桥梁结构设计石雪飞第三讲桥梁施工控制

大跨度桥梁施工控制同济大学桥梁工程系二○○五年六月使桥梁建成时达到设计确定的内力状态线形状态静定结构——两者完全分离超静定结构——两者间有联系一.施工控制的目的和必要性施工控制的目的一.施工控制的目的和必要性施工控制的必要性•大跨度桥梁线刚度较低，相对变形较大•大跨度桥梁施工过程复杂，较多体系转换•大跨度桥梁施工步骤较多，材料、结构尺寸、施工操作误差的累计误差较大•斜拉桥设计规范中把施工控制作为实现设计目标的必要措施二.施工控制的思路开环施工控制——适用于简单桥梁或非循环式施工桥梁反馈施工控制——适用于结构参数比较稳定的桥梁自适应施工控制——适用于循环式施工桥梁目前尚没有一种算法可直接用于施工控制，控制方法只是一种思路的应用1.开环施工控制基本原理2.反馈施工控制基本原理日本横滨海湾桥控制流程图3.自适应施工控制基本原理有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入为施工总阶段数MyesnoK=K+1noyes结构架设分析误差因素对结果误差的影响确定精度允许值rd误差调整KM全桥建成计算结果误差rk架设过程最小二乘法或卡尔曼滤波理论随机有限元法最优控制理论精度满足要求以后各工况预测误差因素对以后工况的影响测量值Ym辨识误差因素选择测量项目调查在设计，制造，架设过程中的随机误差因素设计与制造过程第K架设工况计算每个工况的设计线型和应力值YdSakai提出的斜拉桥施工控制系统流程4.最优控制理论应用的问题离散系统方程控制目标问题——控制矩阵Pk,k-1是不断变化的二.施工控制的思路开环施工控制反馈施工控制自适应施工控制最优控制结论：自适应控制是目前适用于循环施工桥梁最理想的方法，最优控制不适用于桥梁三.自适应施工控制系统要素有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入1.确定理想状态计算方法有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入确定理想状态的计算方法确定成桥理想状态确定施工步骤的控制目标确定成桥理想状态内部静定结构——连续梁、拱、吊桥•结构尺寸、施工方法确定后内力状态随之唯一确定内部超静定结构——斜拉桥、组合拱•同样的结构、同样的施工方法，不同索力（吊杆力）可以获得不同内力状态•最优问题——内力最小、应力最小、弯曲能量最小、材料最省、造价最省•确定性问题——刚性支承连续梁最优成桥状态确定算法影响方程(S)ZA索力向量待优化变量影响函数约束条件)21(maxrissii，，，)21(maxrizzii，，，[A(S)]min(Z)minffJ待优化变量优化目标优化目标函数优化目标方程弯矩最小求斜拉桥最优索力斜索体系是的拉索以未知索力Ti代替；简化后的平面框架结构中，目标函数为：Ti——第i号索力；——Ti=1时的结构弯矩；Mp(s)——恒载作用下的结构弯矩。确定施工目标的计算方法倒拆法–无法考虑徐变–某些步骤构造上无法实现考虑施工过程的影响矩阵法–适用于混凝土桥，有时迭代不收敛无应力状态法–适用于钢桥的构件预制–不能确定每个施工阶段的状态–需要多次调索确定施工目标的计算方法简化做法•施工阶段斜拉索索力等于节段重量的一半加施工机具重量•按照上述索力进行正装模拟计算，局部调整索力•标高按模拟计算结果设预拱度•缺点——施工状态与成桥理想状态脱节2.施工过程模拟计算有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入施工过程模拟计算计算程序——有限元程序•我国：平面杆系程序•国外：空间计算程序开始应用考虑的因素•模拟施工构件的安装及拆除过程•各种线形预应力钢筋的张拉过程•不同预制龄期、加载龄期下构件的收缩徐变•结构的非线性因素•温度影响3.最优控制调整量计算有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入最优控制调整量计算控制目标——应力、标高调整手段——索力、预应力、标高计算思路——优化方法优化目标——残余误差最小、能量最小、调整的功最小约束条件——调整必须在材料强度允许范围内、残余误差在允许范围内优化计算原理影响方程(S)ZA调整措施受控变量调整影响函数约束条件)21(maxrissii，，，)21(maxrizzii，，，[A(S)]min(Z)minffJ受控变量优化目标优化目标函数优化目标方程4.计算模型参数估计有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入计算模型参数估计算法待估计参数——构件重量、刚度、徐变系数、预应力损失计算思路——优化方法测量变量——索力、标高、应力优化目标——误差最小约束条件——参数在物理常识范围内参数估计计算原理影响方程(S)ZA待估计参数可测量变量调整影响函数A(S)]-Z[minZ)-Z(minffJ预计测量值优化目标优化目标函数实际测量值优化目标方程约束条件)21(maxrissii，，，参数估计方法分类一类是基于误差最小化的算法，如最小二乘法一类是基于状态估计理论的算法，如扩展卡尔曼滤波法存在的问题：•参数的灵敏度不高•测量数据不够参数估计的变量分离测量时刻选定•1.挂篮移动定位立模前的时刻；•2.挂篮移动定位立模后的时刻；•3.节段混凝土浇筑前的时刻；•4.节段混凝土浇筑后的时刻；•5.张拉斜拉索前的时刻；•6.张拉斜拉索后的时刻；弹性模量混凝土超重索力误差5.测量系统有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入待测量变量标高—激光束、连通管、GPS、全站仪垂度—激光束、全站仪索力—随机振动、磁通量法、光纤光栅、穿心式压力环传感器应力—钢弦应变计、差阻式应变计、光纤光栅应变计自动测量系统自适应施工控制系统流程四.不同类型桥梁控制特点自适应控制方法、反馈控制方法只适用于有循环的节段施工方法即使采用节段施工，不同桥型也有不同特点，必须采用不同的对策1.悬臂浇筑混凝土斜拉桥施工特点：结构参数的准确性较差，而且要等到节段施工完成后才能确定主梁的刚度较大，节段的局部变形很小，索力调整对局部线形的调整作用很小调整范围受到混凝土应力的限制挂篮刚度对局部变形有较大影响，长挂篮在混凝土浇筑节段参与结构受力未施工节段的立模标高可以任意确定，与已浇筑梁段无关悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制对策1．对于已建成梁段的线形误差在一定程度上可以通过斜拉索索力的调整来纠正，但是，由于主梁刚度较大，不可能通过索力调整纠正所有误差。残余的误差可以通过下一节段的立模标高来调整。2．及时识别误差产生的原因，估计计算程序参数的实际值，主要是混凝土的弹性模量、材料的比重、徐变系数等，重新计算未浇筑梁段的预拱度，修改施工阶段索力及相应的标高目标值，避免出现新的误差。悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制对策3．由于立模标高可以随时调整，索力值应该作为控制的依据，某节段标高只要控制在允许范围之内即可认为满足要求。如果索力到达设计值时标高同时达到预计值，说明计算模型与实际结构是吻合的，否则，说明两者之间存在差异，必须对参数进行重新估计。4．挂篮刚度只影响正在浇筑的梁段标高，但由此引起的误差将永远存在于主梁线形中，必须考虑钢筋骨架对挂篮刚度的影响。自适应控制思路在瓯江二桥施工控制中的应用工程概况控制目标控制的最终目标是：使成桥后的线形与设计线形所有各点的误差均控制在4厘米范围之内，且斜拉索索力与设计值的误差控制在5%范围之内。每一施工步骤中的误差控制水平：•斜拉索张拉索力与理论预报值的相对误差应控制在2%以内；•挂篮定位标高与预报标高之差控制在1厘米以内；•斜拉索张拉完后，如梁端测点标高与控制预报标高之差超过4厘米，需研究调整方案，确定索力调整措施。观测变量为：标高、索力、塔顶水平位移、主梁及塔身的局部温度场和应力场；混凝土徐变系数和弹性模量测试试验；在悬臂浇筑之前对挂篮进行了现场预压试验。控制措施：斜拉索的索力及梁段的立模标高。测量值和控制措施控制实施施工初期（0-3#节段）•参数估计：自重集度、弹性模量、挂篮刚度•调整预报值：每对斜拉索增加初始索力30吨挂篮主梁惯矩（m4）参数项目自重集度t/m弹性模量MPa向上向下浇一半砼初值2.55330000.2710.2710.271人工估计2.65300000.20.2711.0计算值2.73421000.180.2530.84施工中期（4-12#节段）•按预报值进行正常施工施工后期（12#节段以后）•参数估计：自重集度估计•调整预报值：斜拉索索力初始值调回到设计值控制结果全桥按照预计的目标合拢；全桥的线形除少数节点外，所有节点标高与设计线形的误差均在4厘米以内；除南塔边跨13、14#索因为边跨和中跨发生了不对称变形，在施工过程中进行了补张拉外，斜拉索均是在节段施工中张拉到位合拢后只对两根索由于上下游索力有较大差异进行了很小的补张拉。2.悬臂拼装混凝土斜拉桥施工特点：主梁每个节段的定位标高受到预制线形的限制，只能通过接缝间的契块调节，余地很小，全部节段的重量在拼装前可以预先获得，没有挂篮变形的影响。悬臂拼装混凝土斜拉桥控制对策由于定位标高可调余地较小，拼装阶段的线形应该作为控制的主要依据，如果标高到达设计值时索力同时达到预计值，说明计算模型与实际结构是吻合的，否则，说明两者之间存在差异，必须对参数进行重新估计。参数估计的对象主要是主梁的刚度及徐变系数，在估计后重新确定每阶段的张拉索力。由于没有挂篮刚度及节段重量误差，每节段吊装完成时，标高误差较小，可以通过索力调整来纠正。3.大跨度钢斜拉桥施工特点：主梁的线形在钢梁预拼装阶段已经完全确定，现场拼装时节段之间相对位置几乎没有调整的余地，全部节段的重量在拼装前可以预先获得，拼装阶段钢梁刚度很小，索力及荷载对标高的影响非常明显，钢梁的抗拉、抗压能力均较强。大跨度钢斜拉桥控制对策在确定施工控制目标时，一般使用无应力状态法。由于梁段间相对位置不能调整，某一梁段的误差除影响本节段外，误差的趋势还将影响以后的梁段，因此，拼装阶段的线形是控制的主要目标，必须在下一节段拼装前通过斜拉索索力的调整来纠正已建成梁段的线形误差，而将索力控制在一定误差范围内。大跨度钢斜拉桥控制对策参数估计的对象对主要是主梁的刚度，需要通过参数估计算法来估计。在参数估计后应重新确定每阶段的张拉索力，如果不进行修正，则在以后每个阶段施工完成时索力与标高均不能同时达到控制目标，从而每次均需要标高调整，这将大大增加施工调索工作量。由于线形的主要靠索力调整来保证，但是索力调整必须在梁体强度允许的范围之内，因此，必须分析索力误差对主梁应力的影响，确保施工应力控制在允许范围之内。4.结合梁斜拉桥施工特点：主梁的线形在钢梁预拼装阶段已经完全确定，现场拼装时节段之间相对位置几乎没有调整的余地，全部节段的重量在拼装前可以预先获得，拼装阶段钢梁刚度很小，索力及荷载对标高的影响非常明显，钢梁的抗拉、抗压能力均较强。结合梁斜拉桥控制对策在确定施工控制目标时，应充分利用钢梁的抗弯能力使混凝土桥面板承担较大压应力。由于梁段间相对位置不能调整，某一梁段的误差除影响本节段外，误差的趋势还将影响以后的梁段，因此，拼装阶段的线形是控制的主要目