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1、大跨度桥梁施工控制同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系二二二二五五五五年年年年六月六月六月六月使桥梁建成时达到设计确定的使桥梁建成时达到设计确定的内力状态内力状态 线形状态线形状态静定结构静定结构两者完全分离两者完全分离超静定结构超静定结构两者间有联系两者间有联系一.施工控制的目的和必要性bb施工控制的目的一.施工控制的目的和必要性bb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、大跨度桥梁施工步骤较多，材料、
2、结构尺寸、施工操作误差的累计误差较大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目标的必要措施二.施工控制的思路bb开环施工控制适用于简单桥梁或非循环式施工桥梁bb反馈施工控制适用于结构参数比较稳定的桥梁bb自适应施工控制适用于循环式施工桥梁bb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S Sa ak ka ai i提提出出的的斜斜拉拉桥桥施施工工控控制制系系统统流流程程4.最优控制理论应用的问题bb离散
3、系统方程bb控制目标bb问题控制矩阵Pk, k-1 是不断变化的二.施工控制的思路bb开环施工控制bb反馈施工控制bb自适应施工控制bb最优控制结论：结论： 自适应控制是目前适用于循环施工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1. 确定理想状态计算方法确定理想状态的计算方法bb确定成桥理想状态bb确定施工步骤的控制目标确定成桥理想状态bb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结构尺寸、施工方法确定后内力状态随之唯一确定之唯一确定bb内部超静定结构斜拉桥、组合拱同样的结构、同样的
4、施工方法，不同索同样的结构、同样的施工方法，不同索力（吊杆力）可以获得不同内力状态力（吊杆力）可以获得不同内力状态最优问题最优问题内力最小、应力最小、弯内力最小、应力最小、弯曲能量最小、材料最省、造价最省曲能量最小、材料最省、造价最省确定性问题确定性问题刚性支承连续梁刚性支承连续梁最优成桥状态确定算法影响方程影响方程约束条件约束条件优化目标方程优化目标方程弯矩最小求斜拉桥最优索力bb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：bbTi第i号索力；bb Ti=1时的结构弯矩；bbMp(s)恒载作用下的结构弯矩。确定施工目标的计算方法bb倒拆法 无法考虑徐变无法考虑徐变
5、 某些步骤构造上无法实现某些步骤构造上无法实现bb考虑施工过程的影响矩阵法 适用于混凝土桥，有时迭代不收敛适用于混凝土桥，有时迭代不收敛bb无应力状态法 适用于钢桥的构件预制适用于钢桥的构件预制 不能确定每个施工阶段的状态不能确定每个施工阶段的状态 需要多次调索需要多次调索确定施工目标的计算方法bb简化做法施工阶段斜拉索索力等于节段重量的一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半加施工机具重量按照上述索力进行正装模拟计算，局部按照上述索力进行正装模拟计算，局部调整索力调整索力标高按模拟计算结果设预拱度标高按模拟计算结果设预拱度缺点缺点施工状态与成桥理想状态脱节施工状态与成桥理想状态
6、脱节2.施工过程模拟计算施工过程模拟计算bb计算程序有限元程序 我国：平面杆系程序我国：平面杆系程序 国外：空间计算程序开始应用国外：空间计算程序开始应用bb考虑的因素 模拟施工构件的安装及拆除过程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 结构的非线性因素结构的非线性因素 温度影响温度影响3.最优控制调整量计算最优控制调整量计算bb控制目标应力、标高bb调整手段索力、预应力、标高bb计算思路优化方法bb优化目标残余误差最小、能量最小、调整的功最小bb约束条件调整必须在材料
7、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影响方程约束条件约束条件优化目标方程优化目标方程4.计算模型参数估计计算模型参数估计算法bb待估计参数构件重量、刚度、徐变系数、预应力损失bb计算思路优化方法bb测量变量索力、标高、应力bb优化目标误差最小bb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影响方程优化目标方程优化目标方程约束条件约束条件参数估计方法分类bb一一类类是是基基于于误误差差最最小小化化的的算算法法，如如最小二乘法最小二乘法bb一一类类是是基基于于状状态态估估计计理理论论的的算算法法，如扩展卡尔曼滤波法如扩展卡尔曼滤波法bb存在的问题：存在的问题：参数的灵敏
8、度不高参数的灵敏度不高参数的灵敏度不高参数的灵敏度不高测量数据不够测量数据不够测量数据不够测量数据不够参数估计的变量分离bb测量时刻选定1. 1.挂篮移动定位立模前的时刻；挂篮移动定位立模前的时刻；2. 2.挂篮移动定位立模后的时刻；挂篮移动定位立模后的时刻；3. 3.节段混凝土浇筑前的时刻；节段混凝土浇筑前的时刻；4. 4.节段混凝土浇筑后的时刻；节段混凝土浇筑后的时刻；5. 5.张拉斜拉索前的时刻；张拉斜拉索前的时刻；6. 6.张拉斜拉索后的时刻；张拉斜拉索后的时刻；弹性模量弹性模量混凝土超重混凝土超重索力误差索力误差5.测量系统待测量变量bb标高激光束、连通管、GPS、全站仪bb垂度激光
9、束、全站仪bb索力随机振动、磁通量法、光纤光栅、穿心式压力环传感器bb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bb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bb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：bb结构参数的准确性较差，而且要等到节段施工完成后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才能确定bb主梁的刚度较大，节段的局部变形很小，索力调整对主梁的刚度较大，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局部线形的调整作用很小bb调整范围受到混凝
10、土应力的限制调整范围受到混凝土应力的限制bb挂篮刚度对局部变形有较大影响，长挂篮在混凝土浇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筑节段参与结构受力bb未施工节段的立模标高可以任意确定，与已浇筑梁段未施工节段的立模标高可以任意确定，与已浇筑梁段无关无关悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制对策bb1 1对对于于已已建建成成梁梁段段的的线线形形误误差差在在一一定定程程度度上上可可以以通通过过斜斜拉拉索索索索力力的的调调整整来来纠纠正正，但但是是，由由于于主主梁梁刚刚度度较较大大，不不可可能能通通过过索索力力调调整整纠纠正正所所有有误误差差。残残余余的误差可以通过下一节段的立模标高来调整
11、。的误差可以通过下一节段的立模标高来调整。bb2 2及及时时识识别别误误差差产产生生的的原原因因，估估计计计计算算程程序序参参数数的的实实际际值值，主主要要是是混混凝凝土土的的弹弹性性模模量量、材材料料的的比比重重、徐徐变变系系数数等等，重重新新计计算算未未浇浇筑筑梁梁段段的的预预拱拱度度，修修改改施施工工阶阶段段索索力力及及相相应应的的标标高高目目标标值值，避避免免出出现现新新的的误差。误差。悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制对策bb3 3由由于于立立模模标标高高可可以以随随时时调调整整，索索力力值值应应该该作作为为控控制制的的依依据据，某某节节段段标标高高只只要要控控制制在在允允许许范范围围之之内内
12、即即可可认认为为满满足足要要求求。如如果果索索力力到到达达设设计计值值时时标标高高同同时时达达到到预预计计值值，说说明明计计算算模模型型与与实实际际结结构构是是吻吻合合的的，否否则则，说说明两者之间存在差异，必须对参数进行重新估计。明两者之间存在差异，必须对参数进行重新估计。bb4 4挂挂篮篮刚刚度度只只影影响响正正在在浇浇筑筑的的梁梁段段标标高高，但但由由此此引引起起的的误误差差将将永永远远存存在在于于主主梁梁线线形形中中，必必须须考考虑虑钢钢筋筋骨骨架架对挂篮刚度的影响。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bb工程概况控制目标bb控制的最终目标是：使成桥后的线形与设计
13、线形所有控制的最终目标是：使成桥后的线形与设计线形所有各点的误差均控制在各点的误差均控制在4 4厘米范围之内，厘米范围之内， 且斜拉索索力与且斜拉索索力与设计值的误差控制在设计值的误差控制在5%5%范围之内。范围之内。bb每一施工步骤中的误差控制水平：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斜拉索张拉索力与理论预报值的相对误差应控制 在在2%2%以内；以内； 挂篮定位标高与预报标高之差控制在挂篮定位标高与预报标高之差控制在1 1厘米以内；厘米以内； 斜拉索张拉完后，如梁端测点标高与控制预报标斜拉索张拉完后，如梁端测点标高与控制预报标 高之差超过高之差超过4 4
14、厘米，需研究调整方案，确定索力调整措施。厘米，需研究调整方案，确定索力调整措施。FF观测变量为：标高、索力、塔顶水平位移、主梁及塔观测变量为：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；量测试试验；在悬臂浇筑之前对挂篮进行了现场预压在悬臂浇筑之前对挂篮进行了现场预压试验。试验。FF控制措施：斜拉索的索力及梁段的立模标高。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uu控制实施控制实施FF施工初期（施工初期（0-3#0-3#节段）节段） 参数估计：自重集度、弹性模量、挂篮刚度参数估计：自重集
15、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调整预报值：每对斜拉索增加初始索力3030吨吨FF施工中期（施工中期（4-12#4-12#节段）节段） 按预报值进行正常施工按预报值进行正常施工FF施工后期（施工后期（12#12#节段以后）节段以后） 参数估计：自重集度估计参数估计：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调整预报值：斜拉索索力初始值调回到设计值uu控制结果控制结果FF全桥按照预计的目标合拢；全桥按照预计的目标合拢；FF全桥的线形除少数节点外，所有节点标高与设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计线形的误差均在4 4厘米以内；厘米以内；
16、FF除南塔边跨除南塔边跨1313、14#14#索因为边跨和中跨发生了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，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斜拉索均是在节段施工中张拉到位FF合拢后只对两根索由于上下游索力有较大差异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。进行了很小的补张拉。2.悬臂拼装混凝土斜拉桥施工特点：bb主主梁梁每每个个节节段段的的定定位位标标高高受受到到预预制制线线形形的的限限制制，只只能能通通过过接接缝缝间间的的契契块块调调节节，余余地地很小，很小，bb全部节段的重量在拼装前可以预先获得，全部节段的重量
17、在拼装前可以预先获得，bb没有挂篮变形的影响。没有挂篮变形的影响。悬臂拼装混凝土斜拉桥控制对策bb由由于于定定位位标标高高可可调调余余地地较较小小，拼拼装装阶阶段段的的线线形形应应该该作作为为控控制制的的主主要要依依据据，如如果果标标高高到到达达设设计计值值时时索索力力同同时时达达到到预预计计值值，说说明明计计算算模模型型与与实实际际结结构构是是吻吻合合的的，否否则则，说说明明两两者者之之间间存存在在差差异异，必必须须对对参参数数进进行重新估计。行重新估计。bb参参数数估估计计的的对对象象主主要要是是主主梁梁的的刚刚度度及及徐徐变变系系数数，在在估计后重新确定每阶段的张拉索力。估计后重新确定每
18、阶段的张拉索力。bb由由于于没没有有挂挂篮篮刚刚度度及及节节段段重重量量误误差差，每每节节段段吊吊装装完完成时，标高误差较小，可以通过索力调整来纠正。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：bb主主梁梁的的线线形形在在钢钢梁梁预预拼拼装装阶阶段段已已经经完完全全确确定定，现现场场拼拼装装时时节节段段之之间间相相对对位位置置几几乎乎没没有调整的余地，有调整的余地，bb全部节段的重量在拼装前可以预先获得，全部节段的重量在拼装前可以预先获得，bb拼拼装装阶阶段段钢钢梁梁刚刚度度很很小小，索索力力及及荷荷载载对对标标高的影响非常明显，高的影响非常明显，bb钢梁的抗拉、抗
19、压能力均较强。钢梁的抗拉、抗压能力均较强。大跨度钢斜拉桥控制对策bb在确定施工控制目标时，一般使用无应力状态法。在确定施工控制目标时，一般使用无应力状态法。bb由由于于梁梁段段间间相相对对位位置置不不能能调调整整，某某一一梁梁段段的的误误差差除除影影响响本本节节段段外外，误误差差的的趋趋势势还还将将影影响响以以后后的的梁梁段段，因因此此，拼拼装装阶阶段段的的线线形形是是控控制制的的主主要要目目标标，必必须须在在下下一一节节段段拼拼装装前前通通过过斜斜拉拉索索索索力力的的调调整整来来纠纠正正已已建建成成梁梁段段的的线线形形误误差差，而而将将索索力力控控制制在在一一定定误误差差范范围围内。内。大跨
20、度钢斜拉桥控制对策bb参参数数估估计计的的对对象象对对主主要要是是主主梁梁的的刚刚度度，需需要要通通过过参参数估计算法来估计。数估计算法来估计。bb在在参参数数估估计计后后应应重重新新确确定定每每阶阶段段的的张张拉拉索索力力，如如果果不不进进行行修修正正，则则在在以以后后每每个个阶阶段段施施工工完完成成时时索索力力与与标标高高均均不不能能同同时时达达到到控控制制目目标标，从从而而每每次次均均需需要要标标高调整，这将大大增加施工调索工作量。高调整，这将大大增加施工调索工作量。bb由由于于线线形形的的主主要要靠靠索索力力调调整整来来保保证证，但但是是索索力力调调整整必必须须在在梁梁体体强强度度允允
21、许许的的范范围围之之内内，因因此此，必必须须分分析析索索力力误误差差对对主主梁梁应应力力的的影影响响，确确保保施施工工应应力力控控制制在在允许范围之内。允许范围之内。4.结合梁斜拉桥施工特点：bb主主梁梁的的线线形形在在钢钢梁梁预预拼拼装装阶阶段段已已经经完完全全确确定定，现现场场拼拼装装时时节节段段之之间间相相对对位位置置几几乎乎没没有调整的余地，有调整的余地，bb全部节段的重量在拼装前可以预先获得，全部节段的重量在拼装前可以预先获得，bb拼拼装装阶阶段段钢钢梁梁刚刚度度很很小小，索索力力及及荷荷载载对对标标高的影响非常明显，高的影响非常明显，bb钢梁的抗拉、抗压能力均较强。钢梁的抗拉、抗压
22、能力均较强。结合梁斜拉桥控制对策bb在在确确定定施施工工控控制制目目标标时时，应应充充分分利利用用钢钢梁梁的的抗抗弯弯能能力使混凝土桥面板承担较大压应力。力使混凝土桥面板承担较大压应力。bb由由于于梁梁段段间间相相对对位位置置不不能能调调整整，某某一一梁梁段段的的误误差差除除影影响响本本节节段段外外，误误差差的的趋趋势势还还将将影影响响以以后后的的梁梁段段，因因此此，拼拼装装阶阶段段的的线线形形是是控控制制的的主主要要目目标标，必必须须在在下下一一节节段段拼拼装装前前通通过过斜斜拉拉索索索索力力的的调调整整来来纠纠正正已已建建成成梁梁段段的的线线形形误误差差，而而将将索索力力控控制制在在一一定
23、定误误差差范范围围内。内。结合梁斜拉桥控制对策bb参参数数估估计计的的对对象象对对主主要要是是主主梁梁的的刚刚度度，特特别别是是已已安安装装好好桥桥面面板板但但尚尚未未形形成成结结合合梁梁的的梁梁段段，此此时时的的刚刚度度实实际际上上是是处处于于裸裸钢钢梁与结合梁之间，需要通过参数估计算法来估计。梁与结合梁之间，需要通过参数估计算法来估计。bb在在参参数数估估计计后后应应重重新新确确定定每每阶阶段段的的张张拉拉索索力力，如如果果不不进进行行修修正正，则则在在以以后后每每个个阶阶段段施施工工完完成成时时索索力力与与标标高高均均不不能能同同时时达达到到控控制制目目标标，从从而而每每次次均均需需要要
24、标标高高调调整整，这这将将大大大大增增加加施施工工调索工作量。调索工作量。bb由由于于线线形形的的主主要要靠靠索索力力调调整整来来保保证证，但但是是索索力力调调整整必必须须在在梁梁体体强强度度允允许许的的范范围围之之内内，因因此此，必必须须分分析析索索力力误误差差对对主主梁梁应应力的影响，确保施工应力控制在允许范围之内。力的影响，确保施工应力控制在允许范围之内。6.悬臂施工混凝土连续梁桥连续梁线形控制与斜拉桥施工控制不同之处连续梁线形控制与斜拉桥施工控制不同之处bb两两者者的的控控制制目目标标不不完完全全相相同同。混混凝凝土土连连续续梁梁桥桥由由于于在在悬悬臂臂施施工工阶阶段段是是静静定定结结
25、构构，合合拢拢过过程程中中如如不不施施加加额额外外的的压压重重，成成桥桥后后内内力力状状态态一一般般不不会会偏偏离离设设计计值值很很多多，因因此此连连续续梁梁桥桥施工控制的主要目标是控制主梁的线形。施工控制的主要目标是控制主梁的线形。bb两两者者实实施施控控制制的的手手段段不不相相同同。对对于于混混凝凝土土连连续续梁梁桥桥，已已施施工工梁梁段段上上出出现现误误差差时时，只只能能通通过过张张拉拉预预备备预预应应力力束束调调整整，而而这这一一调调整整量量是是非非常常有有限限的的，因因此此，一一旦旦出出现现线线形形误误差差，误误差差将将永永远远存存在在，只只能能通通过过立立模模标标高高消消除除已已施
26、施工工梁梁段段的的残残余误差，有时调整需经过几个梁段才能完成。余误差，有时调整需经过几个梁段才能完成。混凝土连续梁桥控制对策bb参数估计及对计算模型的修正特别重要，只参数估计及对计算模型的修正特别重要，只有与实际施工过程相吻合的计算模型计算出有与实际施工过程相吻合的计算模型计算出的预报标高才是可实现的，施工结果的误差的预报标高才是可实现的，施工结果的误差才能减小。才能减小。bb在在进进行行施施工工模模拟拟计计算算时时必必须须充充分分考考虑虑各各种种施施工工因因素素，特特别别要要正正确确计计算算主主梁梁的的轴轴线线坐坐标标，同时计算中要计入竖曲线的影响。同时计算中要计入竖曲线的影响。混凝土连续梁
27、桥控制对策bb由于没有高效的调整措施，必须合理制定施由于没有高效的调整措施，必须合理制定施工步骤，使每个步骤的变形量减小，这样即工步骤，使每个步骤的变形量减小，这样即使某个施工步骤产生误差，该误差在总体变使某个施工步骤产生误差，该误差在总体变形中所占比例就较小。形中所占比例就较小。混凝土连续梁桥注意事项bb必必须须在在施施工工前前制制定定好好全全桥桥得得的的施施工工方方案案，在在执行过程中不能随意改变执行过程中不能随意改变bb施施工工控控制制只只能能控控制制总总体体线线形形，局局部部线线形形取取决决于挂篮的施工误差于挂篮的施工误差bb必必须须对对已已经经建建好好的的梁梁段段进进行行全全程程测测
28、量量才才能能保保证参数估计的准确性证参数估计的准确性7.组合体系拱桥控制特点bb在施工过程中循环性的工序相当少，且对已施工结构进行调整的措施不多，只能采用开环控制。bb施工前对施工过程的充分预计是施工控制成功的关键。bb在设计阶段应该对各种施工误差对成桥结果的影响进行分析，制定合适的施工精度要求。8.悬索桥施工控制特点bb在施工过程中循环性的工序相当少，且对已施工结构进行调整的措施不多，只能采用开环控制。bb正确计算大位移是控制的关键。bb施工前对施工过程的充分预计。悬索桥施工控制特点bb计算流程计算流程 从成桥状态坐标开始计算施工变形从成桥状态坐标开始计算施工变形 重新计算起始坐标，计算施工
29、变形重新计算起始坐标，计算施工变形 反复修改起始坐标，直到成桥达到设计线形反复修改起始坐标，直到成桥达到设计线形bb控制必须考虑的问题控制必须考虑的问题 大位移影响大位移影响 水平位移影响水平位移影响 主梁的应力不超限主梁的应力不超限 吊杆长度的准确性吊杆长度的准确性 主缆长度准确性主缆长度准确性几种桥型施工控制特点比较五.施工控制中的问题1. 1.施工的对策bb施工阶段的控制项主梁线形？主梁线形？内力状态？内力状态？bb制订合理的控制目标设计方案的鲁棒性线形的鲁棒性线形的鲁棒性内力的鲁棒性内力的鲁棒性2. 2.制订合理的施工阶段控制标准bb施工的鲁棒性分析施工阶段误差对成桥状态的影响施工阶段误差对成桥状态的影响确定施工阶段调整的准则确定施工阶段调整的准则3. 3.建立施工控制数据自动测量系统如何消除温度测量误差？如何消除温度测量误差？如何消除风力对测量的影响？如何消除风力对测量的影响？比较可靠的索力测量方法比较可靠的索力测量方法4. 4.充分考虑结构的非线性因素几何非线性是主要因素几何非线性是主要因素 大位移大位移 索的垂度索的垂度材料非线性是次要因素材料非线性是次要因素5. 5.集测量、分析、控制指令与一体的计算机控制系统系统的集成系统的集成系统的可视化系统的可视化
