（固体力学专业论文）连续刚构桥的施工控制及其若干力学问题研究.pdf

摘要 摘要 连续刚构桥于六七十年代首先在国外发展起来。我国第一座预应力混凝土连 续刚构桥是1 9 8 8 年建成的广东洛溪大桥，主跨1 8 0 m 。由于连续刚构桥综合了连 续梁桥和t 型刚构桥的优点，近十几年来在国内得到了蓬勃的发展。大跨度连续 刚构桥的旌工一般采用分节段悬臂施工方法，结构的最终形成要经历一个漫长而 又复杂的施工过程以及结构体系转换。桥梁的标高和内力还受混凝土材料的非均 匀性、收缩徐变和温度等多种因素的影响，因此，需要对桥梁施工过程中每个阶 段的受力状态和变形情况进行预测和监控，以保证桥梁在施工过程中的安全、最 终线形及恒载内力符合设计要求。纵观国内外连续刚构桥的施工和使用情况，其 中仍然存在一些力学问题有待于我们进一步深入研究和探讨。本文依托肇庆西江 大桥建设工程，对以下几个方面的内容进行分析和研究： ( 1 ) 针对桥梁施工监控和长期健康监测存在脱节的现象，介绍了桥梁的施工 监测系统和桥梁服役过程中的长期健康监测系统的一体化设计概念及其实现方 法。 ( 2 ) 在桥梁博士软件中，施工中的挂篮应用存在两种计算模型( 临时荷 载、挂篮) ，验算发现两种模型的计算结果不一致。本文通过建立简化的结构力学 模型对此进行检验，分析结果表明桥梁博士的这两种计算模型对应的实际工 况是有区别的。根据肇庆西江大桥施工情况，选择了比较吻合实际的计算模型， 减少桥梁结构力学模型本身的不合理性，提高了分析结果的可靠性。 ( 3 ) 有很多参数( 抗弯刚度、徐变系数) 会影响桥梁挠度预测值，其中抗弯 刚度修正系数的影响最为直接。本文通过分析实际节段施工中新浇注混凝土重量 引起的挠度变化值，将抗弯刚度修正系数由规范建议的0 6 7 修改为0 9 ，使得理 论预测挠度和实测的更加吻合。从而使得桥梁预拱度的设置更为合理，有力地保 障大桥的顺利合龙，取得了很好的控制效果。 ( 4 ) 基于应变测量的方法对肇庆西江大桥的预应力损失情况进行分析，从受 力上进一步验证说明了在工程中普遍存在的预应力损失随着预应力索弯角的增加 呈非线性增长的现象，提出了预应力损失估算的经验公式。 ( 5 ) 从几座已建桥梁的实地考察发现薄壁墩身容易产生裂缝。本文建立肇庆 西江大桥墩身受力的三维有限元模型，并同时建立了监测系统对墩身的受力状态 进行监测以检验数值分析结果。分析结果表明墩身变截面处局部的剪应力值比较 大，剪应力可能是造成该类型裂纹的原因之一。 本文仅对连续刚构桥施工控制系统及桥梁施工过程中出现的若干力学问题进 行了初探和研究，得到一些结论和经验公式，对此类施工监控有很好的借鉴作用。 华南理丁大学硕士学位论文 由于连续刚构桥施工过程及结构系统的复杂性，仍然存在很多问题有待于我们进 一步进行研究。 关键词：连续刚构桥；施工控制；监测系统；预应力损失：墩身裂缝 n c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ea p p e a r e da n dh a sb e e nd e v e l o p e ds i n c e1 9 6 0 s a b r o a d t h e f i r s tp r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g eo fc h i n ai st h el u o x ib r i d g ei n g u a n g d o n gp r o v i n c eb u i l ti n1 9 8 8 丽t ht h em a i ns p a no f1 8 0 m b e c a u s ec o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g eh a st h ev i r t u e so fb o t hc o n t i n u o u sg i r d e rb r i d g ea n dr i g i df r a m eb r i d g e ，i th a s b e e nd e v e l o p e dv e r yr a p i d l yi nt h er e c e n tt e ny e a r si nc h i n a t h ec a n t i l e v e rm e t h o di su s u a l l y u s e df o rs e c t i o nc o n s t r u c t i o no ft h el o n g - s p a nc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e s t h ef i n a l f o r m a t i o no ft h eb r i d g ew i l le x p e r i e n c eal o n ga n dc o m p l i c a t e dp r o c e d u r ea n dt h es t r u c t u r a l t r a n s f o r m a t i o n t h ef i n a le l e v a t i o na n di n t e r n a lf o r c eo ft h eb d d g ea r ea f f e c t e db ym a n y f a c t o r ss u c ha st h en o n t m i f o r mc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t r a c t i o na n dc r e e po fc o n c r e t ea n dt h e c i r c u m s t a n c et e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt op r e d i c ta n dm o n i t o rt h es t r e s sa n dt h e d e f o r m a t i o ni ne a c hc o n s t r u c t i o ns t a g ei no r d e rt og u a r a n t e et h ec o n s t r u c t i o ns a f e t y , f i n a l a l i g n m e n ta n dt h ei n t e r n a lf o r c e so ft h eb r i d g et om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t a c o m p r e h e n s i v es u r v e yo ft h ec o n s t r u c t i o na n ds e r v eb c h a v i o mo fc o n t i n u o u sr i g i df r a m e b r i d g e ，t h e r ea r es t i l lm a n ym e c h a n i c sp r o b l e m sw a i t i n gf o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o n r e l y i n go n t h ez h a oo i n gw e s tr i v r eb r i d g ec o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef o l l o w i n g p r o b l e m s ： ( 1 ) a i m i n ga tt h ed i s j o i n t e dp r o b l e mb e t w e e nc o n s t r u c t i o nc o n t r o la n dl o n gt e r mh e a l t h m o n i t o r i n g ，t h ei m e g r a t i o nc o n c e p ta n d i t si m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o ls y s t e m a n dl o n gt e r mh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mw e r ei n t r o d u c e d ( 2 ) t h e r ea r et w oc a l c u l a t i n gm o d e l ( t e m p o r a r yl o a dm o d e la n ds u s p e n d e dw a g o nm o d e l ) f o rt h ea p p l i c a t i o no fs u s p e n d e dw a g o ni nt h es o f t w a r e b m g ed o c t o r ，b u tac h e c k i n g c o m p u t a t i o ns h o w st h e i rd i f f e r e n tr e s u l t s as i m p l i f i e ds t r u c t u r a lm e c h a n i c sm o d e lw a se r e c t e d t oc h e e kt h et w oc a l c u l a t i o nm o d e l s , t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h et w om o d e l sc o r r e s p o n d d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h es p o tc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n so ft h ez h a o q i n gw e s tr i v e re n g i n e e r i n g ，t h et e m p o r a r yl o a dm o d e lm o r ed o s e dt ot h er e a lc o n s t r u c t i o n c o n d i t i o nw a sc h o s e n ，w h i c hi sh e l p f u lt or e d u c e dt h ea n a l y s i se r r o ri n d u c e db ym i s m a t c h m o d e la n di n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo ft h ea n a l y s i sr e s u l t s ( 3 ) t h e r ea l em a n yf a c t o r s ( b e n d i n gs t i f f n e s s ，c r e e pc o e f f i c i e n t ) t oa f f e c tt h ep r e d i c t e d d e f l e c t i o no ft h eb u i l d i n gb r i d g e ，i nw h i c ht h ee f f e c to ft h er e v i s e dc o e f f i c i e n to ft h eb e n d i n g s t i f f n e s si st h em o s ts i g n i f i c a n t i nt h ep a p e r , b ys u m m a r i z i n gt h ev a r i a t i o no ft h es u s p e n s i o n d e f l e c t i o ni n d u c e db yt h en e wc a s tp ci ne a c hc o n s t r u c t i o ns t a g e ，w ec h a n g e dt h er e v i s e d c o e f f i c i e n to ft h eb e n d i n gs t i f f n e s sf r o m0 6 7 ( r e c o m m e n d b ya ns t a n d a r d ) t o0 9 ，w h i c hl e tt h e 华南理工大学硕七学位论文 t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o nd e f l e c t i o nh a v em o r ea g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t s f i n a l l y , t h er e v i s i o nw a sh e l p f u lt os e tt h ep r e - s u r r o u n dm o r ec o r r e c t l ya n dt oi n s u r et h eb r i d g et o c l o s u r es m o o t h l y , t h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lm a d eg r e a ts l l c c c s s ( 4 ) b yt h er e s e a r c ho nt h el o s eo ft h ep r e s t r e s s e df o r c eb a s eo nt h em o n i t o r i n go ft h e s t r a i no ft h eb r i d g e ，i tf o u n dt h a tt h el o s er a t eo ft h es t r e s si np r e s t r e s sc a b l em a i n l yh a s n o n l i n e a rr e l a t i o nw i mt h ec u r v e da n g l eo ft h ep r e s t r e s s e dc a b l e a n da r le m p i r i c a lf o r m u l a t i o n w a ss u g g e s t e dt op r e d i c tt h el o s er a t eo ft h ep r e s t r e s s ( 5 ) b a s eo nf i e l dr e s e a r c ho fs e v e r a ls e r v i c eb r i d g e ，i ti sf o u n dt h a tt h ec r a c k sc a m ef o r t h e a s i l yo ns o m ep o s i t i o n si nt h et h i n - w a l lp i e r s a3 一dm o d e lo ft h eb r i d g ep i e rh a sb e e ns e tu p ， a n dam o n i t o r i n gs y s t e mw a ss e tu pt om o n i t o rt h es t r e s so nt h ep o s s i b l ed a n g e r o u sp o s i t i o n s t ov e r i f yt h ef e ma n a l y s i s t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h e a rs t r e s s e so i lt h ec h a n g i n g c r o s ss e c t i o na r el a r g e ，w h i c hm a yb eo n eo ft h ei m p o r t a n tc a i l s et oi n d u c et h ec r a c k s t h ep a p e ri so n l yc o n c e r n e dw i t ht h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o ls y s t e ma n ds o m em e c h a n i c p r o b l e m sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e d u r e ，a n do b t a i ns o m ec o n c l u s i o n sa n de m p i r i c a l f o r m u l a t i o n ，w h i c hw i l lb e n e f i tf o rt h es i m i l a rc o n s t r u c t i o nc o n t r 0 1 d u et ot h ec o m p l e x i t yo f t h ep r o c e d u r ea n dt h es t r u c t u r eo ft h ec o n t i n u o u sr i g i df r a m e b r i d g e ，t h e r ea r es t i l lh a v em a n y p r o b l e m sw a i t i n gf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sr i g i df l a m eb r i d g e ；c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；l o s eo f t h ep r e s t r e s s ；d k rc r a c k s 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：孝疵舞日期：2 。吐年月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) tgj j 雠轹三锄 辆。瑶b 日期：趔哼年月7 日 日期：埘年，月宇日 第一章绪论 第一章绪论 连续刚构桥型是六、七十年代首先在国外发展起来的，由于其综合了连续梁桥和t 型刚构桥的优点，因此在近二十年得到了蓬勃的发展。挪威于1 9 9 8 年建成的世界第一的 s t o l m a 桥( 主跨3 0 2 m ) 和世界第二的拉夫特( r a f t s u n d c t ) 桥( 主跨2 9 8 m ) ，将大跨径 预应力混凝土连续刚构桥的发展推向高潮【1 j 。我国第一座预应力混凝土连续刚构桥是 1 9 8 8 年建成的广东洛溪大桥，主跨1 8 0 m 。1 9 9 7 年虎门大桥辅行道桥主跨2 7 0 m ，成为 当时世界第一的预应力混凝土连续刚构桥，说明了我国在大跨径连续刚构桥型的建造技 术已达到世界领先水平p 4 1 。 由于连续刚构桥的施工一般采用分节段施工的方法，结构的最终形成，必须经历一 个漫长而又复杂的施工过程以及结构体系转换，同时还受混凝土材料的非均匀性、收缩 徐变和温度的影响，为此，我们必须对桥梁施工过程中每个阶段的受力状态和变形情况 进行预测和监控，以保证桥梁施工中的安全和结构线形及结构恒载内力符合设计要求。 施工控制质量的好坏直接影响到桥梁的合拢及以后的使用状态。虽然连续刚构桥的施工 控制技术已经逐渐趋向成熟，但是从国内外连续刚构桥的施工以及营运情况来看，其中 仍然存在一些力学问题有待于我们进一步深入研究和探讨。 本章的主要研究内容为：( 1 ) 介绍施工控制的相关内容；( 2 ) 提出桥梁施工过程中 存在的一些问题以及阐明研究的目的和意义；( 3 ) 介绍本文的主要研究内容。 1 1 桥粱施工控制技术的相关内容介绍 桥梁施工控制系统一般包括以下几个组成部分嘲：( 1 ) 结构分析方法，即根据实际 情况建立合理的施工计算模型，以预测各施工阶段中桥梁的理想状态；( 2 ) 监测系统的 设置，通过它以获得桥梁施工过程中实际状态的相关分析数据；( 3 ) 控制系统的建立， 即通过选取科学合理的桥梁工程控制理论对各施工阶段中计算的桥梁理想状态和监测的 桥梁实际状态进行分析对比、识别，以修正计算模型中的相关参数，使计算模型与桥梁 实际状态更相符；( 4 ) 计算模型的反馈计算，利用前面修证的参数代入模型中重新计算 各施工阶段桥梁的理想状态，以进入下一轮的预测与比较分析。概括来说，连续刚构桥 施工控制是一个“预报施工监测识别判断修正预报”的循环 过程。 1 1 1 桥梁施工控制的结构分析方法 桥梁施工控制的结构分析方法是指理论模型的建立及其结构计算的方法i s r ，通过合 理的计算方法和理论分析来确定桥梁结构施工过程中在受力和变形方面的理想状态，以 便控制施工过程中每个阶段的结构行为，使其最终的成桥线型和受力状态满足设计要求。 下面简述一些常用的结构分析方法。 华南理工人学硕十学位论文 l 1 1 1 正装计算法 正装计算法( 简称正算法，也称前进分析法) 按照桥梁结构实际施工加载顺序来进 行结构变形和受力分析，它能较好地拟合桥梁结构的实际施工历程，能得到桥梁结构在 各个施工阶段的位移和受力状态，这不仅可以用来指导桥梁的设计和施工，而且为桥梁 的施工控制提供了依据。 正装法的优点：( 1 ) 在正装计算中能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因 素，如结构的非线性问题和混凝土的收缩徐变问题。( 2 ) 正算法不存在倒拆法中初始应 力的确定问题。( 3 ) 监控方可以充分利用设计资料和施工工艺计算分析施工控制参数， 使得监控工作更具针对性，现实性、合理性。 正算法的不足之处是初始标高的确定，这一点在倒拆法中是不存在的。正算法的应 力和挠度计算模型是由设计标高出发的。但为了保证成桥线型能达到设计标高，实际结 构是按旌工立模标高而不是按设计标高进行施工的，因此实际结构的应力和挠度与模型 理论计算值有差别，即模型与实际桥梁的状态不一致。 1 1 1 2 倒装计算法 倒装计算法( 简称倒拆法，也称倒退分析法) 是按照桥梁结构实际施工加载顺序的 逆过程来进行结构行为分析的。倒装计算的目的就是要获得桥梁结构在各旋工阶段理想 的安装位置( 主要指标高) 和理想的受力状态。一座大跨度桥梁的设计图，只给出了桥 梁结构最终成桥状态的设计线型和设计标高，但是桥梁结构施工中间各状态的标高并没 有明确给出，要想得到桥梁结构施工初始状态和施工中间各阶段的理想状态，就要从设 计图中给出的最终成桥状态开始，逐步地倒拆计算来得到施工各阶段中间的理想状态和 初始状态。 倒拆法的优点：根据理想的成桥状态( 即理想的恒载状态) 反推各施工阶段合理的 控制参数，使得我们的监控计算分析工作概念明确、理由充分、方向性强。 倒拆法自其产生之日起就伴随着两个最为棘手的问题：混凝土收缩徐变的计算问题 和初始应力的确定问题。鉴于倒拆法这两个无法克服的缺点，所以工程上往往不单独使 用，而将其与正装法组合起来应用。 1 1 1 , 3 正算法和倒拆法的比较 在连续刚构桥的旌工监控中，正算法明显优于倒拆法，因为倒拆法的缺点无法克服， 而正算法的缺点我们是有办法解决的1 7 1 。 正算法一般先采用设计标高建立模型，而实际工程中各梁段都是按照立模标高来施 工的，所以其模型误差主要是由初始标高的设置而引起的。可看出，正算法理论计算模 型与实际结构的不符，类似于弹塑性力学中的“小应变大位移”问题，即使不从理论上 考虑这种误差的修正也不会引起太大问题。同时，大量实践也表明：一般情况下，当悬 臂结构的倾角在3 。以内变动时，倾角对内力和挠度的影响非常小，可以忽略不计，通 2 第一章绪论 过直接采用正算法算出的桥梁的挠度值取反号后作为桥梁相对应的预拱度值，其结果已 足够精确。而对于更大跨径的桥梁或其它桥型，证算法理论计算模型与实际结构不符的 问题可以通过迭代法来解决，即利用初始模型第一轮计算推出的预拱度值来修正原来的 立模标高，然后对修改后的模型重新进行计算，并检验模型计算的成桥标高是否与设计 标高相吻合，如果其差值超过允许范围，再按上述的方法修正立模标高，继续进入下一 轮迭代。一般通过2 3 次迭代后就能得到较为准确的各梁段的预拱度值。 综上所述，在连续刚构桥中单独使用正算法比倒拆法更简单方便，正算法适应于人 们习惯的正向思维，如果对理论模型中的初始标高做适当修正，计算精度也足以满足工 程要求。 1 1 2 桥梁的施工监测系统 桥梁的施工监测系统主要包括对桥梁施工状态中的标高、挠度监测及其应力、应变 监测。监测系统的合理设置和自动化、智能化、集中式管理，为施工控制工作的顺利高 效进行提供了良好的条件。第二章中将以肇庆西江大桥为例对旋工监测系统的设置进行 详细的论述说明。 1 1 3 桥梁的工程控制理论 分段施工中桥梁结构的最终形成必然要经过许许多多的旋工阶段，尽管每个阶段都 严格控制施工时的结构几何尺寸、容重、收缩和徐变、弹性模量、预加力和索力等等可 以人为控制的因素，但是不可避免地会出现实际结构状态与理想结构状态的偏差。这种 偏差可能来自于施工本身的误差，也可能是环境误差的干扰，还可能是测量系统的误差。 随着桥梁跨径和结构复杂性的增大，这种误差已经到了影响结构的几何线形、改变结构 内力状态、甚至威胁结构施工安全的程度。如何消除或修正这些误差，确保施工过程中 的结构稳定安全，力求最终成桥受力状态基本符合理想状态要求，已经成为目前桥梁分 段施工中的关键问题。 随着计算机技术和现代控制理论的发展，桥梁工程和现代控制理论相结合形成了桥 梁结构的工程控制嗍。在桥梁结构设计阶段，它可用来控制确定成桥阶段的结构理想状 态以及桥梁结构在各个施工阶段的结构理想状态，通常称之为设计阶段工程控制或结构 理想状态控制；在桥梁结构施工过程中，特别是重复性很强的分段施工过程中，它可在 各个阶段分辨识别结构状态参数，预测估计实际结构状态，最优控制成桥结构状态，通 常称之为施工阶段工程控制或结构最优状态控制。 桥梁结构工程控制跟随着工程控制论的发展，经历了开环控制闭环控制自 适应控制几个发展阶段。 1 i 3 1 开环控制 对于跨径不大、结构简单的桥梁结构，一般总是可以在设计计算中按照桥梁结构的 设计荷载精确计算出成桥阶段的结构理想状态，并根据各个施工阶段的施工荷载准确估 3 华南理工大学硕士学位论文 计出结构的预拱度，在施工过程中只要严格按照这个预拱度进行施工，施工完成后的结 构状态就基本上能够达到结构理想状态的几何线形和内力状况。因为在这种施工过程中 的控制作用是单向向前的，并不需要根据结构的实际状态来改变原先设定的预拱度，因 而又被称为开环控制方法；由于在这个系统中不考虑结构状态方程的误差和系统量测方 程的噪声，因此又称为确定性控制方法 s l 。确定性系统中的结构基本状态如图1 - 1 所示。 图1 - 1 确定性系统中的结构基本状态 f i g 1 - 1e l e m e n t a ls t a t e so ft h es t r u c t u r ei nad e t e r m i n i s t i cs y s t e m 1 1 3 2 闭环控制 对于跨径大、结构又复杂的桥梁体系，尽管可以在设计计算中精确计算出成桥状态 和各个施工阶段的理想结构状态，但是由于施工中的结构状态误差和测量系统误差的存 在，随着旌工过程的进展误差就会积累起来，以致到旌工完毕时，代表实际状态的几何 线形和内力状况远远地偏离了结构理想状态，这就要求在施工误差出现后，必须进行及 时地纠正或控制。虽然结构理想状态无法实现了，但可以按某种性能最优的原则，使得 误差已经发生的结构达到所谓结构最优状态。因为这种纠正的措施或控制量的大小是由 结构实际状态( 计入误差) 经反馈计算所确定的，这就形成了一个闭环反馈系统，因而 称为闭环控制或反馈控制；由于在这个控制系统中出现了结构状态误差和系统量测误差， 因此又称为随机性控制晦删。随机性系统中的结构基本状态如图1 2 所示。 图1 2 随机性系统中的结构基本状态 f i g 1 2e l e m e n t a ls t a t e so ft h es t r u c t u r ei nas t o c h a s t i cs y s t e m 4 第一章绪论 1 1 3 3 自适应控制 虽然闭环控制方法能够通过控制作用，消除由模型误差和测量噪声所引起的结构状 态误差，但是这种随机性控制方法只是在旖工误差产生以后，用被动的调整措施减小已 经造成的结构状态误差对最终结构状态的影响。分段施工中实际结构状念达不到各个施 工阶段理想结构状态是误差生成的重要原因之一，并会使系统模型( 结构有限元分析模 型) 中的计算参数例如截面几何特性、材料容重、弹性模型、混凝土收缩徐变等等与实 际参数之间有偏差。如果能够在重复性很强的分段施工特别是悬臂旌工中，将这些有可 能引起结构状态误差的参数作为未知变量或带有噪声的变量，在各个施工阶段进行实时 识别，并将识别得到的参数用于下一施工阶段的实时结构分析、重复循环，这样在经过 若干个施工阶段的计算与实测磨合后，必然可以使得系统模型参数的取值趋于精确合理， 使系统模型反映的规律适应于实际情况，从而主动降低模型参数误差，然后再对结构状 态误差进行控制，这就是自适应控制又称自组织控制的基本原理。 与闭环控制方法相比，自适应控制方法的最大特点就在于模型参数估计和参数误差 修正。通过参数估计法得到修正后的模型参数后，重新计算各个施工阶段的结构理想状 态，并采用闭环反馈控制方法对结构状态进行控制。这样，经过若干个施工重复工况的 反复识别后，计算模型就基本上与实际结构相一致了瓯l o 。自适应系统中的结构基本状态 如图1 3 所示。 图1 3 自适应系统中的结构基本状态 f i g 1 3e l e m e n t a ls t a t e so ft h es t r u c t u r ei naa d a p t i v es y s t e m 1 2 问题的提出及研究的目的和意义 1 2 1 国内外桥梁施工控制技术的发展概况及存在的不足 1 2 1 1 桥梁施工控制的结构分析方法 桥梁旋工控制的结构分析方法，其主要的研究内容是桥梁旋工过程中的有限元模拟 和仿真，建立合理、与实际相符的施工计算模型。许多学者都在这方面做了很多的工作， 有关这一方面的技术规范在进一步发展和完善；针对桥梁施工控制计算的专业技术软件 公路桥梁结构设计系统g q j s 、桥梁博士等的推出与改进，为桥梁施工控制提供 了很大的方便。但由于桥梁旋工过程的复杂性，且受到混凝土的收缩徐变、预应力损失、 5 华南理工大学硕士学位论文 温度场变化等不确定因素的影响，给有限元的准确模拟带来了很多困难。就单纯从确定 混凝土的徐变模型来说，目前所提出的不同的徐变模型之间存在着较大的差异，至今尚 未得到一个公认结论，规范对徐变的计算方法也多次作了修改 6 1 。对于计算模型中的这 种误差，在目前的旌工监控中一般都是通过工程控制的方法进行一些调整和修正，所以， 如何在结构分析方面取得突破，建立起更加符合实际的桥梁施工计算模型，有待于桥梁 和力学工作者的进一步努力。 1 2 1 2 桥梁施工监测系统的设计 随着现代测试技术和自动化控制系统的发展，以及为了满足现代大跨度桥梁建设和 营运的需要，桥梁的旋工监测系统和桥梁服役过程中的长期健康监测系统一体化的概念 越来越明确，这样不但可以充分的利用原来施工控制中的监测系统，避免资源的重叠浪 费，还有利于从施工阶段开始持续跟踪桥梁结构的内部受力状态，为桥梁的长期健康监 测提供更为丰富的数据资料。目前这一监测系统的设计思想在工程界内己达到一些共识 并开始应用于工程中。 1 2 1 3 桥梁施工控制理论应用 工程界中对于桥梁施工控制系统的研究主要集中在桥梁工程控制理论方面，从2 0 世纪6 0 年代到现在，经历了确定性系统及控制方法( 在2 0 世纪6 0 、7 0 年代应用较多) 随机性系统及控制方法( 在8 0 年代末开始在全世界范围内逐步形成) 自适应系 统及控制方法( 2 0 世纪9 0 年代初开始发展起来) 的发展过程，由于自适应性控制系统 自身的优点及适应于特大跨桥梁的旌工控制，在实际工程中应用越来越广泛。 日本学者在自适应控制方面较早地进行了比较深入的研究。2 0 世纪9 0 年代初期， k a w a s a k i 公司的s a k a i 等人提出了比较完善的桥梁施工控制系统及流程图，并将这一自 适应施工控制系统成功地应用于中跨5 7 0 的r a i n b o w 悬索桥施工控制阁。 同一时期日本t a i s e i 公司的s e k i 和t a n a k a 等人也提出一个斜拉桥控制系统。该系统 包括四个子系统，即状态测量系统、误差分析系统、控制预测系统和重新计算系统，与 k a w a s a k i 公司的s a k a i 等人提出的系统相比，在重新计算系统中考虑了模型参数修正后 对施工理想状态的重新计算及其调整，因而更能体现控制系统的自适应性。这个系统应 用于t o m e i a s h i g a m 桥的施工中i s 。 国内对桥梁施工中的自适应控制方法和结构参数识别方法的研究与国外相比有一定 的差距，但是，近几年来大跨度桥梁建设项目数量的突飞猛进，为国内桥梁学者提供了 大量桥梁施工控制实践的机会。2 0 世纪9 0 年代后期，随着以模型参数识别修正为基础 的自适应控制方法的推广，出现了一批在斜拉桥分段施工中成功采用自适应控制方法的 工程项目，如浙江温州大桥、广东番禺大桥、上海徐浦大桥等桥的自适应控制系统。由 于连续刚构桥不像斜拉桥带有可控制性较强的斜拉索体系，使得控制作用只能通过节段 与节段之间的相对转角或预应力体系得以实现，因此，采用参数修正方法来降低计算模 6 第一章绪论 型与实际结构之间误差的模型自适应方法更具优越性。在这方面，重庆黄花园嘉陵江大 桥、广东镇海湾大桥等的施工控制都取得了成功堋。 在参数识别方面，目前应用的参数估计的方法主要有最小二乘法m 1 1 、卡尔曼滤波法 1 5 , 1 2 - 1 5 ，灰度理论b 1 6 - 1 8 和神经网络方法p j 等等。由于各种算法对数据的处理方法有所不同， 可以根据实际需要选用不同的参数估计方法。 1 2 2 连续刚构桥实际受力状态的研究现状及存在不足 由于连续刚构这种桥型近十几年在工程界应用较广，目前对桥梁旋工技术、桥梁设 计的优化都有一定的经验积累，在桥梁的建设以及投入使用过程中，对桥梁实际受力状 态方面的研究也比较多，如连续刚构桥箱梁中裂缝的分析 2 2 - 2 6 1 、箱梁大吨位预应力锚固端 的应力分析9 7 - 2 8 1 、墩梁固接处的空间应力分析1 2 。3 0 l 、箱梁的剪力滞效应分析 3 1 - ”1 及其它方面 的分析p 蝴等等。但在实地考察和查阅文献资料过程中，还发现存在以下的一些问题值得 我们进一步探讨研究： ( 1 ) 在施工监控过程对箱梁挠度的监测中发现预应力的损失与预应力束长呈现出非 线性的变化关系1 2 1 ，”m 川，一些文献也提到同类桥型中出现的类似情况，本文对这种现象 进行了进一步的验证与研究分析。 ( 2 ) 由于连续刚构桥薄壁墩墩身内部的倒角较多，局部受力比较复杂且存在较明显 的应力集中现象，在一些实地考察中也发现了墩身存在一些较明显的与施工工艺无关的 裂缝，因而有必要对桥墩的受力状态进行具体的分析和研究。 1 3 本文的研究内容 综上所述，在连续剐构桥的施工控制及结构受力状态研究中，还存在不足之处，体 现在以下几个方面： ( 1 ) 国家目前对施工控制监测系统( 或桥梁健康监测系统) 并无统一的技术规范。 系统的数据只能封闭应用和分析，甚至在一个旌工控制监测系统内各传感器测量数据的 采集和处理均是独立的，也没一个统一的节点向外部提供桥梁的监测数据。传感器使用 寿命有限，无法维修，因此成本较大，更重要的是，目前己测试的许多数据，因为没有 相关的软件系统去计算分析，处于闲置状态，无法对大桥的现状做出评估和预测。同时， 桥梁施工控制系统和桥梁服役过程中的健康监测系统往往是分别独立设置的，两者之间 存在相互脱节现象，造成资源的重叠和浪费。 ( 2 ) 模拟桥梁施工过程的各种计算软件存在计算误差，如何选择与实际施工过程相 吻合的结构计算方法及准确选择各种影响参数成为力学工作者的研究课题。 ( 3 ) 对预应力损失的计算，规范中虽然给出了相关的计算公式，但由于一些重要的 计算参数需要通过实验或实测的方法确定，受到多种因素的影响且具有离散性，造成预 应力的损失相当复杂，实测值与理论计算值存在着一定的差异。目前采用计算预应力损 失的模型和方法，还不能很好地反映出预应力损失的真实情况。 7 华南理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 根据连续刚构梁桥的结构受力特点，其桥墩多采用薄壁柔性墩的形式。在实际 工程施工中发现，连续刚构梁桥容易出现墩身裂缝。实际桥梁墩身产生裂纹的原因较为 复杂，可能还与墩身的受力情况有关，但目前也没有确切的解释。 根据以上在连续刚构桥的施工控制及结构受力状态研究中的不足，本文以广东省肇 庆西江大桥扩建工程施工控制项目为背景，对以上提到的连续刚构桥的施工控制以及其 若干力学问题进行了探讨和研究。主要研究内容有： ( 1 ) 对桥梁的施工监测系统和桥梁服役过程中的长期健康监测系统的设计和实现进 行研究。 ( 2 ) 在对桥梁博士等工程应用软件中的结构分析方法进行研究的基础上，提出 如何通过有效手段对计算模型的准确性进行检验。并对计算模型中相关的影响因素进行 分析。 ( 3 ) 对预应力损失与预应力束长之间的关系进行研究，探讨在实际工程中监测预应 力损失的可靠手段和方法。 ( 4 ) 对连续刚构桥柔性薄壁墩墩身的受力情况进行初步的研究。 本文的主要内容包括以下几个部分，分别以六个章节来描述： 第一章：绪论，简单介绍施工控制系统的组成及其发展概况，并提出在施工控制系 统及结构施工受力状态研究中存在的不足和问题。 第二章：对肇庆西江大桥施工控制系统的设计与实现进行详细的介绍。 第三章：简述施工计算模型的建模方法，并从力学分析角度出发，验证施工计算模 型的合理性以及对计算模型中影响挠度变化的各种不确定因素进行分析，为结构的挠度 计算与分析打下基础。 第四章：基于应变测量的方法对肇庆西江大桥的预应力损失情况进行分析，从受力 上进一步验证说明工程中普遍存在的对于悬臂施工预应力损失估计不足的情况，并对影 响预应力损失的相关因素进行分析及提出相应的估算预应力损失的经验公式。 第五章：对连续刚构桥柔性薄壁墩的受力状态进行探讨研究。通过有限元模拟分析， 初步确定桥墩潜在的裂纹产生部位，然后建立监测系统对此处的应力、应变状态进行跟 踪监测，从而检验理论计算的正确性。 第六章：对本文的工作进行了总结和展望。 8 第二章连续刚构桥施_ _ 【= 控制系统的设计与实现 第二章连续刚构桥施工控制系统的设计与实现 桥梁施工控制最基本的要求是保证桥梁施工中的安全和结构线形及结构恒载 内力符合设计要求。连续刚构桥各施工阶段是一个连续、系统的施工体系，前期 工作的成果直接影响后期阶段的结果，且由于连续刚构桥自身的特点，特别是施 工标高偏低的情况很难在后续阶段予以弥补。因此，连续刚构桥的施工控制工作 重点应为主梁标高即线形的控制，辅以应力检测以策结构安全m 删。 第一章中已介绍了旋工控制系统由结构分析、监测系统设置、控制系统建立 和计算模型反馈计算等几大部分组成，本章将按照这几部分的内容详细介绍肇庆 西江大桥扩建工程施工控制系统的设计与实现。其中，有关结构计算方法的选取 以及计算模型的建立和分析的内容详见第三章。 2 1 依托工程概况 肇庆西江大桥扩建工程主桥为( 5 1 4 + 9 4 + 4 1 4 4 + 8 7 ) m 预应力混凝土刚构一 连续组合箱梁桥，主桥长8 1 2 4 8 m 。主桥上部箱梁全宽1 2 5 m ，横断面为单箱单 室带双悬臂，箱梁底板宽6 8 m ，两侧悬臂2 8 5 m 。箱梁支点根部梁高8 0 m ，跨中 及支架现浇段梁高2 8 m 。箱梁0 、1 号梁段长度分别为5 4 m 、3 3 m ，悬浇施工的 梁段长度，2 、3 号梁段为3 0 m ，4 9 号梁段为4 0 m ，1 0 b 1 6 号梁段为5 0 m ， 合拢段长均为2 0 m 。主桥共8 个主墩，7 个主孔，如图2 - 1 所示，其中主24 6 。 墩采用悬臂挂篮旖工( 如图2 2 所示) ，主0 4 1 “墩和主7 。墩上的梁段采用搭支 架现浇的方法施i ( 如图2 - 3 所示) 。合拢方案为：先合拢边跨( 主、孔) ， 接着合拢次中跨( 主、孔) ，然后拆除主2 4 、6 ”墩悬臂施工时的临时固结， 将其转换为铰支座，完成体系转换，最后合拢中