橋梁施工控制

大跨度橋梁施工控制同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

二○○一年 五月使橋梁建成時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)確定的內(nèi)力狀態(tài)線形狀態(tài)靜定結(jié)構(gòu)——兩者完全分離超靜定結(jié)構(gòu)——兩者間有聯(lián)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橋梁線剛度較低，相對(duì)變形較大大跨度橋梁施工過(guò)程復(fù)雜，較多體系轉(zhuǎn)換大跨度橋梁施工步驟較多，材料、結(jié)構(gòu)尺寸、施工操作誤差的累計(jì)誤差較大斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范中把施工控制作為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的必要措施二.施工控制的思路開(kāi)環(huán)施工控制——適用于簡(jiǎn)單橋梁或非循環(huán)式施工橋梁反饋施工控制——適用于結(jié)構(gòu)參數(shù)比較穩(wěn)定的橋梁自適應(yīng)施工控制——適用于循環(huán)式施工橋梁最優(yōu)控制——目前尚不適用于施工控制1.開(kāi)環(huán)施工控制基本原理2.反饋施工控制基本原理日本橫濱海灣橋控制流程圖3.自適應(yīng)施工控制基本原理Sakai提出的斜拉橋施工控制系統(tǒng)流程4.最優(yōu)控制理論應(yīng)用的問(wèn)題離散系統(tǒng)方程控制目標(biāo)問(wèn)題——控制矩陣Pk,k-1是不斷變化的系統(tǒng)的維數(shù)也在變二.施工控制的思路開(kāi)環(huán)施工控制反饋施工控制自適應(yīng)施工控制最優(yōu)控制結(jié)論：自適應(yīng)控控制是目前適用于于循環(huán)施工橋梁最最理想的方法，最最優(yōu)控制不適用于于橋梁三.自適應(yīng)施工控制系系統(tǒng)要素1.確定理想狀態(tài)計(jì)算算方法確定理想狀態(tài)的計(jì)計(jì)算方法確定成橋理想狀態(tài)態(tài)確定施工步驟的控控制目標(biāo)確定成橋理想狀態(tài)態(tài)內(nèi)部靜定結(jié)構(gòu)———連續(xù)梁、拱、吊吊橋結(jié)構(gòu)尺寸、施工方方法確定后內(nèi)力狀狀態(tài)隨之唯一確定定內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)———斜拉橋、組合合拱同樣的結(jié)構(gòu)、同樣樣的施工方法，不不同索力（吊桿力力）可以獲得不同同內(nèi)力狀態(tài)最優(yōu)問(wèn)題——內(nèi)力力最小、應(yīng)力最小小、彎曲能量最小小、材料最省、造造價(jià)最省確定性問(wèn)題——?jiǎng)倓傂灾С羞B續(xù)梁最優(yōu)成橋狀態(tài)確定定算法影響方程約束條件優(yōu)化目標(biāo)方程彎矩最小求斜拉橋橋最優(yōu)索力斜索體系是的拉索索以未知索力Ti代替；簡(jiǎn)化后的平平面框架結(jié)構(gòu)中，，目標(biāo)函數(shù)為：Ti——第i號(hào)索力；；——Ti=1時(shí)的結(jié)構(gòu)彎矩矩；Mp(s)——恒載作用下下的結(jié)構(gòu)彎矩。桿系有限元程序中中的處理方法桿端力影響矩陣{ML}={MLo}+[CL]{T}{MR}={MRo}+[CR]{T}其中：{ML}、{MR}分別是單元在在左、右端桿端力力向量{MLo}、{MRo}由初始索力引起起的桿端力向量{T}是待求的索索力修正量[CL]、[CR]就是{T}對(duì){ML}，{MR}的影響矩陣確定施工目標(biāo)的計(jì)計(jì)算方法倒拆法無(wú)法考慮徐變某些步驟構(gòu)造上無(wú)無(wú)法實(shí)現(xiàn)倒拆、正裝綜合法法疊代不一定能收斂斂無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法適用于鋼橋的構(gòu)件件預(yù)制不能確定每個(gè)施工工階段的狀態(tài)需要多次調(diào)索確定施工目標(biāo)的計(jì)計(jì)算方法簡(jiǎn)化做法施工階段斜拉索索索力等于節(jié)段重量量的一半加施工機(jī)機(jī)具重量按照上述索力進(jìn)行行正裝模擬計(jì)算，，局部調(diào)整索力標(biāo)高按模擬計(jì)算結(jié)結(jié)果設(shè)預(yù)拱度缺點(diǎn)——施工狀態(tài)態(tài)與成橋理想狀態(tài)態(tài)脫節(jié)2.施工過(guò)程模擬計(jì)算算施工過(guò)程模擬計(jì)算算計(jì)算程序——有限限元程序我國(guó)：平面桿系程程序國(guó)外：空間計(jì)算程程序開(kāi)始應(yīng)用考慮的因素模擬施工構(gòu)件的安安裝及拆除過(guò)程各種線形預(yù)應(yīng)力鋼鋼筋的張拉過(guò)程不同預(yù)制齡期、加加載齡期下構(gòu)件的的收縮徐變結(jié)構(gòu)的非線性因素素溫度影響3.最優(yōu)控制調(diào)整量計(jì)計(jì)算最優(yōu)控制調(diào)整量計(jì)計(jì)算控制目標(biāo)——應(yīng)力力、標(biāo)高調(diào)整手段——索力力、預(yù)應(yīng)力、標(biāo)高高計(jì)算思路——優(yōu)化化方法優(yōu)化目標(biāo)——?dú)堄嘤嗾`差最小、能量量最小、調(diào)整的功功最小約束條件——調(diào)整整必須在材料強(qiáng)度度允許范圍內(nèi)、殘殘余誤差在允許范范圍內(nèi)優(yōu)化計(jì)算原理影響方程約束條件優(yōu)化目標(biāo)方程線性優(yōu)化方法影響方程優(yōu)化目標(biāo)方程非線性優(yōu)化方法影響方程優(yōu)化目標(biāo)方程約束條件位移殘差最小索力殘差最小4.計(jì)算模型參數(shù)估計(jì)計(jì)算模型參數(shù)估計(jì)算法待估計(jì)參數(shù)——構(gòu)構(gòu)件重量、剛度、、徐變系數(shù)、預(yù)應(yīng)應(yīng)力損失計(jì)算思路———優(yōu)化方方法測(cè)量變量———索力、、標(biāo)高、應(yīng)應(yīng)力優(yōu)化目標(biāo)———誤差最最小約束條件———參數(shù)在在物理常識(shí)識(shí)范圍內(nèi)參數(shù)估計(jì)計(jì)計(jì)算原理影響方程優(yōu)化目標(biāo)方程約束條件參數(shù)估計(jì)方方法分類(lèi)一類(lèi)是基于于誤差最小小化的算法法，如最小小二乘法一類(lèi)是基于于狀態(tài)估計(jì)計(jì)理論的算算法，如擴(kuò)擴(kuò)展卡爾曼曼濾波法存在的問(wèn)題題：參數(shù)的靈敏敏度不高測(cè)量數(shù)據(jù)不不夠參數(shù)估計(jì)的的變量分離離測(cè)量時(shí)刻選選定1.掛籃移移動(dòng)定位立立模前的時(shí)時(shí)刻；2.掛籃移移動(dòng)定位立立模后的時(shí)時(shí)刻；3.節(jié)段混混凝土澆筑筑前的時(shí)刻刻；4.節(jié)段混混凝土澆筑筑后的時(shí)刻刻；5.張拉斜斜拉索前的的時(shí)刻；6.張拉斜斜拉索后的的時(shí)刻；彈性模量混凝土超重重索力誤差5.測(cè)量系系統(tǒng)待測(cè)量變量量標(biāo)高——激激光束、連連通管、垂度——激激光束索力——隨隨機(jī)振動(dòng)法法應(yīng)力——鋼鋼弦應(yīng)力計(jì)計(jì)自動(dòng)測(cè)量系系統(tǒng)自適應(yīng)施工工控制系統(tǒng)統(tǒng)流程四.不同類(lèi)類(lèi)型橋梁控控制特點(diǎn)自適應(yīng)控制制方法、反反饋控制方方法只適用用于有循環(huán)環(huán)的節(jié)段施施工方法即使采用節(jié)節(jié)段施工，，不同橋型型也有不同同特點(diǎn)，必必須采用不不同的對(duì)策策1.懸臂澆澆筑混凝土土斜拉橋施工特點(diǎn)：：結(jié)構(gòu)參數(shù)的的準(zhǔn)確性較較差，而且且要等到節(jié)節(jié)段施工完完成后才能能確定主梁的剛度度較大，節(jié)節(jié)段的局部部變形很小小，索力調(diào)調(diào)整對(duì)局部部線形的調(diào)調(diào)整作用很很小調(diào)整范圍受受到混凝土土應(yīng)力的限限制掛籃剛度對(duì)對(duì)局部變形形有較大影影響，長(zhǎng)掛掛籃在混凝凝土澆筑節(jié)節(jié)段參與結(jié)結(jié)構(gòu)受力未施工節(jié)段段的立模標(biāo)標(biāo)高可以任任意確定，，與已澆筑筑梁段無(wú)關(guān)關(guān)懸臂澆筑混混凝土斜拉拉橋控制對(duì)對(duì)策1．對(duì)于已已建成梁段段的線形誤誤差在一定定程度上可可以通過(guò)斜斜拉索索力力的調(diào)整來(lái)來(lái)糾正，但但是，由于于主梁剛度度較大，不不可能通過(guò)過(guò)索力調(diào)整整糾正所有有誤差。殘殘余的誤差差可以通過(guò)過(guò)下一節(jié)段段的立模標(biāo)標(biāo)高來(lái)調(diào)整整。2．及時(shí)識(shí)識(shí)別誤差產(chǎn)產(chǎn)生的原因因，估計(jì)計(jì)計(jì)算程序參參數(shù)的實(shí)際際值，主要要是混凝土土的彈性模模量、材料料的比重、、徐變系數(shù)數(shù)等，重新新計(jì)算未澆澆筑梁段的的預(yù)拱度，，修改施工工階段索力力及相應(yīng)的的標(biāo)高目標(biāo)標(biāo)值，避免免出現(xiàn)新的的誤差。懸臂澆筑混混凝土斜拉拉橋控制對(duì)對(duì)策3．由于立立模標(biāo)高可可以隨時(shí)調(diào)調(diào)整，索力力值應(yīng)該作作為控制的的依據(jù)，某某節(jié)段標(biāo)高高只要控制制在允許范范圍之內(nèi)即即可認(rèn)為滿滿足要求。。如果索力力到達(dá)設(shè)計(jì)計(jì)值時(shí)標(biāo)高高同時(shí)達(dá)到到預(yù)計(jì)值，，說(shuō)明計(jì)算算模型與實(shí)實(shí)際結(jié)構(gòu)是是吻合的，，否則，說(shuō)說(shuō)明兩者之之間存在差差異，必須須對(duì)參數(shù)進(jìn)進(jìn)行重新估估計(jì)。4．掛籃剛剛度只影響響正在澆筑筑的梁段標(biāo)標(biāo)高，但由由此引起的的誤差將永永遠(yuǎn)存在于于主梁線形形中，必須須考慮鋼筋筋骨架對(duì)掛掛籃剛度的的影響。自適應(yīng)控制制思路在甌甌江二橋施施工控制制中的應(yīng)用用工程概況甌江二橋計(jì)計(jì)算工況表表控制目標(biāo)控制的最終終目標(biāo)是：：使成橋后后的線形與與設(shè)計(jì)線形形所有各點(diǎn)點(diǎn)的誤差均均控制在4厘米范圍圍之內(nèi)，且且斜拉索索索力與設(shè)設(shè)計(jì)值的誤誤差控制在在5%范圍圍之內(nèi)。每一施工步步驟中的誤誤差控制水水平：斜拉索張拉拉索力與理理論預(yù)報(bào)值值的相對(duì)誤誤差應(yīng)控制制在2%以內(nèi)；掛籃定位標(biāo)標(biāo)高與預(yù)報(bào)報(bào)標(biāo)高之差差控制在1厘米以內(nèi)內(nèi)；斜拉索張拉拉完后，如如梁端測(cè)點(diǎn)點(diǎn)標(biāo)高與控控制預(yù)報(bào)標(biāo)標(biāo)高之差差超過(guò)4厘厘米，需研研究調(diào)整方方案，確定定索力調(diào)整整措施。觀測(cè)變量為為：標(biāo)高、、索力、塔塔頂水平位位移、主梁梁及塔身的的局部溫度度場(chǎng)和應(yīng)力力場(chǎng)；混凝凝土徐變系系數(shù)和彈性性模量測(cè)試試試驗(yàn)；在懸臂澆筑筑之前對(duì)掛掛籃進(jìn)行了了現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓壓試驗(yàn)。控制措施：：斜拉索的的索力及梁梁段的立模模標(biāo)高。測(cè)量值和控控制措施控制實(shí)施施工初期（0-3#節(jié)段）參數(shù)估計(jì)：自重集度、彈性模量、掛籃剛度調(diào)整預(yù)報(bào)值：每對(duì)斜拉索增加初始索力30噸施工中期（（4-12#節(jié)段））按預(yù)報(bào)值進(jìn)進(jìn)行正常施施工施工后期（（12#節(jié)節(jié)段以后））參數(shù)估計(jì)：：自重集度度估計(jì)調(diào)整預(yù)報(bào)值值：斜拉索索索力初始始值調(diào)回到到設(shè)計(jì)值控制結(jié)果全橋按照預(yù)預(yù)計(jì)的目標(biāo)標(biāo)合攏；全橋的線形除少少數(shù)節(jié)點(diǎn)外，所所有節(jié)點(diǎn)標(biāo)高與與設(shè)計(jì)線形的誤誤差均在4厘米以內(nèi)；除南塔邊跨13、14#索因?yàn)檫吙绾椭兄锌绨l(fā)生了不不對(duì)稱(chēng)變形，在在施工過(guò)程中進(jìn)進(jìn)行了補(bǔ)張拉外外，斜拉索均是是在節(jié)段施工中中張拉到位合攏后只對(duì)兩根根索由于上下游游索力有較大差差異進(jìn)行了很小小的補(bǔ)張拉。2.懸臂拼裝混混凝土斜拉橋施工特點(diǎn)：主梁每個(gè)節(jié)段的的定位標(biāo)高受到到預(yù)制線形的限限制，只能通過(guò)過(guò)接縫間的契塊塊調(diào)節(jié)，余地很很小，全部節(jié)段的重量量在拼裝前可以以預(yù)先獲得，沒(méi)有掛籃變形的的影響。懸臂拼裝混凝土土斜拉橋控制對(duì)對(duì)策由于定位標(biāo)高可可調(diào)余地較小，，拼裝階段的線線形應(yīng)該作為控控制的主要依據(jù)據(jù)，如果標(biāo)高到到達(dá)設(shè)計(jì)值時(shí)索索力同時(shí)達(dá)到預(yù)預(yù)計(jì)值，說(shuō)明計(jì)計(jì)算模型與實(shí)際際結(jié)構(gòu)是吻合的的，否則，說(shuō)明明兩者之間存在在差異，必須對(duì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新新估計(jì)。參數(shù)估計(jì)的對(duì)象象主要是主梁的的剛度及徐變系系數(shù)，在估計(jì)后后重新確定每階階段的張拉索力力。由于沒(méi)有掛籃剛剛度及節(jié)段重量量誤差，每節(jié)段段吊裝完成時(shí)，，標(biāo)高誤差較小小，可以通過(guò)索索力調(diào)整來(lái)糾正正。3.結(jié)合梁斜拉拉橋施工特點(diǎn)：主梁的線形在鋼鋼梁預(yù)拼裝階段段已經(jīng)完全確定定，現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)時(shí)節(jié)段之間相對(duì)對(duì)位置幾乎沒(méi)有有調(diào)整的余地，，全部節(jié)段的重量量在拼裝前可以以預(yù)先獲得，拼裝階段鋼梁剛剛度很小，索力力及荷載對(duì)標(biāo)高高的影響非常明明顯，鋼梁的抗拉、抗抗壓能力均較強(qiáng)強(qiáng)。結(jié)合梁斜拉橋控控制對(duì)策在確定施工控制制目標(biāo)時(shí)，應(yīng)充充分利用鋼梁的的抗彎能力使混混凝土橋面板承承擔(dān)較大壓應(yīng)力力。由于梁段間相對(duì)對(duì)位置不能調(diào)整整，某一梁段的的誤差除影響本本節(jié)段外，誤差差的趨勢(shì)還將影影響以后的梁段段，因此，拼裝裝階段的線形是是控制的主要目目標(biāo)，必須在下下一節(jié)段拼裝前前通過(guò)斜拉索索索力的調(diào)整來(lái)糾糾正已建成梁段段的線形誤差，，而將索力控制制在一定誤差范范圍內(nèi)。結(jié)合梁斜拉橋控控制對(duì)策參數(shù)估計(jì)的對(duì)象象對(duì)主要是主梁梁的剛度，特別別是已安裝好橋橋面板但尚未形形成結(jié)合梁的梁梁段，此時(shí)的剛剛度實(shí)際上是處處于裸鋼梁與結(jié)結(jié)合梁之間，需需要通過(guò)參數(shù)估估計(jì)算法來(lái)估計(jì)計(jì)。在參數(shù)估計(jì)后應(yīng)應(yīng)重新確定每階階段的張拉索力力，如果不進(jìn)行行修正，則在以以后每個(gè)階段施施工完成時(shí)索力力與標(biāo)高均不能能同時(shí)達(dá)到控制制目標(biāo)，從而每每次均需要標(biāo)高高調(diào)整，這將大大大增加施工調(diào)調(diào)索工作量。由于線形的主要要靠索力調(diào)整來(lái)來(lái)保證，但是索索力調(diào)整必須在在梁體強(qiáng)度允許許的范圍之內(nèi)，，因此，必須分分析索力誤差對(duì)對(duì)主梁應(yīng)力的影影響，確保施工工應(yīng)力控制在允允許范圍之內(nèi)。。4.懸臂施工混混凝土連續(xù)梁橋橋連續(xù)梁線形控制制與斜拉橋施工工控制不同之處處兩者的控制目標(biāo)標(biāo)不完全相同?；炷吝B續(xù)梁梁橋由于在懸臂臂施工階段是靜靜定結(jié)構(gòu)，合攏攏過(guò)程中如不施施加額外的壓重重，成橋后內(nèi)力力狀態(tài)一般不會(huì)會(huì)偏離設(shè)計(jì)值很很多，因此連續(xù)續(xù)梁橋施工控制制的主要目標(biāo)是是控制主梁的線線形。兩者實(shí)施控制的的手段不相同。對(duì)于混凝土連連續(xù)梁橋，已施施工梁段上出現(xiàn)現(xiàn)誤差時(shí)，只能能通過(guò)張拉預(yù)備備預(yù)應(yīng)力束調(diào)整整，而這一調(diào)整整量是非常有限限的，因此，一一旦出現(xiàn)線形誤誤差，誤差將永永遠(yuǎn)存在，只能能通過(guò)立模標(biāo)高高消除已施工梁梁段的殘余誤差差，有時(shí)調(diào)整需需經(jīng)過(guò)幾個(gè)梁段段才能完成?；炷吝B續(xù)梁橋橋控制對(duì)策參數(shù)估計(jì)及對(duì)計(jì)計(jì)算模型的修正正特別重要，只只有與實(shí)際施工工過(guò)程相吻合的的計(jì)算模型計(jì)算算出的預(yù)報(bào)標(biāo)高高才是可實(shí)現(xiàn)的的，施工結(jié)果的的