大跨径预应力连续梁桥施工控制仿真技术研究

1、大跨径预应力连连续梁桥施工工控制仿真技术研究究摘要随着我国交通事事业的迅速发发展,我国相继修修建了许多大大跨度预应力力混凝土桥梁梁。预应力混混凝土连续梁梁由于受力合合理、行车平平顺、施工方方便、养护费费用少等优点点在工程上被被大量采用。这这种桥型的施施工方案多采采用自架设体体系的悬臂施施工法,施工到成桥桥各阶段的受受力体系及所所受荷载等都都在不断变化化,桥梁的内力力状态和变形形都比较复杂杂,加上施工过过程中各种因因素的干扰,可能导致合合拢困难,使成桥线形形和内力状态态偏离设计要要求,给桥梁施工工安全、线形形、行车条件件和经济性等等方面带来不不利影响。因因此对悬臂施施工过程进行行施工控制是是十分

2、必要的的。目前在国国内大型连续续梁和连续刚刚构的建设中中越来越多地地实施施工控控制。国内外外对桥梁施工工控制进行了了较为广泛的的研究，提出出了多种控制制理论和方法法。本文介绍了连连续梁悬臂施施工法施工控控制的目的意意义及内容,并就施工控控制的结构仿仿真分析技术术进行了讨论论,提出了应考考虑的因素及及仿真计算方方法和步骤。对对于控制理论论和方法进行行了介绍,可根据实际际施工情况选选择不同的误误差调正方法法。并利用大型有有限元软件AANSYS，建建立了一大跨径连续续梁桥的仿真真分析模型，并并用ANSYYS的单元生生死功能模拟拟悬臂施工过过程。把挂篮作为为荷载施加，参参与受力计算算，整个施工工过程按

3、施工工循环周期分分为若干个阶阶段，每个阶阶段分为三个个工况，即空空挂篮就位、浇浇筑完毕阶段段混凝土、张张拉预应力钢钢筋。对该桥桥进行了施工工过程的计算算机仿真，并并对进行结构分析析计算。关键词：大跨径径预应力连续续梁桥；悬臂臂浇筑；仿真计算；施工控控制Abstracct Many greatt spanns presstresssed cooncrette briidge iis buiilt onne aftter annotherr withh rapiidly ddeveloopmentt of oour coountryy trannsporttationn. It is maassi

4、veely ussed inn the projeect beecausee whicch hass the advanntage of drrivingg smoooth, tthe coonstruuctionn convveniennt, and the ccost oof maiintainns feww. Thiis kinnd of bridgge connstrucction plan uses much from erectts thee systtem off braccket ttechnoology; streess syystem is unnceasiingly to

5、 chhange, befoore thhe briidge sset upp. Posssiblyy causses too closse up the ddifficculty, causses thhe briidge llinearr and the eendogeenic fforce condiition deviaation desiggn wannt. Annd thee briddge coonstruuctionn secuurity, lineear, aaspectt and so onn drivving ccondittion aand effficieency b

6、bringss the adverrse efffect. Therreforee carrries oon thee consstructtion ccontrool to the bbrackeet connstrucction proceess iss extrremelyy esseentiall. In oour coountryy, more and mmore cconstrructioon conntrol was uused iin prooject of laarge ccontinnuouslly girrder aand coontinuuouslyy rigiidit

7、y struccture. Domeestic and fforeiggn hass condductedd compparatiively extennsive reseaarch tto thee briddge coonstruuctionn conttrol, And mmany kkinds of coontrolls theeory aand thhe metthod wwas maade ouut. Thhe tuttoriall intrroducee the conteent annd inttent aabout consttructiion coontroll of tt

8、he coonstruuctionn on ccantillever castiing, Besiddes, discuuss thhe anaalysiss techhnologgy of struccture and ssimulaation on coonstruuctionn conttrol, make out tthe faactor whichh shouuld bee conssidereed andd the accouunt meethod, the pprocesss of simullationn. Introoduce, the contrrol thheory an

9、d mmethodds, diffeer errror sqquare way wwould be chhose aaccordding tto praacticaal connstrucction case. At tthe saame tiime, make aand annalysiis moddel onn greaat spaan preestresssed cconcreete beeam brridge was sset upp throough AANSYS. Besidde makke usee of AANSYS cells birrth annd deaath fuunc

10、tioon to simullate ccantillever castiing prrocesss.Keyworrd: grreat sspan PPC conntinuoous beeam brridge; canttileveer cassting; simuulatinng anaalysiss; consstructtion ccontrool目录1绪论51.1引言51.2国内外施施工控制情况况及发展趋势势51.3 连续梁梁桥的施工控控制77 1.3.1 连连续梁桥的施施工特点7 1.3.2 连连续梁桥施工工控制的重要要性991.3.3 连连续梁桥施工工控制的内容容1121.4 本课

11、题题的研究内容容和目标1122预应力混凝土土梁桥施工控控制的理论、方方法122.1 桥梁施施工控制的方方法1122.1.1 预预测控制法1122.1.2 事事后调整控制制法1132.1.3 自自适应控制法法1132.1.4 最最大宽容度法法1132.2 桥梁施施工控制结构构计算方法1132.2.1 正正装计算法1142.2.2 倒倒装计算法1152.2.3 无无应力状态法法1172.3 桥梁施施工控制结构构分析方法1182.3.1 有有限元法1182.3.2 解解析法1182.4 桥梁施施工控制误差差调整理论与与方法1182.4.1 卡卡尔曼(Kaalman)滤波法1882.4.2 灰灰色系统

12、理论论预测法1192.4.3 最最小二乘法2203仿真控制施工工过程203.1 Anssys软件的的基本介绍203.2 材料选选择2213.2.1 SSOLID665混凝土单单元213.2.2 LLINK8钢钢筋单元243.3实例建模模2663.3.1 APDL语语言介绍263.3.2 桥梁建模2663.3.3 施工阶段3114全文总结及展展望424.1 总结4424.2展望433附录A:全部AAPDL命令令流参考文献致谢1 绪论1.1引言十九世纪中期以以前，各种桥桥梁均采用有有支架的施工工法。有支架架施工是在桥桥跨位置架设设支架，在支支架上拼装钢钢梁或浇筑混混凝土主梁，整整个施工过程程主梁处

13、于无无应力状态。对对桥梁的主梁梁来说，无支支架施工是最最简单、最可可靠的施工方方法，但随着着科学技术的的发展，桥梁梁跨度不断增增大，尤其对对跨越大江、大大河和深沟的的桥梁，若仍仍然采用有支支架的施工方方法，将变得得非常困难，甚甚至不可能。随随着钢铁工业业的发展，十十九世纪中期期，美国等国国修建了为数数不多的连续续钢桁梁，但但是，在建设设和使用过程程中，由于温温度变化、墩墩台沉陷等的的影响，尤其其是多次超静静定结构，在在当时设计手手段落后的情情况下，深感感设计理论的的复杂，因此此，连续桁梁梁的应用受到到一定影响。后后来在连续梁梁中采用了铰铰，把连续桁桁梁转化为静静定的悬臂桁桁梁，从此，悬悬臂桁梁

14、获得得广泛的采用用。悬臂桁梁梁的出现不仅仅解决了当时时设计上的难难题，在施工工中，悬臂桁桁梁的施工应应力与营运应应力的一致，给给悬臂施工即即无支架施工工方法提供了了有力的依据据，使无支架架施工方法得得以广泛采用用。20世纪70年代，随随着预应力混混凝土工艺的的完善，尤其其是后张学会会于19766年的成立，使使用于桥梁上上的预应力混混凝土工艺更更加成熟。德德国工程师率率先采用挂篮篮悬臂浇筑混混凝土，修建建预应力连续续梁桥，为至至今仍采用的的悬臂浇筑混混凝土连续梁梁、型刚构构、斜拉桥等等无支架施工工方法奠定了了基础。无支支架施工方法法的采用，促促进了大跨度度桥梁的建设设，但是，无无支架施工方方法的

15、采用，在在施工中又将将带来许多问问题。桥梁的大跨化和和各种新工艺艺的采用，使使桥梁内力和和位移变化更更为复杂，为为了保证桥梁梁施工质量、施施工安全和对对服役桥梁进进行健康监测测，桥梁施工工控制已成为为桥梁建设不不可缺少的内内容。近年来来，在古典控控制论基础上上发展起来的的现代控制论论在土木工程程学科领域得得到了广泛的的应用。桥梁梁工程作为土土木工程的一一个分支，具具有结构复杂杂、技术含量量高的特点，现现代控制理论论在桥梁施工工控制中的应应用逐渐成为为指导大跨径径桥梁建设的的得力工具。 1.2国内外施施工控制情况况及发展趋势势 在国外，早在550年代初，第第一座现代斜斜拉桥 Sttromsuun

16、d 桥施施工时，如何何就索力和标标高达到设计计要求的问题题，已被高度度重视。19958 年DDusselldorf 完工的2660m跨度的的Theoddon Neenss 桥桥的施工设计计中，设计者者第一次提出出了“倒退分析”法的概念，即即在确定了最最优成桥状态态之后，采用用模拟逆施工工过程的分析析方式算出各各施工阶段结结构的标高与与初张索力；1978 年竣工的美美国 P-KK 斜拉桥也也使用了这一一技术。系统统实施桥梁施施工控制的历历史并不长，最最早较系统地地把工程控制制理论应用到到桥梁施工管管理中的是日日本。20世世纪80 年年代初，日本修建日日夜野预应力力混凝土连续续梁桥时，就就建立了监

17、测测施工控制所所需应力、挠挠度等参数的的观测系统，并并运用计算机机对所测参数数进行了现场场处理，然后后将处理后的的实测参数送送回设计室进进行结构计算算分析，最后后将分析结果果返回现场进进行施工控制制，这也是国国外传统的施施工监控方法法。到80年年代后期，日日本成功地利利用计算机网网络传输技术术建立了一个个用于斜拉桥桥施工控制的的自动监控系系统，实现了了施工过程中中实测参数与与设计值的快快速验证比较较。它对保证证施工安全和和精度，提高高工程进度起起到了决定性性的作用。它它主要由测量量数据自动采采集、精度控控制支持和结结构计算机分分析三系统构构成。这也是是国外传统的的施工监控方方法。但由于于结构计

18、算机机分析是借助助设计室大型型计算机进行行的，因此，受受通讯电缆架架设费用昂贵贵等因素的影影响，使其推推广应用受到到一定限制。以以后，日本又研研制了一个以以现场微机为为主要分析手手段的斜拉桥桥施工控制系系统，这一系系统除包含上上述提及的三三个子系统外外，还增加了了两个数据库库，即测量参参数和计算参参数数据库。此此系统的最大大特点是在现现场完成自动动测试、分析析和控制全过过程，并可进进行设计值敏敏感分析和实实际结构行为为预测。该系系统在19889年建成Nittchu桥和和1991年年建成的Toomel-AAshigaara 桥上上应用，效果果良好。有关关介绍预应力力混凝土连续续梁桥施工监监测和控

19、制技技术的国外文文献较少，至至今尚未见到到系统介绍类类似于斜拉桥桥施工监控的的资料。目前前在预应力混混凝土连续梁梁桥上所做的的监控工作，主主要是研究开开发适合于模模拟施工过程程的结构计算算分析软件，进进行施工过程程模拟分析计计算，得出诸诸如应力、悬悬臂端预拱度度等控制参数数，并将实测测参数值与理理论计算值直直接比较，从从而达到控制制的目的。在在预应力混凝凝土连续梁桥桥施工监测方方面，国外采采用的测试手手段主要是用用预埋钢弦式式应变计测定定主梁的控制制应力：用激激光水准仪或或电子速测仪仪等光学仪器器测定主梁变变形；用热电电偶或半导体体测量结构温温度等。 中国在桥梁施工工监测与控制制方面的研究究起

20、步相对较较晚，但发展展迅速。已建建成的黄石长长江公路大桥桥是预应力混混凝土刚构桥桥，国内首次次立项进行了了该类型桥梁梁施工监控技技术的研究，为为预应力混凝凝土梁桥的监监测监控技术术的发展开创创了新的局面面。 20世世纪80年代代后期，对斜斜拉桥的施工工监控技术进进行过研究，已已初步形成系系统，并在上上海南浦大桥桥和浙江涌江江斜拉桥施工工中进行了实实际应用。该该系统主要是是依靠现场微微机用理想的的施工倒退分分析程序和考考虑徐变收缩缩影响的控制制分析程序提提供每一施工工阶段的理论论计算控制值值，在现场与与实测值进行行比较分析，并并通过对设计计参数的识别别和拉索索力力的优化等方方法，实现施施工与控制

21、之之间的良性循循环，最后达达到对主梁挠挠度和拉索索索力实行双控控的目标。990年代初已已推出了一套套施工控制分分析软件，该该软件分三个个系统，即按按施工阶段进进行的前进分分析系统、倒倒退分析各施施工阶段理想想状态系统以以及结合反馈馈控制的实时时跟踪分析系系统。所有这这些研究都为为中国的桥梁梁施工控制分分析做出了积积极的贡献。目目前国内桥梁梁施工控制大大多采用卡尔尔曼滤波法，该该法是在建立立现场量测系系统的前提下下，通过状态态方程，量测测方程的建立立，定义控制制指标，建立立最优随机控控制过程，在在斜拉桥施工工挠度控制方方面有明显效效果。卡尔曼曼滤波法在预预应力混凝土土刚构桥监测测监控中也取取得了

22、成功，重重庆黄花园嘉嘉陵江大桥的的施工控制即即采用卡尔曼曼滤波一步预预测法，实现现了施工控制制的目标。但但卡尔曼滤波波法的控制变变量与状态变变量之间为线线性关系模型型，与桥梁实实际施工效应应模型存在一一定的差异，在在实用上还存存在一定的局局限性。 灰灰色系统理论论近年来在经经济、水利、气气象、军事等等领域得到广广泛应用，其其主要原因是是在理论上已已形成了以灰灰色空间为基基础的分析体体系，以灰色色模型GM为为主体的模型型体系，以灰灰过程及其生生成空间为基基础内涵的方方法体系，系系统分析、建建模、预测、决决策、 控制制、评估为纲纲的技术体系系，在桥梁的的施工控制中中也逐渐采用用。 1.3 连续梁梁

23、桥的施工控控制 1.3.1 连连续梁桥的施施工特点 大跨度预应力混混凝土梁桥常常用施工方法法即为悬臂施施工法。悬臂臂施工法是在在已建成的桥桥墩上沿桥墩墩跨径方向对对称地逐段施施工的方法。结结构的上部梁梁体在墩上向向两边平衡悬悬臂施工，先先形成一个TT字型悬臂结结构，相邻的的两个T字型型悬臂在跨中中用预应力钢钢筋和现浇混混凝土区段连连成整体。悬悬臂施工的必必要条件是在在施工过程中中需要墩与梁梁固结，桥墩墩要承受施工工产生的不平平衡弯矩。悬悬臂施工法通通常分为悬臂臂浇注和悬臂臂拼装两类。 大跨径预应应力混凝土悬悬臂梁桥、连连续梁桥、TT 型刚构桥桥、连续刚构构桥多采用悬悬臂浇注法施施工，悬臂浇浇注

24、施工中挂挂篮是主要的的施工设备，其其构造图如图图 1-1 所示。 悬悬臂浇注法施施工顺序大致致可分为以下下几个主要步步骤：1) 墩顶处搭设设临时支架，在支架上现浇少数梁段作为拼装挂篮的场地。2) 拼装挂篮，在挂篮上悬臂浇筑其余各梁段，逐段进行。3) 在支架上浇筑边跨现浇段，按设计合拢顺序合拢。采用挂篮悬臂浇浇筑法施工时时，影响施工工进度的一个个主要因素是是现浇梁段的的混凝土强度度增长速度缓缓慢，一般每每阶段的施工工周期为 66-10 天天，尤其是在在气温较低的的地区施工，工工期长的问题题就更为突出出。图1-1悬臂浇浇筑施工示意意图60 年代，在在法国首先出出现了悬臂拼拼装施工法(见图 1-2)

25、。悬臂臂拼装施工法法，就是首先先在预制场地地将主梁分阶阶段预制好，待待梁段达到规规定强度要求求后，再将预预制好的梁段段依次运至吊吊装现场；随随后逐阶段地地用吊机将预预制块件在桥桥墩两侧对称称起吊、安装装就位后，张张拉预应力钢钢筋；如此反反复操作，使使主梁悬臂不不断伸长，直直至合拢。概概括地讲，悬悬臂拼装施工工的基本工序序是：梁段分分段预制；移移位、堆放和和运输；梁段段依次起吊、拼拼装；穿预应应力束、施加加预应力。图1-2悬臂拼拼装施工示意意图悬臂施工法施工工最大的优点点就是桥跨间间不需要搭设设支架，施工工时不占用河河道、不影响响桥下交通，同同时使用的施施工机具设备备也较少，而而且在施工过过程中

26、可以比比较方便地根根据具体需要要来调整主梁梁标高。在整整个施工过程程中，施工机机具和人员等等重量均全部部由已建梁段段承受，随着着施工的进展展，悬臂逐渐渐延伸，机具具设备也逐步步移至梁端，不不需用支架支支撑。所以悬悬臂施工法可可以应用于通通航河流、深深谷或跨线立立交等大跨径径桥梁。预应应力混凝土悬悬臂梁桥、连连续梁桥、TT 型刚构桥桥、连续刚构构桥等桥梁均均充分利用了了预应力混凝凝土承受正、负负弯距能力强强的特点，将将主梁跨中较较大正弯距的的一部分转移移为主梁支点点(即墩顶处处)负弯距，并并根据主梁截截面的受力需需要将主梁沿沿跨径方向设设计成变截面面的形式，不不仅省材且能能提高跨越能能力。悬臂施

27、施工法能保证证整个施工过过程中墩顶处处主梁仅承受受负弯距，无无需使主梁在在施工和成桥桥阶段经受复复杂的体系转转换过程，且且悬臂现浇能能方便的满足足变截面的施施工要求；此此外，采用悬悬臂施工法可可以多孔桥跨跨结构同时施施工，施工中中所用的悬拼拼吊机或挂篮篮设备均可重重复使用，从从而加快施工工进度，且施施工费用较省省，使得工程程总造价降低低。 1.3.2 连连续梁桥施工工控制的重要要性事实上，任何桥桥梁的施工，特特别是大跨径径桥梁的施工工，都是一个个系统工程。在在该系统中，设设计图只是目目标，而在自自开工到竣工工整个为实现现设计目标而而必需经历的的过程中，将将受到许多确确定和不确定定因素(误差差)

28、的影响，包包括设计计算算、所用材料料性能、施工工精度、荷载载、大气温度度等诸多方面面在理想状态态与实际状态态之间存在的的差异，施工工中如何从各各种受误差影影响而失真的的参数中找出出相对真实之之值，对施工工状态进行实实时识别(监监测)、调整整(纠偏)、预预测，对设计计目标的实现现是至关重要要的。悬臂浇浇筑施工方法法的采用，促促进了大跨度度桥梁的建设设，但是，该该方法的采用用，又给施工工带来许多问问题。采用该该法施工过程程中，一般存存在着力学体体系转换问题题，因此施工工中应及时调调整所施加的的预应力来适适应这一转换换，并因体系系转换及其它它因素引起的的次内力，必必然给桥梁结结构带来较为为复杂的内力

29、力和位移变化化，为了保证证桥梁施工质质量和桥梁施施工安全，桥桥梁施工控制制是必不可少少的。 (1)桥梁施工工控制是确保保桥梁施工质质量的关键。实实际上，桥梁梁施工控制早早在以前的施施工过程中，就就已被人们采采用，例如钢钢桁梁的悬臂臂架设，为使使架设的各杆杆件最终满足足设计标高，设设计者采用预预设拱度的方方法解决，即即将先架设的的节点预先抬抬高来考虑后后架设阶段的的影响。由于于钢材的匀质质性和制造尺尺寸的准确性性，预设拱度度的方法在钢钢桁梁悬臂拼拼装过程中是是较为成功的的方法。但是是，悬臂施工工方法应用在在非匀质的混混凝土连续梁梁桥中就不那那么简单。因因为混凝土桥桥除了本身材材料是非匀质质材料和

30、材质质特性不稳定定外，它还要要受温度、湿湿度、时间等等因素的影响响，加上采用用悬臂施工方方法，各阶段段混凝 土相相互影响，且且这种相互影影响又有差异异，由此这些些影响因素必必然造成各阶阶段的内力和和 位移随着着混凝土浇筑筑或块件拼装装过程变化而而偏离设计值值。为了保证证施工质量，必必需要对整个个建桥施工过过程进行严格格的控制。也也可以说，桥桥梁施工控制制是桥梁建设设质量的保 证。衡量一一座桥梁的质质量标准就是是要保证已成成桥的线形以以及受力状态态符合设计要要求。对于桥桥梁下部结构构，只要基础础埋置深度和和尺寸以及墩墩台尺寸准确确就能达到标标准，容易检检查和控制，而而对采用多工工序，多阶段段悬臂

31、施工的的大跨度桥梁梁的上部结构构而言，要求求结构内力和和标高的最终终状态符合设设计要求，就就不那么容易易了。比如，预预应力混凝土土梁桥在悬臂臂浇筑1号块块件时，如预预抛高设置不不准，可能影影响到以后各各阶段和合拢拢标高以及全全桥的线形。我我国借鉴国外外经验，在很很多桥梁的建建设过程中，注注意到施工控控制的重要性性，只是对这这个问题解决决上还存在差差异，有个别别桥梁施工完完成后线形不不够理想。比比 如有座 210m+200m 跨径的单塔塔单索面斜拉拉桥，在施工工中采用劲性性骨架悬臂浇浇注主梁，浇浇注主梁时通通过水箱放水水减载与浇筑筑的混凝土重重力相平衡，以以此保持设计计线形，理论论上是完善的的，

32、但由于主主梁分边箱和和中箱两次浇浇筑，施工顺顺序除纵向分分阶段外，横横向又分两次次完成，工序序太多，不容容易控制，所所以造成该桥桥完工后，主主梁外观呈波波浪形，在桥桥面行车时更更为明显，不不但影响行车车舒适，也造造成外观缺憾憾。而各斜拉拉索受力是否否设计要求，就就更不得而知知了。从而再再次说明了，为为了建设质量量高、外形美美观的桥梁， 施工控制是是绝对不可少少的。(2)桥梁施工工控制又是桥桥梁建设的安安全保证。为为了安全可靠靠的建好每座座桥，施工控控制将变得非非常重要。当当发现施工过过程中的监测测值与计算的的预计值相差差过大时，就就要进行检查查和分析原因因，而不能再再继续进行施施工，否则，将将

33、可能出现事事故。这方面面的实例太多多，例如，跨跨径 5488.64 米米的加拿大魁魁北克桥就是是因为在施工工中出现两次次事故而闻名名于世。该桥桥采用悬臂拼拼装法施工，当当南侧锚碇桁桁架快架完时时，突然崩塌塌坠落，原因因是悬出的桁桁架太长(悬悬臂长 1776.8 米米)，因此，靠靠近中墩处下下弦杆受压力力过大，致使使下弦杆腹板板失去稳定而而引起全桁架架严重破坏。尽尽管造成事故故的原因是设设计问题，但但若当时采用用了施工控制制手段，在内内力较大的杆杆件中布置监监控测点，当当发现异常现现象时，及时时停工检查，也也就不会发生生突然崩塌事事故。由此可可知，为避免免突发事故的的出现，按时时安全的建成成一座

34、桥，施施工控制是有有力的保证。也也可以说，桥桥梁施工控制制系统就是桥桥梁建设的安安全系统。 (3)施工控制制不仅是建桥桥中的安全系系统，也是桥桥梁营运中的的安全性和耐耐久性的综合合监测系统。随随着交通事业业的发展，荷荷载等级、交交通流量、行行车速度等必必然提高，还还有一些不可可预测的自然然破坏力也将将危及桥梁的的安全，若在在建设桥梁时时进行了施工工控制，并预预留长期观测测点，将会给给桥梁创造终终身安全监测测的条件，从从而给桥梁营营运阶段的养养护工作提供供科学的、可可靠的数据，给给桥梁安全使使用提供可靠靠保证。这方方面的反面事事例在工程界界是存在的。比比如韩国圣水水桥，于19994年100月突然

35、在中中跨断塌500米，其中115米掉入江江中，造成332人死亡，117人重伤的的重大事故，据据称造成该桥桥在行车高峰峰期突然断裂裂的原因是该该桥长期超负负荷运行，钢钢桁梁螺栓和和杆件疲劳破破坏所致。又又如我国广州州海印大桥，因因斜拉索的防防护措施不够够完善、可靠靠，造成斜拉拉索超应力，只只使用几年就就突然断裂，创创造了世界损损桥年限最短短的记录，不不但造成重大大经济损失，而而且也带来不不良的社会影影响。以上实实例说明，对对于桥梁的营营运阶段仍然然急需维护，而而不是目前只只靠外观检查查等简单手段段，得到粗略略的依据进行行不切要害的的养护。要彻彻底改变目前前我国桥梁养养护部门的现现状，科学的的、较

36、为主动动的预报桥梁梁各部位营运运情况，必需需在桥梁施工工中建立施工工控制系统，并并使其能长期期对桥梁营运运阶段进行监监测，这样才才能确保这些些耗资巨大、与与国计民生密密切相关的大大桥的安全耐耐久。由此可可见，桥梁施施工控制是现现代桥梁建设设的必然趋势势。 1.3.3 连连续梁桥施工工控制的内容容 预应力混凝土连连续梁桥的施施工控制包括括两个方面的的内容：线形形控制和内力力控制。桥梁梁结构线形控控制是施工控控制的基本要要求，线形控控制就是严格格控制每一阶阶段箱梁的竖竖向挠度及其其横向位移，若若有偏差并且且偏差较大时时，就必须立立即进行误差差分析并确定定调整方法，为为下一阶段更更为精确的施施工做好

37、准备备工作。内力力控制则是控控制主梁在施施工过程中以以及成桥后的的应力，尤其其是合拢时的的应力控制，使使其不致过大大而偏于不安安全，甚至在在施工过程中中造成主梁破破坏。由于连连续梁桥在施施工过程中的的已成结构状状态是无法事事后调整的，所所以，施工成成败的关键在在于临时锚固固的可靠性，施施工过程中的的应力、应变变与标高满足足要求以及体体系转换的实实施。连续梁梁桥施工控制制主要采用预预测控制法。连连续梁桥施工工控制主要体体现在施工控控制模拟结构构分析、施工工监测(包括括结构变形与与应力监测等等)、施工误误差分析以及及后续施工状状态预测几个个方面。 1.4 本课题题的研究内容容和目标 目前，国内对桥

38、桥梁施工控制制理论与方法法研究已经越越来越完善，我我们在此基础础上，用计算算仿真技术对对影响预应力力混凝土梁桥桥施工控制的的主要因素做做了进一步分分析，更加深深入了解连续续梁桥施工控控制技术。2 预应力混凝凝土梁桥施工工控制的理论论、方法2.1 桥梁施施工控制的方方法 桥梁施工控制是是以现代控制制论为理论基基础，为满足足现代桥梁建建设需要而发发展起来的。桥桥梁施工控制制的主要任务务就是桥梁施施工过程的安安全控制、桥桥梁结构线形形与内力状态态控制。根据据桥梁结构形形式、施工特特点及具体控控制内容的不不同，其施工工控制方法也也有差异。具具体来讲，桥桥梁施工控制制可分为预测测控制法、事事后控制法、自

39、自适应控制法法、最大宽容容度法等。 2.1.1 预预测控制法 预测控制法是指指在全面考虑虑影响桥梁结结构状态的各各种因素和施施工所要达到到的目标后，对对结构的一个个施工阶段(节段)形成成前后的状态态进行预测，使使施工沿着预预定状态进行行。由于预测测状态与实际际状态间免不不了误差存在在，某种误差差对施工目标标的影响则在在后续施工状状态的预测予予以考虑，以以此循环，直直到施工完成成、获得与设设计相符合的的结构状态。这这种方法适用用于所有桥梁梁，对于悬臂臂施工的预应应力混凝土连连续梁桥，由由于其已成节节段的状态(内力、标高高)无法调整整，只能对施施工节段预测测状态进行改改变，使得该该方法成为唯唯一选

40、择。预预测方法常见见的有卡尔曼曼(Kalmman)滤波波法、灰色理理论法等。 2.1.2 事事后调整控制制法 事后调整控制法法是指在施工工中，当已成成结构状态与与设计要求不不符时，即可可通过一定手手段对其进行行调整，使之之达到要求。这这种方法仅适适用于那些结结构内力与线线形能够调整整的情况。事事后调整根据据具体情况又又分为两种：(1)在施工过程程中每个施工工阶段完成后后，当发现结结构状态与设设计不符时，即即可通过调整整斜拉索力来来调整结构状状态，然后继继续施工，直直到施工完成成。这种方法法工作量大，并并且索力调整整本身也很罗罗嗦，调整效效果不一定很很好。(2)在桥梁结构构形成后，检检查结构状态

41、态，如果与设设计不符，则则可对斜拉索索力进行一次次性调整。这这种方法理论论上是可行的的，但其实施施较困难。因因为对施工过过程中的结构构内力状态不不清楚，容易易出现安全事事故，且最终终线形往往难难以达到理想想状态。 2.1.3 自自适应控制法法 它是指在控制开开始时，控制制系统的某些些设计参数与与实际情况不不完全相符，系系统不能按设设计要求得到到符合实际的的输出结果，但但是，在系统统的运行过程程中，通过系系统识别或参参数估计，不不断地修正参参数，使设计计输出与实际际输出相符，从从而实际问题题得到控制。 2.1.4 最最大宽容度法法 还有一种方法是是在设计时给给予主梁标高高和内力最大大的宽容度，即

42、即误差的容许许值。如香港港某斜拉桥主主梁线形设计计的宽容度达达15cm，当当然对于每一一阶段误差也也 有限制。这这种做法减少少了控制难度度，但也会产产生其它问题题，如斜拉索索的制作长度度问题等。 2.2 桥梁施施工控制结构构计算方法 施工控制中的结结构计算方法法不仅能对整整个施工过程程进行描述，反反映整个施工工过程中结构构的受力行为为，而且还能能确定结构各各个阶段的理理想状态，为为施工提供中中间目标状态态。现阶段施施工控制中桥桥梁结构的计计算方法主要要包括：正装装计算法、倒倒装计算法和和无应力状态态法。 2.2.1 正正装计算法 正装计算法又称称为前进分析析法。该法是是按照桥梁结结构实际施工工

43、加载顺序来来进行结构变变形和受力分分析，它能较较好地模拟桥桥梁结构的实实际施工历程程，能得到桥桥梁结构在各各个施工阶段段的位移和受受力状态。同同时，正装计计算法能较好好地考虑一些些与桥梁结构构形成历程有有关的影响因因素：如结构构非线性、混混凝土徐变、收收缩等。时差差效应在各施施工阶段中逐逐步计入，计计算过程中，将将以前各施工工阶段受力状状态作为本阶阶段结构时差差、非线性计计算的基础，前前一阶段结构构位移作为本本阶段确定结结构轴线的基基础，计算时时对施工阶段段循环进行，循循环结束时分分析结果为成成桥若干年后后结构的受力力状态。正装装计算法不仅仅可以为成桥桥结构的受力力提供较为精精确的结果，为为结

44、构强度、刚刚度验算提供供依据，而且且还可以为施施工阶段理想想状态的确定定，形成一个个描述结构状状态数据文件件，作为完成成桥梁结构施施工、控制的的基础。(流流程图见图 2-1)图2-1正装计计算法流程图图2.2.2 倒倒装计算法 正装计算法可以以按照设计好好的施工步骤骤进行各阶段段内力分析，但但由于分析中中结构节点坐坐标的迁移，最最终结构线形形不可能完全全满足设计线线形的要求。实实际施工中桥桥梁结构线形形的控制与强强度控制同样样重要，为了了使竣工后的的结构保持设设计线形，在在施工过程中中通常采用设设置预拱度的的方法。而对对于分段施工工的连续梁、斜斜拉桥、悬索索桥等复杂结结构，一般要要给出各个施施

45、工阶段结构构物控制点的的标高，这个个问题用正装装计算法难以以解决， 而而倒装计算法法可以解决这这一问题。倒装计算法也称称为倒拆法，是是施工控制计计算中广泛采采用的一种方方法。该方法法主要针对分分段施工等复复杂结构，能能给出各个施施工阶段结构构物控制点的的标高(预抛抛高)，以便便使结构最终终线形满足设设计要求。它它的基本思想想是：假定tt = t00时刻结构内内力满足正装装计算分析 t0时刻的的结果，线形形满足设计要要求；在此初初始状态下，按按照正装计算算的逆过程，对对结构进行倒倒拆，分析每每次拆除一个个施工阶段对对剩余结构的的影响，在一一个阶段内分分析 得到的的结构位移、内内力状态便是是该阶段

46、的理理想施工状态态。(流程图图见图 2-2) 倒装装计算法有一一定的局限性性，主要有以以下两方面：(1)对于几何非非线性十分明明显的大跨度度桥梁如：斜斜拉桥，尤其其是悬索桥，由由于缆索非线线性影响，按按倒装法的结结果进行正装装施工，桥梁梁结构将偏离离预定的成桥桥状态。(2)由于倒装计计算的顺序是是结构形成历历程的逆过程程，所以在分分析过程中考考虑结构时差差效应影响是是困难的，原原则上讲，倒倒装计算无法法进行混凝土土的收缩、徐徐变计算。图2-2倒装计计算法流程图图2.2.3 无无应力状态法法 无应力状态法就就是找出一种种相对稳定或或恒定不变的的量建立起各各施工阶段中中间状态与成成桥状态之间间的联

47、系。设设想将一座已已建成的桥梁梁结构解体，结结构中各构件件或单元的无无应力长度和和曲率是一个个确定的值，在在桥梁结构施施工中或建成成后，不论结结构温度如何何变化，如何何位移，以及及如何加载，即即在任何受力力状态下，各各构件或单元元的无应力长长 度和曲率率恒定不变，只只是构件有应应力长度和曲曲率不相同而而已。根据构构件或单元的的无应力长度度和曲率保持持不变的原理理进行结构状状态分析的方方法叫无应力力状态法。 桥梁结构无无应力状态只只是一个数学学目标，通过过它将结构安安装的中间状状态和终结状状态之间联系系起来，为分分析结构各种种受力状态提提供了一种有有效的方法。 2.3 桥梁施施工控制结构构分析方

48、法2.3.1 有有限元法有限元法是随着着计算机的发发展以及为适适应复杂的结结构分析需要要而发展起来来的一种有效效的数值分析析方法。采用有限元法进进行施工控制制中的结构分分析计算与通通常的结构分分析计算一样样，首先要建建立数据文件件。一般分为为四步：1)桥梁结构的的模型化，将将实际结构理理想化为有限限个单元的集集合。计算模模型建立的正正确与否是保保证计算分析析结果的关键键，其中，根根据结构的受受力特性与工工作行为选择择恰当的单元元形式来模拟拟实际结构以以及选择正确确的约束模拟拟形式尤为重重要。2)桥梁结构的的离散化，桥桥梁结构的离离散化就是在在模型化处理理后，将结构构离散为带有有有限个自由由度的

49、结构。单单元大小与节节点位置确定定应充分考虑虑结构受力情情况与施工单单元的划分。3)按所用软件件的输入要求求形成数据文文件。4)检查、校正正数据文件，计计算模型最终终体现为数据据文件，数据据文件正确方方能保证计算算模型的正确确，乃至才能能保证计算结结果的正确性性。其次，运行分析析软件。最后，对分析结结果进行分析析和处理。2.3.2 解解析法解析法也是是一种结构方方法。用解析析法对于一般般的复杂结构构是难以实现现的，而对于于悬索桥施工工过程模拟结结构分析采用用基于恒定无无应力索长发发展的解析法法则不失为一一种较好的方方法。2.4 桥梁施施工控制误差差调整理论与与方法桥梁施工控制采采用的理论和和方

50、法主要有有：设计参数数识别和调整整、kalmman滤波法法、灰色理论论法和最小二二乘法等。下下面对国内桥桥梁监控中常常用的几种误误差调整方法法介绍如下。 2.4.1 卡卡尔曼(Kaalman)滤波法 Kalman 滤波法是美美国学者 RR.E.Kaalman 于 19660 年首先先提出的，他他将状态空间间的概念引入入到随机估计计理论中来，把把信号过程视视为在白噪声声作用下的一一个线性系统统的输出，这这种输入输出出关系用状态态方程来描述述。Kalmman 借助助于当时数字字计算机发展展的成果，将将概率论和数数理统计领域域的成果用于于求解滤波估估计问题，提提出了这种新新的线性递推推滤波方法。Ka

51、lman滤波法最早应用是在动态系统中，主要有离散线性系统的Kalman 滤波法和连续线性系统的Kalman 滤波法。在桥梁的施工控制中，结构的状态均是用离散的数据序列表示(如某些测点的标高、某些断面的应力等)，所以一般用离散线性系统的Kalman滤波法。在国内据有关资料报道，在最近20年里，Kalman 滤波法集中地应用于斜拉桥的施工控制中，并取得了较好的效果。从近几年的工程实践来看，在多阶段悬臂施工的大跨度桥梁施工控制中，Kalman 滤波原理可以用来预测和调整施工误差。关于Kalman滤波法在大跨度桥梁施工控制中的应用，在以下几个方面还有待 进一步的研究。(1)Kalman 滤波原理在非线

52、性离散型系统中的算法还有待进一步的研究；(2)将Kalman 滤波原理应用于设计参数的辨识和修正方面，还有待于工程实践的检验； (3)如何提高Kalman 滤波法在少数据系统中的精度还要做进一步的研究；(4)在国内现现阶段的桥梁梁施工控制中中，主要以标标高控制为主主，这主要是是因为标高的的观测容易，也也较稳定，所所以在Kallman滤波状态方方程中以位移移状态变量。但但是，桥梁结结构受力状态态的控制也同同样重要，如如何以结构内内力状态变量量来建立状态态方程和量测测方程，是今今后进一步研研究的课题。(5)在施工控控制软件方面面还需做大量量的工作。2.4.2 灰灰色系统理论论预测法 客观世界是物质

53、质的世界，也也是信息的世世界。我们称称信息完全明明确的系统为为白色系统，而而信息完全不不明确的系统统为黑色系统统，信息部分分明确、部分分不明确的系系统为灰色系系统。在灰色色系统理论中中，“差异信息原原理”、“解的非唯一一性原理”、“灰性不灭原原理”、“新信息优先先原理”是灰色系统统的基本原理理，“认知模式”是灰色系统统的基本模式式，“少数据建模模”是灰色系统统理论的重要要特点。灰色色系统理论是是我国邓聚龙龙教授于19982年首先先提出的，他他写的灰色色控制系统是是灰色系统理理论的奠基性性著作。从11982年第第一篇灰色系系统论文发表表以来的200余年里，灰灰色系统理论论在基础理论论、应用等方方

54、面均有较大大的发展，灰灰色系统理论论已广泛应用用于农业、经经济、医疗、生生态、军事、交交通、工业控控制、工程技技术等许多领领域。(2)灰色系统理理论在桥梁施施工控制中的的应用20世世纪90年代代初期，灰色色系统理论开开始应用在大大跨度刚构桥桥的施工控制制中，在斜拉拉桥施工控制制中的应用也也有报道。在在国内，灰色色系统理论在在桥梁施工控控制中的应用用还处于研究究的初期阶段段。如何将灰灰色系统理论论更好地应用用于桥梁施工工控制之中，还还需要做大量量的研究工作作。 2.4.3 2.44.3 最小小二乘法 最小二乘法始于于 17955 年。当时时发明者 KK. F. Gausss 叙述了它它的基本概念

55、念，并把它应应用于天文计计算的实践中中去。他指出出，对于未知知的但要求估估计的参数的的最适宜的值值是最可能的的值。他定义义“未知量的最最可能值是这这样的一个值值，它使得实实践值与计算算值的差的平平方乘以测量量精度后所求求得的和最小小”。后来，在在控制系统的的参数估计领领域内也采用用了这种方法法。在 200 世纪600年代，瑞典典学者 K. J. AAstromm 把这个方方法用于动态态系统的辨识识中，并取得得了许多成果果。最小二乘乘法在我国桥桥梁工程中的的应用始于220世纪800 年代后期期，有许多知知名学者将它它应用在斜拉拉桥的施工控控制中，并取取得了较好的的成果。最小小二乘法一种种传统的优

56、化化方法，它的的理论体系和和计算方法都都比较完善，在在桥梁的施工工控制中，主主要用于设计计参数的辨识识和修正，在在这方面的应应用己有不少少成功的报道道。但是，如如何保证设计计参数的估计计值收敛于它它的真值是最最小二乘法应应用的关键，在在这方面还需需要做进一步步的研究。 以上介绍的的各种方法都都有其缺点和和应用范围，存存在的难题有有待进一步解解决。在连续续梁桥的施工工控制过程中中，如何充分分地利用这些些方法的优秀秀成果，提高高施工控制的的精度，提出出更先进的控控制与预测方方法是急需解解决的问题。3仿真控制施工工过程3.1 Anssys软件的的基本介绍Ansys软件件是融结构、液液体、电场、磁磁场

57、、声场分分析于一体的的大型通用有有限元软件。由由世界上最大大的有限元分分析软件公司司之一的美国国Ansyss开发，它能能与多数CAAD软件接口口，实现数据据的共享和交交换，如Prro/Enggingeeer、Nastrran、alogoor、AutoCCAD等，是是现在产品设设计中的高级级CAE工具之之一。软件主主要包括三个个部分：前处处理模块、分分析计算模块块和后处理模模块。前处理理模块提供了了一个强大的的实体建模及及网格划分工工具，用户可可以方便地构构造有限元模模型；分析计计算模块包括括结构分析(可进行线性性分析、非线线性分析和高高度非线性分分析)、流动动动力学分析析、电磁场分分析、声场分

58、分析、电压分分析以及多物物理场的耦合合分析，可模模拟多种物理理介质的相互互作用，具有有灵敏度分析析及优化分析析能力；后处处理可将计算算结果以彩色色等值线显示示、梯度显示示、矢量显示示、粒子流迹迹显示、立体体切片显示、透透明及半透明明显示(可看看到结构内部部)等图形方方式显示出来来，也可将计计算结果以图图表、曲线形形式显示或输输出。软件提提供了2000种以上的单单元类型，用用来模拟工程程中的各种结结构和材料。该该软件有多种种不同版本，可可以运行在从从个人机到大大型机，如PPC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等的的多种计算机机设备上。Ansys分析析的三个主要要步骤：前处处理(Pr

59、eeproceessor)、求解(SSolutiion)、后后处理(Geenerall Posttproc)。3.2 材料选选择3.2.1 SSOLID665混凝土单单元ANSYS的SSOLID665单元是专专为混凝土、岩岩石等抗压能能力远大于抗抗拉能力的非非均匀材料开开发的单元。它它可以模拟混混凝土中的加加强钢筋，以以及材料的拉拉裂和压溃现现象。Solid655分析的核心心问题是:正正确设定参数数，确保计算算收敛。Solid655单元的使用用方法：实参参数定义配筋筋的材性及其其他参数；材材料模型初始始弹性模量，泊泊松比，密度度；数据表定定义本构关系系和破坏准则则。Solid655的破坏准则则

60、:采用Willlam&Waarnke五五参数破坏准准则。需要定义参参数：单轴抗抗拉强度，单单轴、双轴抗抗压强度，围围压压力，在在围压作用下下的双轴、单轴抗压强强度。Solid655单元的本构构关系：等强强硬化模型(Multiinlineear Issotroppic Haardeniing)；随随动硬化模型型(Multtilineear Kiinemattic Haardeniing)；DDP模型(DDruckeer-Praager)理想的弹塑塑模型。Solid655单元的实常常数定义：SSOLID665单元模型型(图3-11)，SOLLID65实实常数：MAAT1, VVR1, TTHETA