龙文兵—成子河大桥施工监控开题报告.doc

华中科技大学土木工程与力学学院2013届 本科生毕业设计（论文）开题报告 论文题目：成子河大桥施工监控分析 学号： U200916071 学生姓名： 龙文兵 指导教师： 胡隽 院（系）专业： 土木工程与力学学院 道路桥梁与渡河工程专业0903班 道桥系桥梁工程教研室1 课题来源、目的、意义国内外基本研究概况1.1课题来源工程起点位于泗阳县城淮海西路与西安路平交口附近，终点与南岸老S325（南外环线）对接，西安路大桥由主桥、两岸引桥、两岸接线组成，其中主桥约273.5米，北岸引桥约540米，南岸引桥约300米，桥头引道约1377米。主桥为( 60.65+ 152+ 60.65) m 三跨连续钢桁系杆拱桥，边、中跨跨度比为0. 4。主桁由两片钢桁架组成，桁宽26.7 m。两片主桁的外侧各有3.9m悬臂托架支撑人行道，桥面总宽32.5m。两侧边跨为变高度桁梁，中跨为钢桁系杆拱。主桥采用的钢桁系杆拱桥为结构自平衡体系，拱肋产生的推力由桥面板内钢箱系杆平衡，不产生外部水平推力。前期工作配套费用及建安费合计约3.4亿元，建安费约2.89亿元。本人选择胡隽老师作为毕业设计导师，在老师的推荐下选择此项目作为毕业设计课题。1.2施工监控的目的、意义成子河大桥桥是跨越成子河的重点工程，该桥的建成对于该市的经济发展具有十分重大的意义，为了确保桥梁在建造过程中避免出现桥梁垮塌等重大责任事故，确保桥梁工程质量，较好的实现设计意图，特对此大桥提出施工监控。施工监控包括施工监测和控制。施工监测的目的就是在全桥上部结构施工过程中，通过监测主拱、系杆和吊杆的应力及变形，来达到及时了解结构实际行为的目的；通过施工过程中对温度、应力、线型、混凝土材料的弹性模量等的监测，对桥梁结构体系计算所采用的参数进行识别、计算和修正，纠正实际线型和内力与设计目标值的偏差，确保结构的安全、稳定与结构受力合理，为大桥安全、顺利建成提供技术保障。施工控制的目的是为了在全桥施工完成后，主拱结构的线型、系杆及桥面系的线型达到设计理想的线型，并使主拱和系杆的内力分布与设计理想的内力状态一致。浇拱肋线型一旦形成，很难调整。因此对该桥施工过程进行有效的控制，保证其成桥内力和线型，是该桥成功建设的一个关键。因此，对桥梁施工过程的位移、应力和温度进行有效的监测并采取行之有效的调控措施是保证其顺利成功修建的必要条件之一。 1.3.1施工监控国内基本研究情况我国工程师虽在早时也注意到施工中结构内力和变形的调控,如1957年建成的武汉长江大桥在施工过程中就做了应力、标高的调整，但真正把施工监控理论系统的运用到工程建设中的时间较晚。虽然起步较晚，但国内施工监控技术的发展十分迅速，特别是进入80年代后，随着计算机在桥梁工程中应用的普及和深入,桥梁工作者开始运用计算机辅助桥梁施工。1982年建成的上海柳港大桥首次根据现代工程控制的基本思想,有效地进行了主梁挠度和索塔水平位移的施工控制。柳港大桥的控制成功,引起了桥梁界对桥梁施工监控技术研究的高潮。随着近几年我国几座大跨径悬索桥的修建成功,国内在悬索桥施工控制技术研究方面也有了较大的进步。交通部公路研究所和西安公路交通大学联合开发了灰色预测控制法,并成功地运用于虎门悬索桥的施工控制。该方法主要根据灰色预测控制理论对悬索桥的施工过程进行预测控制。依照悬索桥的施工架设特点,把施工控制分为两个阶段进行预测控制:施工控制的第一阶段为主缆架设阶段,这一阶段要求确保成缆线形达到成桥期望的施工标高;施工控制的第二阶段为加劲梁吊装阶段,这一阶段施工控制的任务是保证成桥线性达到设计要求。交通部第二公路工程局在厦门海沧大桥悬索桥上部结构线性施工监控方面采用灰色预测控制取得了良好的效果。后来,交通部公路研究所在虎门大桥的施工控制中运用了卡尔曼滤波法来滤除主缆架设阶段和钢箱梁吊装阶段出现的施工误差。 1.3.2 国外施工监控基本研究状况 桥梁施工控制概念最早出现在20世纪50年代，第一座现代斜拉桥Stromsund桥施工时，建设者就如何使索力和标高达到设计要求的问题进行了研究，这也是传统意义上的施工控制。1958年修建TheodonNess斜拉桥时，建设者首次提出了采用“倒退分析”的方法计算出各施工阶段结构的标高和初始索力,该方法在1978年竣工的美国P-K桥中也得到了应用。后来，加拿大在修建安纳西斯桥时，也采用了同样的施工控制技术。由此可以看出，施工监控最初始的对象是斜拉桥。 虽然桥梁施工监控的概念起源于欧美，但真正系统的把施工监控理论运用到桥梁施工管理中的是日本。早在20世纪80年代初，日本修建日野预应力混凝土连续梁桥时,就建立了施工控制所需的应力、挠度等参数的观测系统,并应用计算机对所测参数进行现场处理,然后将处理后的实测参数送回控制室进行结构计算分析,最后将分析结果返回到现场进行施工控制。上述方法也是国外传统的施工监控方法。到80年代后期,日本修建Chichby斜拉桥和Yokohama海湾斜拉桥时,成功地利用计算机联网传输技术建立了一个用于拉索索力、主梁标高、主梁倾角、塔垂直度调整的自动监控系统,实现了施工过程中实测参数与设计值的快速验证比较,它对保证施工安全和精度,加快施工速度起到了决定性的作用。但由于受系统建设费用昂贵等因素的影响,该系统没有得到推广。此后,日本又研制了一个以现场微机为主要计算分析手段的斜拉桥施工双控系统(精度控制系统),它包括自动测量数据采集、控制预报系统、误差分析系统及结构计算机分析四个系统和测量参数、计算参数两个数据库。此系统的最大特点是在现场完成自动测试、分析和控制调整全过程,并可进行设计敏感分析、参数识别和实际结构行为预测。该系统在成的1989年建成的Nitchu桥和1991年建成的Tomel-Ashigara桥以及1993年建成的Rainbow桥上实际应用效果良好。在桥梁监控技术方面,韩国桥梁工程师也做了相当多的研究,而且取得了一定的成果。他们开发了一个叠合梁斜拉桥的施工控制系统,该系统共有五个模块:主结构分析模块、动态分析模块、测量和纠正误差模块以及两个前后处理模块,从而实现了线形、位移、弯矩、剪力及索力的可视化计算。从目前所查阅的资料可以看出,国外桥梁的施工监控主要是围绕大跨度斜拉桥、悬索桥连续刚构桥进行的,而针对钢管混凝土拱桥的施工监控技术几乎就没有涉及,这可能是由于这种类型的桥在国外修建较少的缘故。由于国外在桥梁施工监控技术方面的研究和应用起步较早,众多发达国家已将施工控制纳入常规施工管理工作中,控制方法已从人工测量、分析与预报,发展到自动控制、分析预报、调整的计算机自动控制,并已形成了较完善的桥梁施工控制系统。即便如此国外对桥梁施工控制技术的研究还在继续,这是由于影响桥梁施工的因素太多、太复杂,同时,不断涌现的、新型的、规模(跨径)更大的桥梁工程也对桥梁施工控制提出了更高的要求。2 预计达到的目标、关键理论和技术、完成课题的方案及主要措施2.1预期目标(1)了解和学习目前国内外施工监控分析研究的方法和理论，全面巩固自己所学的有关桥梁设计的知识，拓展知识视野，培养思维能力；(2)学会使用MIDAS/CIVIL软件建桥梁模型，提高自己的计算能力和分析能力；(3)通过毕业设计（论文）来锻炼自己独立的学习能力;2.2关键理论和技术2.2.1 监控的目标状态桥梁结构控制目标状态是指桥梁结构在满足规范要求和设计具体要求，达到特定性能指标最优条件下各个施工阶段期望实现的结构状态(几何线型和内力状态)，是施工控制期望达到的理想目标。具体包括：（1）控制桥梁线型，控制主要构件的内力，保证工程内在质量优良；（2）预知并及时发现施工中的失误，以予纠正，避免发生重大责任和技术事故，确保桥梁建造安全。（3）提供成桥的力学参数报告，为桥梁今后的养护提供数据资料基于以上桥梁施工监控的目的和意义，须对拱桥的施工过程进行监控。其任务就是要根据桥梁施工全过程中实际发生的各种影响桥梁内力与变形的参数，结合施工过程中测得的各阶段吊杆张力、主拱肋内力与变形数据，随时分析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预期值的差异并找出原因，提出修正对策，以确保在全桥建成以后桥梁的内力和外形曲线与设计值相符合。2.2.2 监控原则及控制措施施工监控的内容是校核设计和施工过程中的关键数据，对成桥目标进行有效的控制。对施工各状态控制数据实测值与理论值进行比较分析，进行结构设计参数识别和调整，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对其的影响，对成桥状态进行预测与反馈控制分析，通过对结构线型及内力（应力）进行监测，以分析、预测和防止施工中出现过大位移和应力对桥梁产生安全隐患，确保施工朝预定目标顺利进行。大跨度复式提篮拱桥在拱肋现浇阶段，确保拱轴线型和顺、正确是第一位的，施工时以拱肋标高控制为主，成拱后，吊杆张拉时，以索力控制为主。同时，在结构稳定性满足要求的前提下，还应密切关注控制截面的应力发展，确保结构的安全。桥梁的施工控制是一个预告量测识别修正预告的循环过程。施工控制的要求首先是确保施工中结构的安全，其次是保证结构的内力合理和外型美观。为了达到上述目的，就要求在一套完整的、足够精度的控制系统来测量挠度、索力和应力等，以便将拱桥的施工控制与成桥理想状态相沟通。此外，为了尽量避免施工过程中不必要的吊杆和系梁的多次张拉，除了要求控制系统具有常规的结构分析等基本功能外，还要求该系统应有根据桥施工特点，在施工现场具备消除设计与实际不一致的自适应能力，并及时提供标高和索力的修正值，借助计算机强大的计算能力和信息处理能力，来实现施工控制。2.2.3 监控方法早在 1943 年，美国数学家维纳.罗森吕特与华格罗一起发表了最早的一篇有关控制论的文章：行为，目的和目的论，它是控制论的最初雏形78，1948 年，维纳出版了专著控制论，标志着控制论这门新兴学科的正式形成，1954 年，我国科学家钱学森出版了工程控制论，第一次把控制论应用于工程实践中，以提高工程技术中的自动控制水平。工程控制论形成的初期，首先应用于导弹、航天、核能技术等对控制技术要求十分精确的尖端技术领域，随着经济的发展，社会的进步，经济系统工程和社会系统工程也渴望控制论的加盟。这样，控制论得到了更为广泛的发展应用，而工程控制论应用于桥梁结构还是近二十年来的事，其中日本工程师们在把工程控制论应用于桥梁结构中的施工管理中做出了不可磨灭的贡献。目前，国内外常用的施工控制方法从控制思路上可以分为三种形式：开环控制、反馈控制和自适应控制。自适应的控制方法能全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和设计目标，在闭环反馈的基础上，再加上一个系统辨识过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数识别算法中去调解计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果相一致，得到修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，按照反馈控制方法对结构进行控制。这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。参数误差识别过程是自适应控制的关键，其任务就是根据对控制目标的测量值与计算值之间的误差反算施工过程模拟计算中选用的参数，如混凝土的弹性模量以及徐变系数等。使结构计算模型和实际结构经过一段时间后自动适应结构的物理力学规律，减小理论值与实测值偏差。该桥主要采用支架现浇施工，桥面系和拱肋形成后，受后续工序（如吊杆张力）和材料后续变形（如混凝土收缩、徐变）影响很大，因此施工控制采用预先控制和反馈控制相结合的方法进行控制，施工前通过试验室试验材料性能和结构有限元分析，尽可能较精确的预测结构在各个施工阶段的变形和内力，通过提供合理的桥面系和拱肋的立模标高，对桥面系和拱肋的线型进行控制。在吊杆的张拉阶段，通过施工过程中理论数据和实测数据的偏差，对数据分析和处理（结构分析和参数识别），调整后续施工工序、进行反馈控制，最终达到控制桥梁内力和线型的目的。以桥梁应力和和线型控制为主，索力控制为辅的原则，对全桥各重点部位进行全面监控，掌握桥梁结构在各施工过程中的受力状态，严格控制各施工阶段各控制部位的应力，确保施工过程中的结构安全。2.3完成课题的方案及主要措施 1）查找国内外相关文献并认真研读； 2）利用MIDAS/CIVIL进行建模计算分析； 3）与导师见面答疑，向学长请教； 4）写毕设日志，记录自己的所想所做所感；3 课题研究进展计划1设计总周数16周，其中安排2天为毕业答辩。2具体安排如下：序号周次计划任务11布置任务并收集资料22外文翻译33、4阅读文献，继续外文翻译45、6学习midas/civil，完成翻译57完成开题报告68、9、10建立midas模型711数据分析812、13整理成果，撰写论文主题914 写中英文摘要，编制目录，完成论文1015、16 做好答辩准备工作、答辩4 主要参考文献 1宋勤.重庆市綦江县虹桥特大事故垮塌事故的原因和教训J.施工技术，1999,2钟轶峰.中承式系杆拱桥有限元分析与施工监控.重庆：重庆大学