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桥梁安全施工的实时应力数据采集系统 摘要 桥梁施工控制体系中的数据采集关系到桥梁成桥后的结构内力和线形是否 符合设计要求和桥梁交付使用以后的健康安全状况，而桥梁的各种应力测试是旋 工检测的主要内容之一。应力数据主要是梁桥的桥墩、桥梁的受力数据和悬索桥、 斜拉桥的拉索的受力数据。各指定点应力值随着施工阶段的推进不断变化，通过 对桥梁受力情况进行检测，控制系统及时发出安全预警以及发出控制指令指导以 后的施工，所以能否实时采集各个应力数据关系重大。当前的应力数据采集主要 采用的方法是：由专业技术人员定期到现场对桥梁应力进行测量，然后将获得的 数据人工输入计算机。由于在调整某根拉索时其他索力随之改变，斜拉桥在施工 过程中的索力测量频繁，过程复杂；测量方法又使工作人员不能立刻知道改变后 的应力值，因而不能及时得知桥梁状况是否安全。这些方法的最大的缺陷是在不 同时间对空间不同点进行逐点测量，因此测得的数据并不是实时的，不能实时的 反映桥梁的受力状况，也不能及时的进行预警和调整控制指令。 首先，本文对预应力混凝士桥梁和斜拉桥的控制和应力数据采集进行了研 究。第二步，提出一种桥梁应力数据采集系统，能够现场实时采集多点的应力值 并传输到主控计算机，通过主控计算机进行应力数据、实测应力值与设计应力值 的误差以及误差是否超出安全范围等的实时显示，通过该计算机上的人机交互控 制界面进行报警，并且根据各种控制方法预测下一步要调整的参量和步骤。 关键词：桥梁施工控制；实时应力数据采集；安全监控；索力调整 r e a l t i m es t r e s s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rs a f e b ri d g ec o n s t r u c t i o n a b s t r a c t t h ed a t aa c q u i s i t i o ns v s t e mi nt h eb r i d g ec o n s t r u c t i o nd e c i d ew h e t h e rt h e s t r u c t u r e 、i n t e m a lf o r c c 、1 i n es t y l eo f t h eb r i d g em e e tt h en e e do f t h ed e s i g nw h e ni ti s b u i l ta n dw h e t h e rt h eb r i d g ec a nw o r ks a f ea f t e ri ti sp u ti n t ou s e a tt h es a m et i m et h e m e a s u r e l n e n to fe v e r ys t r e s so ft h eb r i d g ei st h em a i nt a s ko ft h ec o n s t r u c t i o n m e n i t o t i n gs y s t e m t h es t r e s sd a t am a i ni n c l u d et h ec o n c r e t es t r e s so f t h ep r e s t r e s s e d c o n c r e t eb e a mb r i d g ea n dt h ec a b l es t r e s so ft h ec a b l e - - s t a y e db r i d g e t h es t r e s sd a t a o f e v e r yd e s i g n a t e dp o i n tc h a n g e sa l o n gw i t ht h ec o n s t r u c t i n gp r o g r e s s b yi n s p e c t i n g 血el o a d i n gs t a t eo f 也eb r i d g e t h ec o n t r o ls y s t e mc a p _ a l a r mi na d v a n c ei n m l e d i a t e l y a n dg i v et h ec o n t r o li n s t r u c t i o nt og u i d et h ef o l l o w i n gc o n s t r u c t i o n s ot h er e a i - t i m e s t r e s sd a t aa c q u i s i t i o np l a y st h ek e yr o l e n o wt h em a i nm e t h o dt h a tg a i n st h es t r e s s d a t ai s ：t e c h n i c a lp e r s o n sm e a s u r et h es t r e s so f t h eb r i d g er e g u l a r l ya n dt h e ni n p u ti tt o t h ec o m p u t e r b e c a u s eo t h e rc a b l e ss t r e s sc h a n g ew h e no n ec a b l es t r e s si sa d j u s t e d ， t h ec a b l es t r e s sm e a s u r e m e n ti n t h ec o n s t r u c t i o no fc a b l e - s t a y e db r i d g ei sv e r y f r e q u e n ta n dc o m p l i c a t e d ；a n dt h em e t h o do fm e a s u r e m e n tm a k et h eb u i l d e r sc a n t k n o wt h ee h a n g eo f t h es t r e s s ，s ob u i l d e r sc a n tk n o ww h e t h e rt h eb r i d g ei ss a f eo rn o t i nt i m e t h em a i nl i m i t a t i o no ft h i sm e t h o di st om e a s u r et h ed i f f e r e n tp o i n t sa 土t h e d i 鼠r e n tt i m e t h e yc a l l ta c q u i r e dt h er e a l - t i m ed a t aa n dt h el o a d i n gs t a t eo ft h e b r i d g es oa st oc a n tg i v ea l a r n la n da d j u s t m e n tc o n t r o l l i n gi n s t r u c t i o ni nt i m e f i r s t ，t h et h e o r yo fc o n s t r u c t i o nc o n t r o l 、t h es t r e s sd a t aa c q u i s i t i o no fl o n gs p a n p r e s t r e s s e dc o n c r e t eb r i d g ea n dc a b l e s t a y e db r i d g ea r e 抵n s s e d s e c o n d ，ab r i d g e s t r e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sp u tf o r w a r d , t h er e a l - t i m es t r e s sd a t ao ft h el o c a l m u l t p o i n tc a nb ea c q u i r e di nt h es y s t e ma n dt h e nt r a n s m i t t e dt ot h ec o n t r o l l i n g c o m p u t e r a f t e rc a l c u l a t e db yt h ec o m p u t e r , t h es t r e s sd a t a 、t h ee i m rb e t w e e nt h e m e a s a r e ds t r e s so nt h es p o ta n dt h ed e s i g n e ds t r e s s 、w h e t h e rt h ee r r o ro v e r r u nt h es a f e r a n g eo rn o ta r es h o w e dt h r o wt h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo nt h ec o m p u t e r a l a r m w o u l db eg i v e ni fi t sn e c e s s a r y , a tt h es a m et i m et h ec o m p u t e rp r o v i d et h ep a r a m e t e r m a tn e e dt ob ea d j u s t e da n dt h ec a b l ea d j u s t i n go r d e rb a s e do nt h ea p p o i n t e dc o n t r o l a r i t h m e t i c k e yw o r d s ：c o n s t r u c tio nc e n t r e l a c q u i s i t i o n ：m o n i t o ro fs c o u r i t y ： o fb r i d g e ：r e a i - t i m es t r e s sd a t a c a bief o r c ea d j u s t m e n t n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵；垫遗直墓地盏墨鳖型壹盟 煎! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所微的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名象宓将 签字日期例年月日 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，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名粟砑谦 签字日期：伽略l f 月如日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签字：瑭 胡之 签字目期：b 。0 年b 月乙日 电话 邮编 桥梁安全施工的实时应力数据采集系统 0 前言 0 1 选题背景 近几十年来，我国的基本建设处在一个高发展期，建筑业、交通业也飞速发 展。特别是桥梁的建设最近几年在铁路以及公路的建设中起到越来越重要的作 用。桥梁建筑业的发展又恰逢信息化的时代，电子信息化技术正不断渗入桥梁建 筑施工领域。在国外，在桥梁建设领域的信息化程度已经比较高，桥梁施工控制 的自动化程度也比较高，而我国桥梁施工控制方面的信息化程度与国外差距还是 巨大的。国内的桥梁施工控制目前普遍采用人工进行测量各种数据，人工输入， 并且有些还是主要靠人工分析数据，自动化程度很低，大多数还是半自动化状态。 因此怎样把电子信息技术与桥梁建设技术两个领域进行充分结合，提高桥梁施工 控制的自动化程度是目前国内亟待解决的问题。 在桥梁施工中，各种应力数据的采集是关系到桥梁成桥后的结构内力和线形 是否符合设计要求和桥梁交付使用以后的是否健康安全的重要因素。目前国内采 用的测量技术还主要是人工逐点进行测量，也就是在不同的时间在不同的点进行 测量，在时间上不能达到实时性，在空间上不能达到同步。本文提出一套实时数 据采集系统，重点解决上述存在的问题。 0 2 课题任务以及论文安排 本课题来自于实际的桥梁建筑施工控制项目，并致力于提高桥梁施工控制中 的自动化程度。解决应力数据采集的实时性问题是课题的主要任务 在论文的第一章主要对现在桥梁施工控制理论的发展进行介绍，并详细分析 了桥梁施工中的数据采集的现状和存在的问题。第二章介绍所采用的实时数据采 集系统的硬件组成以及采集的原理。第三章提出在实时数据采集系统的基础上施 工控制的具体过程，特别是斜拉桥的施工控制过程的研究比较详细。第四章对实 时数据采集的软件系统进行介绍。第五章对本论文进行总结并对以后的工作进行 展望。 桥梁安全旌丁的安时应力数据采集系统 1 桥梁施工控制理论及应力数据采集的现状 桥梁施工过程本身是一个完善的系统工程，桥梁施工的过程也就是系统的运 行过程。在桥梁施工中，结构的安全性和成桥状态就是该系统所要达到的目标一 桥梁施工控制目标。对这样复杂的目标，仅通过事后检查是无法实施的，所以 只有对桥梁的施工过程这个系统的运行进行控制，才能保证目标的实现n “。 据现代控制论的观点，桥梁的施工过程是一个信息采集、信息分析处理和信 息反馈的过程。其中现场测试过程有：采集结构计算参数的各类数据信息，包 括材料容重、弹性模量、构件面积尺寸、施工临时荷载等：实时测量过程有：对 各个重要施工阶段，测量施工控制所关心的结构线形、应力以及温度等物理量； 施工控制计算过程0 1 ：施工控制的核心部分，其作用是进行设计参数的识别与修 正，确定预测控制值；容许误差指标过程：根据设计要求、施工工艺和相关的施 工和制造规范制订出的误差控制和调整的具体措施，一方面通过误差控制，预测 和调整下阶段的施工状态，以施工控制指令的形式为施工提供反馈信息，另一方 面，在施工控制计算、应力和变形测试以及误差分析中，确立施工期间的安全预 警体系。 这个控制体系中的信息采集、信息分析处理两步为后边的反馈信息提供主要 的依据和来源，所以在整个控制过程中具有重要作用。对结构截面的应力( 包括 混凝土应力、钢筋应力、钢结构应力等) 进行测试是施工检测的主要内容之一。 无论石拱桥、梁桥、还是斜拉桥、悬索桥，其结构某指定点的应力值，也是随着 施工阶段的推进而不断变化的。通过对关键截面受力情况的检测，适时发出安全 预警以便及时采取措施，保证结构安全。因此，应力检测是施工过程的安全预警 系统的重要组成部分。 1 1 桥梁中混凝土应力的数据采集 在各种类型的梁桥中的应力数据是先在桥梁的混凝土中某些特殊位置：1 3 1 布 设需要数量的传感器，然后由专门的测量人员用应力计逐个测量，测得的应力值 数据记录在表格中或者输入电脑中。这样的应力值检测是由测量人员每隔一段时 间定期完成的，以在施工中不断将数据反馈到上级监控部门，作为下一步数据分 析并做出安全预警的主要依据。 虽然现在各厂家生产的应力计的精度已经有了很大的提高，数据的准确性已 经有了很大提高，但是一方面这些不同点的数据并不是同时测得的，各个点之间 的应力值的测量有时间问隔，这样就不能准确反映某个时刻桥梁的受力状态；另 一方面这些数据的录入计算等也要花费一定时问，不能达到数据的实时采集与及 2 桥粱安全施工的实时应力数据采集系统 时的安全预警。在数据上交这段时间里面就很有可能由于桥梁桥墩等受力不均造 成桥梁的坍塌，严重威胁施工人员的安全，造成巨大经济损失。可见，只有解决 应力数据采集的实时性，才能有效的避免这类事故的发生。 1 2 斜拉桥施工控制中的索力优化以及索力调整 1 2 1 斜拉桥施工控制的概念以及必要性 斜拉桥是一个由主梁、索塔、斜拉索三种基本构件组成的组合结构。现代 斜拉桥以其良好的结构性能和跨越能力以及优美的建筑造型在现代桥梁结构中 占据重要的地位。现代结构理论、高强材料、计算机技术以及施工方法的进步， 使得斜拉桥在近5 0 年问迅速发展，最大跨径记录一再刷新，这不仅推动结构的 分析设计理论的发展，同时，也使斜拉桥的施工控制理论成为桥梁设计者、桥梁 施工者以及桥梁研究者竟相研究的重要课题。 因为斜拉桥属高次超静定结构，在施工阶段结构内力和变形不断发生变化。 。 因此，在斜拉桥的施工过程中，通过对温度、索力，主梁标高、塔顶位移、线形 i 等施工控制参数的监测，并对每一施工阶段进行详尽的分析和验算，求得斜拉索 的张拉吨位、索力、主梁挠度、塔顶位移以及结构内力等施工控制参数的理论计 算值，且在施工中加以有效的控制，对结构体系计算所采用的参数进行识别，计 算和修正，以消除或减少实际线形和索力等与设计目标值的偏差，以保证斜拉桥 在施工过程中结构的受力状态和变形始终处于设计所要求的安全范围内，成桥后 ， 的主梁线形符合设计期望，结构本身又处于最优的受力状态。同时保证斜拉桥 施工质量和施工安全。斜拉桥施工的这种控制管理过程称为斜拉桥施工的施工 控制 。 斜拉桥施工控制最基本的要求是保证施工中的质量、安全和结构恒载、内力 及结构线形符合设计要求。由于斜拉桥结构型式和施工工艺、施工方法有许多， 对于具体某一座斜拉桥的施工控制又有它的侧重点旧。 斜拉桥的施工是一项复杂、艰难的工作，为了保证斜拉桥施工的成功，更好 地保证其施工质量和施工安全，斜拉桥的施工控制是必不可少的，必须要对施工 建设的整个过程进行严格的施工控制。斜拉桥的施工控制是其施工质量和施工安 全的强有力的保证和手段。当发现施工过程中监测的实测值与计算的预计值相差 过大时，就要进行检查和分析原因，丽不能再继续进行施工，否则将可能出现事 故m 另外，斜拉桥的施工控制也可以对斜拉桥营运中安全性和耐久性进行综合监 测。 桥梁安全施1 = 的实时应力数据采集系统 斜拉桥的施工控制在国外起步较早，目的，国外发达国家已将斜拉桥的施工 控制纳入施工管理工作中。施工控制方法已从人工测量、分析与预报发展到自动 监测、分析与预报的计算机自动控制，己形成了较完善的斜拉桥旌工控制系统。 而国内起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以前在斜拉桥施工中已注意到结构应力调整和 预拱度的设置，但并未将系统控制概念引入，在施工建成的斜拉桥中，成桥状态 不符合设计要求的情况时有发生，在某种意义上制约了斜拉桥的发展。2 0 世纪 9 0 年代以后，人们逐渐从理论与实践中认识到斜拉桥施工控制的重要性，但对 施工控制的理论研究得还不够，控制手段落后，影响因素研究不透，预测和判断 精度不高，还未建立起一套完善的施工控制系统。因此，深入分析研究施工控制 理论，研制更加合理和实用的控制软件，提高监测的精度和自动化、可视化程度 以及建立起一套完善的控制系统，是今后斜拉桥施工控制必须进行的研究工作。 斜拉桥工程，结构复杂，规模巨大，己难以用一般的手段来监测与控制，必 须通过埋设新型传感器和应用先进的信号处理技术，以及建立在线( 服役) 斜拉桥 专家系统，形成智能控制系统。从而提高施工控制的科学性、可靠性、可操作性 和可视化程度，这将是斜拉桥施工控制的发展方向。 施工控制的内容包括几何控制、应力控制、稳定控制、安全控制”1 。 1 2 2 斜拉桥施工控制系统 1 2 2 1 影响斜拉桥施工控制的因素 斜拉桥施工控制的主要目的是使施工实际状态最大限度地与理想设计状态 ( 线形与受力) 相吻合。要实现上述目标，须全面了解可能使施工状态偏离理论设 计状态的所有因素。影响施工控制的主要因素”1 有以下几种：结构参数、施工工 艺、施工监测、结构计算分析模型。 1 2 2 2 斜拉桥施工过程的主要控制方法 目前斜拉桥施工阶段施工控制的主要方法可以归纳为三类：开环控制、反馈 控制和自适应控制啪。 开环控制也叫事后调整法。斜拉桥施工的开环控制方法在工程实践中一般不 采用。反馈控制就是通过施工控制量的实测数据，进行计算，得出调整量，纠正 偏差。在闭环反馈控制的基础上，加上一个系统参数识别过程，整个控制系统就 成为自适应控制系统帆。当结构测量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法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量 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， 再按反馈控制方法对结构进行控制。参数识别的算法有二类：一类是基于误差最 小化的算法，如最小二乘法等：另一类则是基于随机状态估计理论的算法，如普 4 桥粱安全施工的实时应力数据采集系统 遍推广的卡尔曼滤波法等。 国内外斜拉桥施工控制的比较如表1 1 “”。 螬外爱镶藏自适袤 j，j， ， 皇堕 垂矍璧自重呈! 之 塑壅生z翌矍尘 表1 1 国内外桥梁施工控制方法对照 1 2 2 3 国内外已经应用于施工控制实践中的控制方法 目前国内外已经应用于工程实践中的具体施工控制方法有：参数识别法、灰 色预测控制系统、卡尔曼滤波法，最佳成桥状态法、顺推法、无应力状态控制法、 零弯矩拼装法，以及日本研究的斜拉桥施工精度控制系统等等。 o 一 耐 参数识别法是在斜拉桥施工过程中根据实测主梁的内力和挠度、塔柱的水平 位移、斜拉索的索力以及支座反力等信息运用最小二乘法1 识别和修改设计时采 用的参数，如构件截面特性，混凝自重、徐变系数和斜拉索索力等，对结构进 行实时分析，对原有设计值进行校核和调整，重新给出标高、内力和索力的施工 控制值。这种方法所给定的实时跟踪分析系统有时滞后于施工 钐 灰色预测控制系统采用灰色系统理论建立模型，以预测控制理论对斜拉桥的 施工过程有效控制“”。此法增大工作量，且修正有限度 最佳成桥状态法定义了最佳设计成桥状态、最佳施工阶段和最佳成桥状态二 个重要概念，并论证了二者的关系。该控制方法的实质是通过索力调整的手段使 每一施工阶段成为最佳施工阶段，从而最终实现最佳成桥状态。在研究该控制方 法时考虑了混凝土收缩徐变影响的调索方法，但该方法没有预测功能。 顺推法的基本思想是按施工阶段和施工工艺及施工方法计算各梁段累加至 成桥后的挠度，将该挠度作为梁段施工抛高量。它不是一个施工控制系统“ 无应力状态是将成桥状态各单元无应力长度和无应力曲率作为施工安装过 程的控制量来实现对成桥目标的自动逼近此法没有预测功能。 零弯矩法的思想是每一拼装梁段的重量由此梁段中的斜拉索来平衡，因而正 在施工安装的梁段对已拼装的梁段不传递弯矩和剪力而只传递轴向力。并指出了 在制作误差影响下怎样进行转角微调，但结果表明最终线形是折线形，并不平顺。 零弯矩法不是一个完整的施工控制系统，而且零弯矩施工控制方法只适用于对称 桥梁安全施j 的实时应力数据采集系统 结构悬拼法施工，也使其应用受到一定的限制。 卡尔曼滤波法“3 1 不要求贮存过去的观测数据。当新的数据被观测到后，只要 根据新的数据和前一时刻的估计量，借助于信号过程本身的状态转移方程，按照 一套递推公式，即刻算出新的估计量。因而它大大地减少了计算量和存贮量，便 于实时处理。在最近2 0 年里，k a l m a n 滤波法集中应用于斜拉桥的施工控制中， 并取得了较好的效果。从近几年的工程实践来看，在多阶段悬臂施工的斜拉桥施 工控制中，k a l m a n 滤波原理可以用来预测和调整施工误差，至于在设计参数辨 识和修正方面的应用，还只处于理论研究阶段，具体的工程实践未见报道。 k a l m a n 滤波法是在实际施工中最常用的一种控制方法。 1 2 2 4 桥梁施工控制系统结构 斜拉桥施工控制系统的建立及其功能的确定要根据不同的工程施工实际分 别加以考虑，但不论是哪种类型的斜拉桥的施工控制系统，都必须具备管理与控 制的功能，即施工控制系统一般应由施工控制管理与施工现场( 微机) 控制两个分 系统组成，而分系统又由多个支系统组成“1 。斜拉桥施工现场( 微机) 控制分系统 是施工控制系统的核心，它包含整个施工控制的主要分析过程，具有数据比较、 当前状态把握、误差分析、参数识别、前进或倒退仿真分析、未来预测等功能。 施工现场( 微机) 控制分系统包括施工控制分析支系统、结构状态监测与参数识别 支系统、误差分析与实时跟踪分析支系统。 整个施工控制系统的运转如图1 1 。 鬻期缝构分析计算 镁告橡荐和索力 型 现场数据采集 设计参数谖整i p , 别 是聚杯商- 索 力、斑变、温 度汪塔顶俊 证，截萄尺寸 和弹性摸量缚 设计参敷误差预铡 张控豢力和- o - 模标高调筐分析 预告下一蘩段立攘标新翮张拉索力 i 璺j1 1 施i ：控制系统的_ i 龟转原理图 6 桥粱安全施工的实时应力数据采集系统 1 2 3 桥梁施工中索力优化以及索力调整 在斜拉桥的旖工过程中必然会存在各种误差。其中最主要的有两种；一种是 梁的标高误差，另一种是斜拉索索力的误差。目前最常用的方法是通过调整斜拉 索的索力来使误差保持在规定的允许范围之内。这种在斜拉桥施工控制过程中斜 拉索索力调整纠偏的过程称为斜拉桥的索力调整。 斜拉桥成桥恒载内力分布好坏是衡量设计优劣的重要标准之。合理的成桥 状态当属塔、梁在恒、活载作用下弯曲应力小且均匀的受力状态。在斜拉桥施工 阶段的施工控制中，通过调整斜拉索的索力来纠正施工中的偏差是工程中常用的 方法之一。对于斜拉桥结构体系，总能找出一组斜拉索力，它能使结构在确定性 荷载作用下，某种反映受力性能的目标达到最优。求解这组最优索力，就是斜拉 桥的索力优化。 1 2 3 1 索力调整的方法 主要的索力优化的方法有三种，他们分别是斜拉索多次张拉法、卡尔曼滤波 法、最大满足度法 ! l 斜拉索多次张拉法 1 确定合理的成桥索力，同时又能保证施工中的塔梁受力均匀合理，是目前进 行大跨度斜拉桥施工监测控制的主要目标。般在大跨度斜拉桥的施上控制中， 可以充分利用斜拉索的“主动受力”的特征，通过多次张拉斜拉索使最终调索后 的成桥索力与合理成桥状态的索力相近“o 2 卡尔曼滤波法 在大跨度斜拉桥施工阶段的施工控制中，卡尔曼滤波法是一种比较理想的调 整索力的方法。卡尔曼滤波法“”的详细原理在文献【1 3 】中有详细描述。 3 满意满足度法 满意满足度法是大跨度斜拉桥施工阶段施工控制过程中调整索力、计算索力 调整量的一种实用方法。该方法定义了目标函数的最大满意度和约束的最大满足 度，应用数学规划的理论和方法，求得索力调整量的满意满足解。利用该方法时 可根据施工实际情况给出合适的满意度函数、满足度函数，从而能得到更符合工 程实际的索力调整成果“”。 1 2 3 2 索力优化的具体实施办法 索力优化的具体实施办法可归结为三类方法：指定受力状态的索力优化、无 约束的索力优化、有约束的索力优化，而最近索力优化的影响矩阵法得到不断的 7 桥梁安争施工的实时应力敬据采集系统 应用。 1 指定受力状态的索力优化法 该方法的代表是刚性支承连续梁法。这种方法将大跨度斜拉桥主梁在恒载 作用下弯矩呈刚性支承连续梁状态作为优化目标。将主梁、索梁交点处设以刚性 支承进行分析，计算出各支点反力“”利用斜拉索力的竖向分力与刚性支点反力 相等的条件确定最优索力。这种方法的优点是力学概念明确，计算简单，且成 桥索力接近“稳定张拉力”，有利于减小徐变对成桥内力的影响。但是，通过施 工来实施这种内力状态是困难的。 2 索力无约束优化法 该方法的典型例子是弯曲能量最小法和弯矩最小法“”。弯曲能量最小法“” 是用结构的弯曲应变能作为目标函数。弯矩最小法是以弯矩平方和作为目标函 数。这两种方法只适用于恒载索力优化，无法计入预应力索影响。 3 索力的有约束优化法 这类优化方法的典型例子主要有：用索量最小法和最大偏差最小法。用索量 最小法以斜拉桥索的用量( 张拉力乘索长) 作为目标函数，以关心截面内力、位移 期望值范围作为约束条件“”。使用这种方法，必须合理确定约束方程，否则容易 引出错误结果。最大偏差最小法是将可行域中参量与期望值的偏差作为目标函 数，使最大偏差达到最小哪! 。这是一个隐约束优化问题，最后归结为一个线性规 划闯题。“。这种方法适用于成桥状态和施工中的索力优化。 4 索力优化的影响矩阵法 索力优化的影响矩阵法唿。1 既能计入各种因素( 如收缩、徐变、预应力索等) 的影响，又能同时得到几种目标函数的优化结果供设计者进行比选，是一种比较 好的索力优化方法。具体方法在后边的本设计软件设计中有描述。 1 2 4 索力调整中的数据采集 1 2 4 1 索力调整中需要实地采集的数据 现场测试的数据是进行桥梁施工控制计算分析的输入数据，具有关键作用， 他们的准确以及及时与否关系到整个控制过程的成败与效率。需要采集的数据包 括索塔变位测量、梁体线形测量、索力测量、温度测试、应力测试。 l 索塔变位测量 主塔变位测量包括顺桥向和横桥向二个方向变位值的测量。 桥梁安全施工的实时应力数据采集系统 主塔在施工和成桥状态通过斜拉索均承担相当部分的梁体重量。在不平衡荷 载和大气温差及日照影响下，均会使主塔产生不同程度的变形。为了不影响主梁 的架设施工，必须研究掌握主塔在自然条件下的变化规律以及在索力影响下偏离 平衡位置的程度。 测量方法：主要采用天顶基准法、投影法( 或称测小角法) ，测距法等三种方法。 所使用的仪器设备为经纬仪和全站仪等。测站点的布置一般选在梁顶面上相应较 为适当的位置，观测点的布置可随测试阶段作相应的适时调整，一般设置在塔柱 侧壁或顶端部位“。 2 梁体线形测量 主梁线形测量包括高程测量和中线测量。 高程线形测量采用几何水准测量法，测出已施工各节段的节段控制水准点的 绝对标高，再根据各节段竣工时测得的与其梁底的高差，推算出相应节段的梁底 标高。随着液体静力水准量仪的改进和自动化程度的提高，高程线形测量变得简 单了。 中线测量是观测已施工节段的中线点相对于桥轴线的偏距。中线测量的一般 方法是用经纬仪中线测量观测时间应与高程线形测量同步。 高程测量和中线测量的测点一般均布置在梁顶面上。观测点断面间距应根据 主梁长度确定。一般情况下在梁体应力、温度测量断面必须设点，其它部位可酌 情确定“1 3 索力测量 拉索索力的准确与否直接关系到主梁的线形，乃至施工安全。因此，在施工 中必须确保索力测试结果正确可靠啪1 索力测量的方法在下面进行详细介绍。 4 温度测试 温度变化，特别是日照温差的变化，对于斜拉桥结构内力和变形的影响是复 杂的。在施工阶段日照温差对主梁挠度和塔柱水平位移的影响尤其显著。温度的 影响总体上可分为二种。一是昼夜温差，二是季节温差。测量时间宜在清晨。 为了便于施工控制资料的分析，应测量出较有代表性的某一天或同天2 4 h 内结构温度变化情况。结合塔柱偏移和主梁线形测量结果，总结出结构日照温差 变形规律和季节性的温差变形规律嘲1 。温度测量元件一般选用性能优良的热敏电 阻。主梁和塔柱的温度测试断面一般与应力测量断面相同以资对应，也便于计 算分析。索温测量的一般方法是制造一段同实索等粗的长约1 5 m 的试验索，在 9 桥梁安伞施工的实时应力数据采集系统 其中心和内部以及外表对称布置测点。”，吊挂于施工现场实索部位，以承受同样 的大气环境条件。对其它实索，每种型号选择l 2 根，在其表面布设测点，测得 表面温差，对照试验短索的测量结果，确定实索的内外温差。”。 5 应力测试 斜拉桥应力监控测量包括梁的安装应力监测和塔的施工应力监测两大类。主 要目的是了解梁塔控制截面的应力状况，并对梁体重量及其它荷载变化情况进行 判断，确保结构旅工安全。 施工应力测试是一项长期的现场观测，涉及的测试技术困难较多。至今，国 内外尚无十分完善的解决办法。针对混凝土梁则选用钢弦式应变计，并用无应 力计加以补偿，测试结果较好，可以满足施工监控的要求。 施工应力测试影响因素相当复杂，荷载作用引起的弹性应变之外，还有与收 缩、徐变、温度等因素有关的应变。对浇铸混凝土梁，在埋设应力测点的相同部 位埋设无应力计，补偿混凝土自身的体积应变和收缩应变以及自由温度应变。并 且在测试工艺上采取有效措施，使混凝土徐变啷1 和温差产生的应变减少到最低限 度，或根据测量时的龄期、环境温度状态进行修正，这样，可以达到施工监控的 目标。 施工应力测试截面一般由设计院根据施工计算的控制截面确定。混凝土梁施 工应力测点一般是测试截面的法向应力，对于箱梁截面应在顶扳和底板上布设测 点，对于主梁结构应在主梁上下边缘处布设测点，方向与截面法向一致。在主横 梁中部，宣布设横桥向应力测点。 对钢箱梁和钢桁梁结构，可选择控制部位和控制件、连接部位等制作手持式 应变计测点，并读取初始读数的钢构件温度及环境，结合温度补偿测点的数值， 以便正式测量时参照修正。 1 2 4 2 现行斜拉索索力测量方法 过去曾经用过和现在正在用的方法主要有以下4 种，其中现在应用最多的是 频率法。 l 压力表测定千斤顶液压 由于千斤顶的张拉，油缸中的液压和张力有直接的关系，所以，只要测定张 拉油缸的压力就可求得索力汹1 。 使用0 3 o 5 级的精密压力表，并事先通过标定，求得压力表所示液压和千 斤顶张拉力之日】的关系，则利用压力表测定索力的精度也可达到1 2 。 o 桥粱安全施工的实时应力数据采集系统 由液压换算索力的方法，简单易行，因而是在施工过程中控制索力较实用的 一种方法，适合于施工阶段拉索张拉时确定张拉索索力，对于成桥后的索力测量 就不合适了，因为在高度很大的桥塔上反复移动和安装大吨位千斤顶很复杂。 2 压力传感器直接测定 张拉时，千斤项的张拉力通过连接杆传到拉索锚具，如果在连接杆上套装一 个穿心式的压力传感器，张拉时处在千斤顶张拉活塞和连接杆螺母之间的传感 器，在受压后就输出电讯号，于是就可在配套的二次仪表上读出千斤顶的张拉力。 为了减小传感器的高度，常采用孔幅式或轮幅式传感器。这类传感器应当专门设 计，并由专业工厂制作，方可收到良好效果，但因其不能拆卸，故需求量较大， 每根斜拉索内应布置一个 3 频率法测定索力 频率法测定索力虽然是一种间接测得索力的方法，但是是现阶段施工中比较 常用的测量索力的方法。 用该方法测量拉索索力，需首先设法测出拉索的振动频率，因拉索的振动频 率与拉索的索力之间存在着一定的关系对于某一根给定的拉索( 即已知拉索的 长度、每米拉索的质量及拉索两端的支承条件) ，只要测出拉索的振动频率，便 可求得该拉索的索力。但采用频率法基于弦振动原理所确定索力的精度是否满足 施工控制的要求，拉索的刚度、垂度及拉索的边界条件等因素的影响到底有多大， 索的计算长度如何确定等问题应进行全面分析。根据测定拉索振动频率的不同方 法，频率法又可分为共振法和和随机振动法。采用共振法测量拉索振动频率时， 要用人工激振使斜拉索振动，然后用频率计测出拉索的频率。用随机振动法测量 拉索振动频率时，不需对拉索进行人工激振，而是利用风、桥面振动等环境随机 振源对拉索的激励。在环境随机振源的激励下，拉索的振动也是一种随机振动， 可利用频谱分析仪对拉索的随机信号进行频谱分析。可得到拉索的若干阶振动频 率”。 4 磁通量法 利用放在索中的小型电磁传感器测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量 变化的关系推算索力嘲。这种方法目前还存在许多的实际应用困难，所以应用较 少。 1 2 4 3 以上各测量方法的缺点 1 2 4 3 1 测量方法本身的缺点 由于千斤顶的重量很大，并且安装比较复杂，所以应用起来很不方便，并且 桥梁安会施t 的实时府力数据采集系统 斜拉桥成桥后使用困难，所以千斤顶法并不是一种理想的测量方法。压力传感器 的售价相当高，特别是大吨位的传感器就更贵，自身重量也大。因此，这种方法 虽然测定的精度好，却只能在特定场合下使用。置于千斤顶张拉活塞和连接杆螺 母之间的传感器，仅适用施工阶段的索力测量；置于锚具和索孔垫板之间的传感 器，由于其数量较多且价格昂贵也较少采用。磁通量法由于处在实验室的研究阶 段，面临很多的实际应用困难，应用较少“”。 频率法测量虽然应用很多，但是其精度也存在很多的影响因素。频率法测量 时，斜拉索的抗弯刚度、拉索自身的垂度，拉索的边界条件是影响频率法精度的 主要因素。因为三种因素不能同时忽略。这三种主要因素的影响分别为： ( 1 ) 由于斜拉索的两端有强大的锚固装置，存在固结作用，因此忽略了这个 边界条件就会引起索力的偏大，对于比较短的索来说，误差会很大，远远超过 5 ；另外，在城桥以后，为抑制斜拉索的振动，一般在斜拉索两端的索导管内 安装阻尼减振圈，阻尼减振圈能吸收斜拉索的振动能量，同时将整根斜拉索分成 中间长、两端短得三部分，使得拉索的固有频率有所提高，拉索的振型也有所改 变，这样如果还是按照原来的索长进行计算就会引起比较明显的误差，并且只有 对斜拉索减振器安装前后进行参数识别，确定安装前后斜拉索的支承长度才能进 行有效计算；对于比较短的斜拉索，这种误差会超过5 阻5 “1 。 ( 2 ) 抗弯刚度也能对频率法测量索力造成误差，特别是对短索影响较大”1 ， 在计算索力时，往往把拉索视为两端固定的柔性索，并且增大计算难度，只采用 低阶频率来进行计算。虽然随着索长的增加，误差能下降，但是也不能忽视。 ( 3 ) 拉索垂度对振动的拉索的低阶频率影响较大，差生很大的误差，而对 高阶频率误差相对较少。这与通过计算降低由拉索的抗弯刚度引起的误差存在矛 盾，因为要想降低垂度带来的误差，就要采用高阶频率，而对小于9 0 米的短索 来说，这样会带来刚度误差。 因为三个影响因素能明显增大索力计算的误差，开始施工阶段的误差相对较 少，但是成桥以后对整个桥梁的所有拉索进行索力调整的时候就难免会因为计算 方法的单一带来误差，从而给整个桥梁索力调整带来误差0 7 删。除去上述三个主 要误差来源之外，还有拉索的倾斜度也对频率法测量索力带来一定误差“。综合 各种误差，频率法存在一定缺点。 1 2 4 3 2 上述各法的非实时性缺点 除去上述各种测量方法带来的测量误差以外，上述测量方法还存在着实时性 不高、安全保障不充分和施工效率低以及人为失误增多等缺点，总体来说就是整 个施工监控系统的自动化程度不高。本论文提出的数掘采集系统就是解决上述各 桥梁安全撼工的实时戌办数据采熊系统 缺点，并能提高桥梁施蔓监控系统的自动化程度“日。 1 斜拉桥现阶段的施工中威力测鬣、斜拽索的索力测擐是在一个阶段的施工 完藏之君，要逶符下一爹的索力调整饩纯对，由测疆入虽稠蔫手持仪器对需簧进 行测量的威力测点、斜挝索逐个测量，斜拉索的张 童过程中的索力要邋过移动比 较溺难的予斤预的液压避行测爨或者是只能等到张拉完毕应用频率法进行测艟， 这样不2 保证在霰要的时候即亥g 获褥疲力毽或者是索力缀。在揆梁合拢蠡进纷索 力调整时因为斜拉桥是趣静定结构，每个索力的变化都会引起整个桥梁内力结构 兹交键，这令黠袋要怒逡行下一次貔弦计翼，藏要遴孬鼹索力豹重薪溅量，缀难 满足实时性需要“”，并且由于不能随时掌握索力状况，对可能出现的危险没有很 荮静颈警梳割，辩突发静严重袋胁施正入受安全静事故没有预警功能，导致安全 保障不充分。 2 在各种数据的采集过程中，进行完索塔变位测量和粱体线形测擞后，数目 较大，溺塞较繁琰瓣应力秘索力数据采集要透过入王溺童，随着穴跨度斜拉桥静 增多，测点和拉索数目逐渐增多，测盘的工作量越米越犬，这就严重影响施王进 度。由于采集仪器的数嚣和成本所限，不管在施工中还是在成桥后的溯量，都是 由专门人员逐个点进行测量，然后进行书面记录，然后录入计冀枫进符计算，过 程臼：较复杂，实盼住不商，影响施工进度，效率有待提嵩。 3 由予测量过程中蔓要是入z 送行记录，并密入工录入计算枫，所以存在人 为失误的可能性也存在，这样无形中造成人为误差，给桥梁施工带来不可低估的 影晌 、 4 嚣为籀拉耩魏工按露l 逶耩中瓣旋力黟索力数据采集多为入工，掰虢每次测 量时只能观测部分数据，索力和标高一般只测最前端的3 5 段梁。应力是部分 控翻截面，鞠诧就存在数锯少、信息覆盖不全的闷灏。用这些数据难戬准确建立 与计簿参数之间的数学关系。所以要想在越来越复杂的斜控挢施忑中应用一些经 典常用的解法计算设计参数的修正值比较困难。 5 麓童控制过程本身又是一个动态过程，麓著施工遴度变化两发矮，在不同 的施工阶段。观测数据与计算参数之阃存在不同的关系。瓶由于数据观测不够实 对，所以赡戳正确反映施工过獠的动态特征，就会造成一些积累误差，给后期的 成揆调索增加7 难度，劳一定程度上延误了工期，致使藏王效率有所下降。 桥梁安今施1 = 的实时应力数据采集系统 2 实时应力数据采集系统的系统组成 2 1 系统总体结构 罐 剖黼榉引 传感数字变 u 器送模块 输出设备 r s - 4 8 5 总线 图2 1 桥梁施工实时数据采集系统原理 整个系统是一个分布式现场总线控制系统，主要由三部分组成，分别为前端 数据采集模块、数据传输模块、数据处理显示模块。系统结构如图2 1 所示。 前端数据采集模块主要负责将布设于桥梁各个位置的传感器测得的信号进 行接收、处理，计算出应力值，并负责与主控计算机进行通信，将应力数据传回 给主控计算机。这个模块又分为传感器和数据变送器模块。 数据传输模块负责数据采集模块与主控计算机之间的数据传送。这部分包括 r s 4 8 5 总线和s d n s 转接器。因为一般p c 计算机都只具有r s 2 3 2 串行总线接口， s d n s 转接器负责将数据从r s 4 8 5 总线格式转化成r s - 2 3 2 格式。 数据处理模块主要负责对从前端采集进来的应力数据进行处理分析，给出报 警信息和下一步的控制指令；并提供比较直观的人机交互界面，以利施工监控人 员进行现场控制。其中包括主控计算机和输出设备，输出设备可以是打印机，也 可以是海量数据存储设备。 2 2 数据采集模块 数据采集的原理是：振弦式传感器的振弦在拉力状态下具有一定的振动频 率，传感器输出的就是振弦的振动频率信号，通过对频率信号进行分析，计数、 并进行计算，即能根据频率计算出应力值。这样就实现了将模拟的应力值数字化。