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1、大跨度桥梁施工控制,石雪飞 同济大学桥梁工程系,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,2,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 斜拉桥、悬臂施工拱桥、连续梁（刚构）桥,一.施工监控的目的和内容,施工控制的目的,监测结构的安全性，保证施工精度,拱桥、悬索桥,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,3,一.施工监控的目的和内容,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
2、计目标的必要措施,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,4,一.施工监控的内容,理论计算确定控制目标 成桥时的理想控制目标值 每个施工步骤中的分步控制目标值 成桥及施工过程中各目标值的精度标准 施工现场跟踪实际操作保证目标的实现 获得结构行为的实测值 对实际结构进行调整 调整施工阶段控制目标值,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,5,一.施工监控的内容,成桥理 想状态,施工控制目标值,误差标准,施工和结构状态监测,是否误差满 足误差标准,误差原因辨识,调整结构状态,后续施工步骤,调整施工控制目标,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,6,二.施工监控的思路
3、,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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,7,1.开环施工控制基本原理,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,8,2.反馈施工控制基本原理,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,9,日本横滨海湾桥控制流程图,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,10,3.自适应施工控制基本原理,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,11,Sakai提出的斜拉桥施工控
4、制系统流程,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,12,4.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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,13,二.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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,14,三.自适应施工控制系统要素,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,15,1.施工过程模拟计算,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,16,施工过程模拟
5、计算,计算程序有限元方法 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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,17,2. 确定理想状态计算方法,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,18,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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,19,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
6、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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,20,最优成桥状态确定算法,影响方程,约束条件,优化目标方程,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,21,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。,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,22,确定施工目标的计算方法,倒拆法 无法考虑徐变
7、 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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,23,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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,24,悬索桥的特殊问题,成桥线形 空缆线形 计算起始线形 由于大变形几何非线性，只能正装叠代,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞
8、,25,3.允许误差确定方法,随机误差传递法 可靠度反问题方法 目前状态：经验法,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,26,4.最优控制调整量计算,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,27,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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,28,优化计算原理,影响方程,约束条件,优化目标方程,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,29,5.计算模型参数估计,2019
9、/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,30,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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,31,参数估计计算原理,影响方程,优化目标方程,约束条件,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,32,参数估计方法分类,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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,33,参数估计的变量
10、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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,34,6.测量系统,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,35,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 应力钢弦应变计、差阻应变计、光纤光栅,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,36,自动测量系统,2019/10/13,同济大学桥梁工
11、程系 石雪飞,37,自适应施工控制系统流程,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,38,四.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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,39,1.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
12、筑梁段无关,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,40,悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制对策,立模标高设计成桥位置施工中的位移累计值（反向） 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。,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,41,悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制对策,3由于立模标
13、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。,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,42,自适应控制思路在瓯江二桥 施工控制中的应用,工程概况,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,43,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,44,控制目标,控制的最终目标是：使成桥后的线形与设计
14、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。,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,45,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,2019/1
15、0/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,46,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,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,47,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
16、索由于上下游索力有较大差异进行了很小的补张拉。,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,48,2.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。,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,49,悬臂拼装混凝土斜拉桥控制对策,各节段预制长度由无应力状态法确定，索力由施工阶段内力状态不超标确定。 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。,2019/10/13,同济大学桥梁工程系 石雪飞,50,3.大
