的船撞桥事故数据库,并对在建的哈尔滨松花江斜拉桥进行了初步的船撞桥风险分析,提出了降低船撞风险的具体建议。在车撞桥方面。文献,对车撞桥的风险进行了详细研究,研究认为,车撞引起的损失可以从对桥梁造成的损失,对车辆及其运送货物造成的损失,对人员造成的伤害,在维修期间造成的交通堵塞等间接损失,交通系统不畅造成的社会和经济损失,对环境造成的损失等方面考虑对法国车辆撞击桥梁墩柱问题进行了比较详尽的研究,对车桥碰撞概率、碰撞后倒塌等各种概率进行了分析。在抗震、抗风方面。文献11给出了一个多阶段地震风险评估的流程,包括快速风险检查、风险严重性计算和风险回避研究等内容。在第一阶段,主要用“风险水平”来区分风险等级,并在第二阶段引入了投资一收益比来辅助决策。文献12介绍了一个桥梁结构的地震风险评估系统,它应用马尔可夫过程并基于概率计算,对桥梁结构在地震作用过程中结构性能的变化过程给出了定量的评价,从而可以方便地确定损失函数。文献13从风险的角度对缆索承重桥梁的抗风性能评估进行了研究,建立了相应的评估方法和评价体系,并对苏通长江公路大桥的抗风风险进行了综合评价。在超载、洪灾与火灾方面。文献14给出了一个对座桥梁组成的道路系统进行超载和洪水风险评价的例子。采用的基本方法是,对超载和洪水分别建立极限状态,使用基于概率的方法验算各个桥梁在各种极限状态下的失效概率,然后先后利用两次悲观法则,分别确定结构在某种风险状态下的失效概率和洪水与超载联合作用下的最终失效概率。所谓悲观法则就是取各种结果中的最不利的作为最终结果,显然,这种决策过于保守。1.6本文主要研究的内容和思路 本文以大跨度拱桥天池特大桥为工程背景，对该桥的施工质量控制问题和风险问题进行研究，主要的研究内容和思路如下：1、介绍大跨度桥梁施工质量控制的内容及常用方法。对大跨度桥梁施工质量控制方法、有限元分析方法、施工质量控制影响参数加以说明，并以天池特大桥为背景，介绍其施工质量控制的内容和分析计算方法。2、利用有限元分析软件MIDAS CIVIL对天池特大桥建立了有限元模型，为天池特大桥的线性控制、索力控制等施工质量控制内容作准备工作。3、分析各个施工工况下天池特大桥的变形和受力状态，以研究该桥的预拱度设置和吊索索力值，为天池特大桥现场施工质量控制提供依据。4、介绍大跨度桥梁施工风险评估的主要方法和主要内容，并对天池特大桥的施工作出风险评估。2 大跨度桥梁施工质量控制的内容及方法2.1 前言在施工过程中，由于荷载是由各节段吊装完成而逐步施加的，混凝土的收缩徐变、温度变化等因素，会使桥梁结构的变形、应力状态及其变化规律更为复杂。因此对于这样一个复杂的系统，仅仅依靠事后检查是无法保证的，所以必须对桥梁结构施工过程这一系统实行实时控制，这样才能保证最佳成桥状态，这一点对于大跨度桥梁来说尤为如此。施工质量控制的首要任务是对所监控桥梁的应力、位移等参数进行分析计算，并与施工过程中所监测到的应力、位移进行对比，以保证桥梁施工工艺的准确性和安全性。本章将主要介绍大跨度桥梁施工质量控制方法、有限元分析方法、施工质量控制影响参数加以说明，并以天池特大桥为背景，介绍其施工质量控制的内容和计算方法。2.2 大跨度桥梁施工质量控制方法针对桥梁结构的不同、施工技术的区别以及控制内容的特点，大跨度上承式拱桥的施工控制分析方法也各有特色不尽相同。总的来说，施工控制方法可以分为：开环控制法、反馈控制法、自适应控制法和其他方法。2.2.1 开环控制法对于结构线形和施工技术相对简单的桥梁工程，通常直接按照设计施工图进行施工，施工完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线形和内力状态，这种控制方法就是开环控制法。开环控制法的控制方向是单向不可逆的，这一方法无需根据桥梁结构在施工过程中的内力和变形来调整施工中的预拱度和内力。当桥梁的施工精度较高，构件制作精良时，误差控制得当时，这是一种快速高效的施工控制方法，因此这一方法广泛应用于中小型桥梁的施工建设当中。2.2.2 反馈控制法对于桥梁跨度较大、施工技术难度较高、工程结构计算复杂的桥梁，在每个施工阶段的累计误差是不可忽略的。如若不及时对桥梁结构的施工过程进行控制，累计误差不能够及时修正，将导致最终合拢时桥梁的线形和内力与设计图理想的成桥状态存在明显差异，甚至无法顺利进行合拢。因此误差纠正在施工控制的过程中就显得尤为重要，而纠正的方法和改变量的大小是必须由误差经反馈计算所得而出，从而形成了一个闭环反馈控制过程。2.2.3 自适应控制法自适应控制法也可称作参数识别修正法，参数识别是通过观测一个系统或过程的输入与输出关系来确定对应的数学模型的方法。然而在实际的工程施工过程中，结构的实际状态几乎很难与设计状态完全吻合，也就是说，桥梁结构的实际状态与设计状态间存在着一定的误差。原因主要是由于设计参数误差(例如材料特性、截面特性、容重等)、施工误差(如架设误差、制作误差等)、测量误差、结构分析模型误差以及若干难于预计的随机误差等因素影响所致。结构的实际状态与设计状态之间的误差，可以通过理论方法和误差分析来调整，控制其影响，对结构进行预测和分析，进而发出预拱度控制指令、确定肋拱各节段的安装标高，调整好扣索和锚索的张拉力来控制拱肋线形和应力。在现代系统工程学理论的研究背景下，把拱桥施工过程视为一个复杂的动态系统。根据施工图的设计状态、现场施工时测量的实际状态和误差影响因素进行误差分析，并由此制定最佳修正方案，用以指导施工现场调整作业，使结构施工的实际状态尽可能拟合设计状态。以上一施工阶段拟合完毕为基础，运用正装计算法和倒装计算法结合运算当前施工工况下的应力和变形状态直至成桥合拢，即为施工控制的两大任务：即结构的后期调整和前期预报。为了达到这一目标，桥梁施工控制惯常采用的理论和方法有：设计参数的识别和调整、Kalman滤波法、灰色理论法和最小二乘法。前两种方法主要是运用随机统计和估计理论；而最小二乘法在回归分析方面用得比较成熟和广泛；灰色理论近年来较热门。图2-1 自适应控制系统组成2.2.4 其他方法除了上述提到的一些施工控制分析方法以外，还存在许多其他的分析方法，比如：专家系统控制法、最大宽容度法、模糊控制法等等。根据桥梁结构施工技术、设计线形、具体控制内容的差异，往往会选择不同的施工控制分析方法。通常来看，大跨度桥梁的施工控制总是选择多维并举，综合多种方法进行监测监控。一般流程主要分为：参数识别修正计算模型预测控制各个施工阶段确定最大容许误差最终确定成桥。2.3 大跨度桥梁有限元分析方法大跨度桥梁施工会经历一个十分漫长而复杂的施工过程和结构体系转换过程。桥梁控制的基本内容之一是对各个阶段施工工况划分下，结构内力和变形进行计算。因此，通过科学的计算和理论分析来修正桥梁结构施工过程中每个阶段在受力和变形直到达到理想设计状态。综上所述，施工控制中的结构计算不但能够描述整个施工过程，反映整个施工过程中结构的受力行为，同时还能准确获得结构各个施工工况下的理想状态，为施工过程控制提供中间目标状态。目前桥梁结构的有限元分析方法主要包括：正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。上述的几种方法针对不同桥梁型式结构具有普遍适用性，然而正是由于桥梁结构型式有所差异，各具特点，因此这几种方法对于不同桥型各有侧重。桥梁建设人员应当准确分析桥梁结构特点，选择合适的施工控制计算方法。2.3.1 正装计算法正装计算法是根据桥梁结构实际施工加载顺序进行结构变形和受力分析，其较好地模拟桥梁结构的实际施工过程，计算得出结构在各个施工阶段的位移和受力状态，这些数据不但可以预测下一施工阶段桥梁结构的变形受力状态，对桥梁施工控制提供数据支持，还可以用来指导桥梁设计和施工。同时，在正装计算中，能较好地考虑一些与桥梁结构建筑材料时间历程有关的影响因素，如结构的非线性问题和混凝土收缩徐变问题。特别是对于大跨度上承式拱桥，为准确了解桥梁结构在各个施工阶段的变形受力状态，都必须采用正装计算法先行计算。正装计算法可以完整地拟合工程结构施工过程，对于采用悬臂拼装法施工的钢筋混凝土拱桥，其正装计算法可按照如下步骤计算分析：（1） 确定桥梁结构的原始状态，主要包括主跨和边跨的大小、桥梁线形、桥墩及立柱的高度、桥梁约束、截面参数、拉索锚索信息、施工荷载、体系转换等等。这些数据或者信息可以通过施工设计图和施工组织设计获得。（2） 桥墩、基础、0号块浇筑完成：计算已浇筑部分在自重和外加荷载作用下的变形和内力。（3） 在各个工况下缆索吊装各部分块件，直到吊装完成，拆除设备。计算各个施工工况下桥梁结构的变形和内力，每一阶段计算均依照上一施工工况结束时结构变形后的线形为基础。（4） 进行拱肋拱圈合拢，计算这几个阶段的结构内力和变形。（5） 桥面铺装时的二次恒载作用下，桥梁结构的变形和内力，控制其与设计线形保持一致。2.3.2. 倒装计算法倒装计算法是根据桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构受力行为分析。倒装计算的目的是为了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。通常而言，结构设计图只给出了桥梁最终成桥状态下的设计线形和设计标高的具体数据，然而桥梁结构施工中，各个施工工况下的标高并没有准确给出，如果想要获得桥梁结构施工初始状态和施工中间各个工况下的目标状态，就必须从结构设计图中给出的最终成桥状态开始，逐步逆推地通过倒装计算法来获得各施工中间阶段的目标状态，最终算出桥梁结构施工的初始状态。只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间目标状态去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合最佳理想设计要求。当然，在桥梁结构的施工控制阶段，除了结构的标高和线形需要计算来控制以外，结构的受力行为同样需要计算得到并加以控制，它与桥梁线形控制同等重要。倒装计算法对于各种类型的桥梁结构具有普遍适用性，可以应用于不同型式的桥梁结构安装计算中。2.3.3 无应力状态法无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础，将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来，在结构分阶段施工工况下，建立力学平衡方程，当结构外荷载、结构体系、支承边界、单元无应力长度、无应力曲率一定的情况下，其对应的结构内力和变形是确定的。2.4 大跨度桥梁施工质量控制影响参数能够引起结构状态（主要是指内力和变形）变化的因素称为结构设计参数。因此，在桥梁施工控制中，对结构设计参数进行识别和修正是十分必要的。建造不同型式桥梁结构时，各个类型的设计参数对结构行为的影响程度是不同的，即使同一设计参数对不同的结构体系也有不同的影响程度。因此，必须弄清结构体系结构设计参数类型。对于拱桥来说，主要的设计参数包括以下几个方面：(1)结构几何参数结构几何参数主要是指：桥梁结构的跨径、拱肋的矢跨比、拱轴线形等。它们揭示了结构的形状和结构最初的状态。(2)截面特性参数截面特性参数主要包括：（1）拱肋截面的抗弯惯矩I0和截面面积A0；（2）桥墩截面的抗弯惯矩I1、截面面积A1；（3）桥面行车道板截面的抗弯惯矩I2、截面面积A2；（4）拱上立柱的截面面积A2等。截面特性参数对于桥梁结构在各个工况下施工控制阶段能否达到目标状态也存在着较大影响。(3)时间相关参数与时间历程相关的参数主要是指混凝土收缩徐变和温度变化。混凝土的收缩徐变特性是这一建筑材料独有的，在混凝土结构计算中，需考虑收缩徐变带来的内力变形影响。此外，桥梁施工是一个漫长的过程，不论是同一天内的温度变化或者持续几个月的季节性温度变化，都对桥梁结构的位移和变形有着较大的影响。然而人们对于温度的影响至今不能完全准确模拟，只能采用定时观测结合工程经验减小温度影响。(4)荷载参数荷载参数主要指结构构件自重、施工临时荷载和扣索锚索张拉力。对于拱肋吊装施工过程来说，拱肋节段自重和施工临时荷载是相对稳定的量，在施工过程中通常不会有较大的改变。对于扣索锚索体系中的有效索力，可以通过计算获得。由于节段吊装的不断推进，后续拱段的自重将陆续作用在已经安装好的拱段上，相应的扣索索力和锚索索力也将陆续施加于墩柱和扣塔上，这些荷载将使扣索锚索体系中的有效索力随着施工工况的不同而变化。成拱后，需现场浇筑立柱混凝土，经常会由于立模引起构件荷载的变化，但其没有一定的变化规律。相对的，桥面系自重和施工临时荷载是比较稳定的量，在施工过程中通常不会有较大改变。(5)材料特性参数材料特性参数主要是指材料的弹性模量E和剪切模量G。钢材的弹性模量和剪切模量比较稳定，不会发生较大改变，而混凝土材料恰恰相反，波动幅度相对较大。所以在桥梁的施工控制中要对其进行参数识别。针对不同桥梁体系，以上提到的结构设计参数的影响程度是不同的。在桥梁施工过程的计算中，要对主要影响参数进行识别和修正。2.5 天池特大桥施工质量控制的内容及计算方法选择2.5.1 天池特大桥施工质量控制内容在施工监测与控制过程中，为了掌握每一具体工序完成后结构的受力、变形等情况，需对上述主要施工过程进一步细化，列出细化了的施工工况、施工内容，并给出相应的施工工况模型图。从而为施工过程的结构有限元计算分析、各施工工况监测监控的测量时机、控制内容等，给出明确的监控过程控制。天池特大桥施工控制的主要内容是综合考虑主拱圈的稳定性、变形和内力，在施工安全和主拱圈稳定性的前提下，重点控制主拱圈的变形、应力和扣索索力。以变形控制为主，严格监控各控制截面的挠度和拱轴线偏移，监测各控制截面应力和应变发展情况，监测扣索索力大小，预测单肋拱圈合龙后的稳定安全系数。 2.5.2 天池特大桥计算方法的选择对于大跨度拱桥悬臂施工,施工计算中如不考虑混凝土收缩、徐变的影响,计算结果将发生较大的偏差,但是混凝土的徐变与结构形成的过程有关,原则上倒拆法无法进行徐变计算。这是因为徐变计算在时间上只能是顺序的,不可逆的,而倒拆法在时间上则是逆序的。一般可应用迭代法来解决这个问题。即第一轮倒拆计算时不计及混凝土的收缩、徐变,然后以倒拆结果进行正装计算,逐阶段计算混凝土的收缩、徐变影响,再进行倒拆法计算时,按阶段叠加入正装计算时相应阶段的混凝上的收缩、徐变影响,如此反复迭代,直至计算结果收敛。因此，本文将采用正装计算法对天池特大桥进行有限元分析，为天池特大桥的质量控制提供依据。2.6 本章小结本章主要对大跨度上承式拱桥悬臂拼装施工控制分析方法进行了分析和阐述，并着重介绍了正装分析法、倒装分析法和无应力分析法。结合天池特大桥为实例背景，根据工程的经验得出天池特大桥施工控制的主要内容和计算方法的选择，最终达到精度的要求，实现施工控制目标。3 天池特大桥施工工况划分及结构仿真计算 3.1 引言结构仿真计算分析能够保证桥梁结构的科学性和准确性。在进行有限元分析时，运用科学的思维方法，按照其结构特点进行建模。通常而言，这类桥型可按空间(或平面)梁单元进行分析。在选用计算分析软件时，还应该考虑到工程应用的简便，在保证计算精度相同的情况下，优先选择原始数据工作量小、力学概念清楚、模型简单的分析软件。天池特大桥的结构建模仿真计算分析采用了MADIS /CIVIL 2012桥梁专业分析软件进行施工过程结构计算分析，MADIS /CIVIL 2012软件能够很好地模拟施工进度，准确地考虑各个工况下线形控制影响因素的问题。天池特大桥肋拱安装采用节段吊装施工方法，结构的最终成桥合拢建成通车，经历了一个漫长而又复杂的施工过程及结构体系转换过程。桥梁施工控制的基本内容之一是针对施工过程中各个工况下结构受力行为的计算分析。因此，在桥梁施工过程中各个施工阶段结构的变形和受力可以运用有限元理论分析计算预测结构的目标状态，以便指导施工过程，使其最终的成桥线形和受力状态达到符合设计要求，达到最佳理想状态。3.2 天池特大桥施工工况划分根据设计图纸和施工单位提出的施工组织设计文件，天池特大桥主桥的主要施工过程为：（1）采用分段预制拱箱节段（上下游肋拱各17节段，共34节段），缆索吊装进行悬臂拼装，直至上、下游单肋拱箱分别合拢；（2）现浇拱箱中室顶板、底板，形成完整的单箱三室主拱圈整体截面；（3）立模现浇拱上立柱和盖梁，并吊装主桥空心板；（4）浇筑防撞墙，桥面铺装。3.2.1单肋分节段吊装上、下游单肋拱箱吊装施工过程的工况划分，与实际吊装施工过程一致。按照吊装施工的先后顺序，划分为10个工况进行结构分析计算和监测监控。各工况下的主要施工内容如表3.1。工况号施工主要内容工况1吊装1、1节段，张拉扣索KS1、KS1和锚索MS1、MS2。工况2吊装2、2节段，张拉扣索KS2、KS2和锚索MS2、MS2，调锚索力。工况3吊装3、3节段，张拉扣索KS3、KS3和锚索MS3、MS3，调锚索力。工况4吊装4、4节段，张拉扣索KS4、KS4和锚索MS4、MS4，