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○○一年 五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最优控制——目前尚不适用于施工控制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Sakai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是不断变化的系统的维数也在变二.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：自适应控控制是目前适用于于循环施工桥梁最最理想的方法，最最优控制不适用于于桥梁三.自适应施工控制系系统要素1.确定理想状态计算算方法确定理想状态的计计算方法确定成桥理想状态态确定施工步骤的控控制目标确定成桥理想状态态内部静定结构———连续梁、拱、吊吊桥结构尺寸、施工方方法确定后内力状状态随之唯一确定定内部超静定结构———斜拉桥、组合合拱同样的结构、同样样的施工方法，不不同索力（吊杆力力）可以获得不同同内力状态最优问题——内力力最小、应力最小小、弯曲能量最小小、材料最省、造造价最省确定性问题——刚刚性支承连续梁最优成桥状态确定定算法影响方程约束条件优化目标方程弯矩最小求斜拉桥桥最优索力斜索体系是的拉索索以未知索力Ti代替；简化后的平平面框架结构中，，目标函数为：Ti——第i号索力；；——Ti=1时的结构弯矩矩；Mp(s)——恒载作用下下的结构弯矩。杆系有限元程序中中的处理方法杆端力影响矩阵{ML}={MLo}+[CL]{T}{MR}={MRo}+[CR]{T}其中：{ML}、{MR}分别是单元在在左、右端杆端力力向量{MLo}、{MRo}由初始索力引起起的杆端力向量{T}是待求的索索力修正量[CL]、[CR]就是{T}对{ML}，{MR}的影响矩阵确定施工目标的计计算方法倒拆法无法考虑徐变某些步骤构造上无无法实现倒拆、正装综合法法叠代不一定能收敛敛无应力状态法适用于钢桥的构件件预制不能确定每个施工工阶段的状态需要多次调索确定施工目标的计计算方法简化做法施工阶段斜拉索索索力等于节段重量量的一半加施工机机具重量按照上述索力进行行正装模拟计算，，局部调整索力标高按模拟计算结结果设预拱度缺点——施工状态态与成桥理想状态态脱节2.施工过程模拟计算算施工过程模拟计算算计算程序——有限限元程序我国：平面杆系程程序国外：空间计算程程序开始应用考虑的因素模拟施工构件的安安装及拆除过程各种线形预应力钢钢筋的张拉过程不同预制龄期、加加载龄期下构件的的收缩徐变结构的非线性因素素温度影响3.最优控制调整量计计算最优控制调整量计计算控制目标——应力力、标高调整手段——索力力、预应力、标高高计算思路——优化化方法优化目标——残余余误差最小、能量量最小、调整的功功最小约束条件——调整整必须在材料强度度允许范围内、残残余误差在允许范范围内优化计算原理影响方程约束条件优化目标方程线性优化方法影响方程优化目标方程非线性优化方法影响方程优化目标方程约束条件位移残差最小索力残差最小4.计算模型参数估计计算模型参数估计算法待估计参数——构构件重量、刚度、、徐变系数、预应应力损失计算思路———优化方方法测量变量———索力、、标高、应应力优化目标———误差最最小约束条件———参数在在物理常识识范围内参数估计计计算原理影响方程优化目标方程约束条件参数估计方方法分类一类是基于于误差最小小化的算法法，如最小小二乘法一类是基于于状态估计计理论的算算法，如扩扩展卡尔曼曼滤波法存在的问题题：参数的灵敏敏度不高测量数据不不够参数估计的的变量分离离测量时刻选选定1.挂篮移移动定位立立模前的时时刻；2.挂篮移移动定位立立模后的时时刻；3.节段混混凝土浇筑筑前的时刻刻；4.节段混混凝土浇筑筑后的时刻刻；5.张拉斜斜拉索前的的时刻；6.张拉斜斜拉索后的的时刻；弹性模量混凝土超重重索力误差5.测量系系统待测量变量量标高——激激光束、连连通管、垂度——激激光束索力——随随机振动法法应力——钢钢弦应力计计自动测量系系统自适应施工工控制系统统流程四.不同类类型桥梁控控制特点自适应控制制方法、反反馈控制方方法只适用用于有循环环的节段施施工方法即使采用节节段施工，，不同桥型型也有不同同特点，必必须采用不不同的对策策1.悬臂浇浇筑混凝土土斜拉桥施工特点：：结构参数的的准确性较较差，而且且要等到节节段施工完完成后才能能确定主梁的刚度度较大，节节段的局部部变形很小小，索力调调整对局部部线形的调调整作用很很小调整范围受受到混凝土土应力的限限制挂篮刚度对对局部变形形有较大影影响，长挂挂篮在混凝凝土浇筑节节段参与结结构受力未施工节段段的立模标标高可以任任意确定，，与已浇筑筑梁段无关关悬臂浇筑混混凝土斜拉拉桥控制对对策1．对于已已建成梁段段的线形误误差在一定定程度上可可以通过斜斜拉索索力力的调整来来纠正，但但是，由于于主梁刚度度较大，不不可能通过过索力调整整纠正所有有误差。残残余的误差差可以通过过下一节段段的立模标标高来调整整。2．及时识识别误差产产生的原因因，估计计计算程序参参数的实际际值，主要要是混凝土土的弹性模模量、材料料的比重、、徐变系数数等，重新新计算未浇浇筑梁段的的预拱度，，修改施工工阶段索力力及相应的的标高目标标值，避免免出现新的的误差。悬臂浇筑混混凝土斜拉拉桥控制对对策3．由于立立模标高可可以随时调调整，索力力值应该作作为控制的的依据，某某节段标高高只要控制制在允许范范围之内即即可认为满满足要求。。如果索力力到达设计计值时标高高同时达到到预计值，，说明计算算模型与实实际结构是是吻合的，，否则，说说明两者之之间存在差差异，必须须对参数进进行重新估估计。4．挂篮刚刚度只影响响正在浇筑筑的梁段标标高，但由由此引起的的误差将永永远存在于于主梁线形形中，必须须考虑钢筋筋骨架对挂挂篮刚度的的影响。自适应控制制思路在瓯瓯江二桥施施工控制制中的应用用工程概况瓯江二桥计计算工况表表控制目标控制的最终终目标是：：使成桥后后的线形与与设计线形形所有各点点的误差均均控制在4厘米范围围之内，且且斜拉索索索力与设设计值的误误差控制在在5%范围围之内。每一施工步步骤中的误误差控制水水平：斜拉索张拉拉索力与理理论预报值值的相对误误差应控制制在2%以内；挂篮定位标标高与预报报标高之差差控制在1厘米以内内；斜拉索张拉拉完后，如如梁端测点点标高与控控制预报标标高之差差超过4厘厘米，需研研究调整方方案，确定定索力调整整措施。观测变量为为：标高、、索力、塔塔顶水平位位移、主梁梁及塔身的的局部温度度场和应力力场；混凝凝土徐变系系数和弹性性模量测试试试验；在悬臂浇筑筑之前对挂挂篮进行了了现场预压压试验。控制措施：：斜拉索的的索力及梁梁段的立模模标高。测量值和控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吨施工中期（（4-12#节段））按预报值进进行正常施施工施工后期（（12#节节段以后））参数估计：：自重集度度估计调整预报值值：斜拉索索索力初始始值调回到到设计值控制结果全桥按照预预计的目标标合拢；全桥的线形除少少数节点外，所所有节点标高与与设计线形的误误差均在4厘米以内；除南塔边跨13、14#索因为边跨和中中跨发生了不不对称变形，在在施工过程中进进行了补张拉外外，斜拉索均是是在节段施工中中张拉到位合拢后只对两根根索由于上下游游索力有较大差差异进行了很小小的补张拉。2.悬臂拼装混混凝土斜拉桥施工特点：主梁每个节段的的定位标高受到到预制线形的限限制，只能通过过接缝间的契块块调节，余地很很小，全部节段的重量量在拼装前可以以预先获得，没有挂篮变形的的影响。悬臂拼装混凝土土斜拉桥控制对对策由于定位标高可可调余地较小，，拼装阶段的线线形应该作为控控制的主要依据据，如果标高到到达设计值时索索力同时达到预预计值，说明计计算模型与实际际结构是吻合的的，否则，说明明两者之间存在在差异，必须对对参数进行重新新估计。参数估计的对象象主要是主梁的的刚度及徐变系系数，在估计后后重新确定每阶阶段的张拉索力力。由于没有挂篮刚刚度及节段重量量误差，每节段段吊装完成时，，标高误差较小小，可以通过索索力调整来纠正正。3.结合梁斜拉拉桥施工特点：主梁的线形在钢钢梁预拼装阶段段已经完全确定定，现场拼装时时节段之间相对对位置几乎没有有调整的余地，，全部节段的重量量在拼装前可以以预先获得，拼装阶段钢梁刚刚度很小，索力力及荷载对标高高的影响非常明明显，钢梁的抗拉、抗抗压能力均较强强。结合梁斜拉桥控控制对策在确定施工控制制目标时，应充充分利用钢梁的的抗弯能力使混混凝土桥面板承承担较大压应力力。由于梁段间相对对位置不能调整整，某一梁段的的误差除影响本本节段外，误差差的趋势还将影影响以后的梁段段，因此，拼装装阶段的线形是是控制的主要目目标，必须在下下一节段拼装前前通过斜拉索索索力的调整来纠纠正已建成梁段段的线形误差，，而将索力控制制在一定误差范范围内。结合梁斜拉桥控控制对策参数估计的对象象对主要是主梁梁的刚度，特别别是已安装好桥桥面板但尚未形形成结合梁的梁梁段，此时的刚刚度实际上是处处于裸钢梁与结结合梁之间，需需要通过参数估估计算法来估计计。在参数估计后应应重新确定每阶阶段的张拉索力力，如果不进行行修正，则在以以后每个阶段施施工完成时索力力与标高均不能能同时达到控制制目标，从而每每次均需要标高高调整，这将大大大增加施工调调索工作量。由于线形的主要要靠索力调整来来保证，但是索索力调整必须在在梁体强度允许许的范围之内，，因此，必须分分析索力误差对对主梁应力的影影响，确保施工工应力控制在允允许范围之内。。4.悬臂施工混混凝土连续梁桥桥连续梁线形控制制与斜拉桥施工工控制不同之处处两者的控制目标标不完全相同。混凝土连续梁梁桥由于在悬臂臂施工阶段是静静定结构，合拢拢过程中如不施施加额外的压重重，成桥后内力力状态一般不会会偏离设计值很很多，因此连续续梁桥施工控制制的主要目标是是控制主梁的线线形。两者实施控制的的手段不相同。对于混凝土连连续梁桥，已施施工梁段上出现现误差时，只能能通过张拉预备备预应力束调整整，而这一调整整量是非常有限限的，因此，一一旦出现线形误误差，误差将永永远存在，只能能通过立模标高高消除已施工梁梁段的残余误差差，有时调整需需经过几个梁段段才能完成。混凝土连续梁桥桥控制对策参数估计及对计计算模型的修正正特别重要，只只有与实际施工工过程相吻合的的计算模型计算算出的预报标高高才是可实现的的，施工结果的的