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大跨度预应力混凝土连续梁桥施工监控与结构仿真分析 摘要 预应力混凝土连续梁桥近年来迅速发展，在城市桥梁及公路桥梁中广泛采 用。其施工难度大，过程复杂。对此大跨桥梁实施施工过程控制是确保成桥状 态符合设计要求的重要措施，同时也是保证施工质量和安全的重要环节。因此 有必要对大跨径桥梁施工控制技术进行更进一步的研究。本文在总结和学习前 人研究工作的基础上，结合某大桥主桥的施工控制过程，对大跨径预应力混凝 土连续梁桥的施工监控的方法、关键技术等进行了研究。主要研究内容有以下 几个方面：1 、对预应力混凝土连续梁桥施工控制内容、方法及特点、研究现状 等进行分析，并对施工控制中的结构分析方法进行了比较。2 、分析了连续梁桥 施工控制的影响因素和误差调整方法。3 、建立了一个完整的施工监测系统，对 施工中桥梁的实际状态进行跟踪观测。运用有限元软件m i d a s c i v i l ，对大桥主 桥整个施工过程进行了模拟分析。同时对主要设计参数进行了敏感性分析，确 定主要影响参数，进行调整。4 、确定悬臂施工过程中挠度监测的方法及实施方 案：确定悬臂施工过程中控制截面各控制点的应力监测的方法及实施方案。将 箱梁混凝土各梁段施工过程中的挠度变形及箱梁顶底板的应力的实测值与 m i d a s c i v i l 计算的理论值进行了对比，结果表明实测值与理论值吻合良好。 关键词：大跨度桥梁施工控制仿真分析参数识别 l a r g e - s p a np 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 sb e a mb r i d g e c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n ga n ds t r u c t u r ea n a l y s i s a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，p 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 sb e a m b r i d g e sd e v e l o pq u i c k l y i t i sw i d e l yu s e di nt h ec i t ya n dr o d e b r i d g eb u i l d i n g i t sc o n s t r u c t i o ni sm o r e d i f f i c u l t ，a n dp r o c e s sm o r ec o m p l i c a t e d t h eb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o li s a n e s s e n t i a lm e a s u r ea n ds t e pt oe n s u r et h a tt h eq u a l i t ya n ds a f e t ya r eo b t a i n e dd u r i n g b r i d g ec o n s t r u c t i o n ，a l s ot oe n s u r et h a tt h ef i n a ls t r u c t u r a ls t a t ei si na g r e e m e n tw i t h w h a tt h e d e s i g n e rr e q u i r e s a n di ti s n e c e s s a r yt o d om o r er e s e a r c ho nt h e c o n s t r u c t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g i e s f o r t h e l o n g - s p a np r e s t r e s s i n gc o n c r e t e b r i d g e s t h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h em e t h o d sa n dk e yt e c h n 0 1 0 9 y o fc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fl o n g s p a np 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 sb r i d g e t h e m a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ：1 t h e c o n t e n t ，m e t h o d ，c h a r a c t e r i s t i ca n dp r e s e n t r e s e a r c h s i t u a t i o no f p r e s t r e s s e d c o n c r e t ec a n t i l e v e r b r i d g e h a v eb e e n a n a l y z e d ，a n dd i f f e r e n ts t r u c t u r a la n a l y s i sm e t h o d sh a v eb e e nc o m p a r e di nc o u r s eo f c o n s t r u c t i o n c o n t r 0 1 2 a n a l y s i s o fc o n t i n u o u sb e a mc o n t r o lf a c t o r sa n de r r o r a d j u s t m e n tm e t h o d 3 e s t a b l i s h e dac o m p l e t em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ec o n s t r u c t i o no f ab r i d g eo nt h ea c t u a l s t a t u so ff o l l o w - u po b s e r v a t i o n s u s i n gf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r em i d a s c i v i l ，s i m u l a t e da n da n a l y z e do nt h e b r i d g et h r o u g h o u tt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s m e a n w h i l e ，t h em a i n d e s i g np a r a m e t e r so fas e n s i t i v i t y a n a l y s i st od e t e r m i n et h em a i ni n f l u e n c i n gp a r a m e t e r st ob ea d j u s t e d 4 d e f i n i t i o no f m e t h o do nd e f l e c t i o ne x a m i n a t i o na n df u l f i l l m e n tm e a s u r e si n t h ec o u r s eo f c a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o n ；d e f i n i t i o no fm e t h o do ns t r e s se x a m i n a t i o ni ne v e r yc o n t r o l s e c t i o na n df u l f i l l m e n tm e a s u r e si nt h ec o u r s eo fc a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o n c o m p a r e d t h ea c t u a lv a l u eo ft h eb e a md e f l e c t i o nd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h er o o f a n df l o o r b o xg i r d e rd e f o r m a t i o na n ds t r e s sm e a s u r e dv a l u et ot h em i d a s c i v i lc o m p u t a t i o n t h e o r yv a l u eo ft h eb o xb e a m sc o n c r e t es t r e s s ，f i n a l l yi n d i c a t e st h a tt h ea c t u a lv a l u e a n dt h et h e o r yv a l u ei d e n t i c a lw e l l k e y w o r d s ：l o n g s p a n ；c o n t i n u o u s ；c o n s t r u c t i o n ；c o n t r o l ；s i m u l a t i o n ：p a r a m e t e r a n a l y s i s ：i d e n t i f i c a t i o n 插图( 表) 清单 图4 1 第五联桥梁立面布置图1 9 图4 2 第五联一般断面构造图2 0 图4 3 第五联结构建模计算简图2 l 图4 4 第五联计算模型图2 1 图4 5 成桥阶段累计位移图2 1 图4 6 成桥阶段梁段上翼缘累计应力图2 2 图4 7 成桥阶段梁段下翼缘累计应力图2 2 图4 8 梁段容重减小2 0 的位移图2 3 图4 9 梁段容重不变时的位移图2 3 图4 1 0 梁段容重增大2 0 的位移图2 4 图4 1 1 容重敏感性分析图2 4 图4 一l2 梁段弹性模量减小2 0 的位移图2 5 图4 13 梁段弹性模量不变时的位移图2 5 图4 1 4 梁段弹性模量增大2 0 的位移图2 5 图4 1 5 弹性模量敏感性分析图2 5 图4 1 6 管道摩擦系数减小2 0 的位移图2 6 图4 17 管道摩擦系数增大2 0 的位移图2 6 图4 1 8 管道摩擦系数敏感性分析图2 7 图4 一1 9 管道偏差系数减小2 0 的位移图2 7 图4 2 0 管道偏差系数增大2 0 的位移图2 8 图4 2 1 管道偏差系数敏感性分析图2 8 图4 2 2l7 # 墩挂篮堆载预压图3 0 图4 2 3 挂篮变形计算原理图3 2 图4 2 45 # 1 0 t t 块挂篮变形预测值结果对比图3 3 图5 1 各墩0 # 块和1 # 块高程测点布置图3 8 图5 2 箱梁顶面标高测点布置图5 4 图5 3 标高测点布置图3 9 图5 4 标高测量观测工作图3 9 图5 5j m z x - 2 15 型埋入式应变计安装示意图4 5 图5 6 第五联单幅应力测试断面布置图4 5 图5 7 主墩根部截面应力测点布置4 6 图5 8 传感器埋置图4 6 图5 9第五联1 6 # 墩测试截面顶板应力对比图4 7 图5 1 0 第五联1 7 # 墩测试截面顶板应力对比图 图5 1 1 第五联1 8 # 墩测试截面项板应力对比图 图5 一1 2 第五联1 6 # 墩测试截面底板应力对比图 图5 1 3 第五联1 7 # 墩测试截面底板应力对比图 图5 1 4 第五联1 8 # 墩测试截面底板应力对比图 4 7 4 8 4 9 4 9 5 0 表4 1 第五联预拱度表3 5 表5 1 第五联施工阶段划分表4 1 表5 25 # 块各施工阶段标高对比图4 2 表5 36 # 块各施工阶段标高对比图4 2 表5 47 # 块各施工阶段标高对比图4 2 表5 58 # 块各施工阶段标高对比图4 3 表5 69 # 块各施工阶段标高对比图4 3 表5 7 第五联左幅合拢精度4 3 表5 8 应变计性能指标4 5 独创性声明 本人声明所节交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究l ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标，占和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒月里! ：些厶鲎 或其他教育机构的学位或证i5 而使刖过的材料。与我一同l ：作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示酣意。 学位论文作者签字：土悬签字日期：弦，o 年月西h 学位论文版权使用授权书 本学何论文作者完全了解金月墨! ：些厶堂有关保留、使j j 学何论文的规定，有权保留并向 国家有关部| 、j 或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被商阅或借阅。本人授权金日墨! ：些厶 ：! 乙可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据席进行检索，可以采川影印、缩印坐览 1 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学何论文住解密j 亓适川本授权l5 ) 学位论文者签名：l 是 签字日期：砷口年年月赵日 学位论文作者毕业斤玄向：彖足 i ：作单位： 通讯地址： 导师签名： 啦价衍 ，v 签字日期：加1 年q 月醒日 3 电话：mp 如p 恬 邮编： 致谢 在本文即将付梓之际，回首七年的求学生涯，心底一股由衷的感激之情不 禁油然而生。首先感谢的是我的导师杨老师。本论文是在杨成斌老师的悉心指 导下完成的，从论文的选题、展开到最后的定稿，都离不开老师的悉心指导， 作者表示由衷的感谢。在三年的学习中，导师扎实深厚的理论知识，严谨求实 的治学态度，精益求精的敬业精神，诲人不倦的良好风范，值得作者终生学习。 在授业解惑的同时，杨老师对本人生活和学习的各个方面予以无微不至的关怀 和照顾，作者再次表示深深的谢意。在此，谨向杨成斌老师致以最衷心的感谢 和诚挚的敬意，祝导师及家人身体健康、万事如意。 感谢在一起度过三年愉快研究生生活的各位同学和同门们，正是由于他们 的帮助和支持，本文才能顺利的完成。 感谢我的父母，是他们无私的关怀和付出，才使我能够安心得学习并顺利 的完成学业；是他们的言传身教，才使我懂得了如何做一个正直、善良、对社 会有用的人；也正是有他们做我坚强的后盾，才使我可以勇敢的面对一切困难 和挫折。在此，向我的父母致以最深切的敬意和最美好的祝福。 感谢工大，让我拥有我生命中最美好的三年。 王君 二零一零年四月 第一章连续梁桥施工监控概述 1 1连续梁桥的发展概况 预应力混凝土连续梁桥现在越来越成为普遍采用的一种桥型。在城市高架 桥的建设中，大部分都是采用这种桥型。其施工方法，由满堂支架法浇筑，发 展到挂篮悬臂浇筑，顶推法施工等后，使用范围更广。 预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种，它具有整体性能好、结构 刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少， 行车舒适等优点1 1 】。加上这种桥型的设计施工均较成熟，施工质量和施工工期 能得到控制，成桥后养护工作量小。随着交通运输业的迅速发展，对道路的平 顺舒适度要求也越来越高，使得混凝土连续梁桥得到了很快的发展，并在公路、 城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。 预应力混凝土梁桥最先在德国和法国的桥梁建设中采用，随后传至其他国 家，并开始迅速的发展。在2 0 世纪5 0 年代以前，由于施工技术，设备，施工 工艺不成熟等的制约，预应力混凝土桥梁跨径较小，结构形式也比较简单。到 5 0 年代后期，在钢桥的架设中使用悬臂拼装法，其后引进发展到预应力混凝土 连续梁桥的施工中，随之发展了悬臂浇筑法、顶推施工法等新型施工技术方法， 将预应力混凝土连续梁桥推上了一个新的发展阶段1 2 j 。 我国在7 0 年代首次在城市桥梁的建设中采用预应力混凝土连续梁体系，起 步虽晚，但是发展极为迅速，并已掌握各种先进的施工方法，如顶推法、悬臂 浇筑法、悬臂拼装法等。预应力混凝土连续梁的适用范围一般在15 0 m 以内。 1 2施工控制的研究现状 国外早在2 0 世纪5 0 年代初就已经开展了桥梁施工控制技术的研究。美国 的p k 桥、加拿大的安纳西斯桥在修建时，同样都采用了施工控制技术1 3 j 。最 早把工程控制理论引入到桥梁管理中的是日本。2 0 世纪8 0 年代初，在日夜野 预应力混凝土连续梁桥修建时建立了施工控制的观测系统。到8 0 年代后期，日 本建立了施工控制的自动监控系统，利用计算机网络传输技术自动对拉索应力 调整。此后，日本又研制一个斜拉桥施工双控系统【4 j 。此系统可以在现场完成 自动测试、分析和控制的全过程，并可以进行设计值敏感分析和实际结构行为 预测。 我国在2 0 世纪八九十年代才开始施工监控技术的研究。2 0 世纪8 0 年代起， 桥梁施工监控技术逐渐成为我国桥梁工程界的新兴研究方向，至9 0 年代中后 期，我国桥梁工作者经历了大量理论研究与实践，对涉及包括悬索桥、斜拉桥 及连续刚构桥在内的大跨度桥梁的施工控制问题。 19 9 6 年建成的黄石长江公路大桥，在国内是首次立项进行了该类型桥梁施 工监控技术的研究。2 0 世纪8 0 年代后期，桥梁工作者开始使用计算机辅助桥 梁施工，上海在修建泖港大桥时，就首次成功地应用了卡尔曼滤波原理进行了 斜拉索索力的调整。在大跨度连续梁和连续刚构桥施工控制方面，重庆交通学 院采用卡尔曼滤波原理进行状态识别和参数识别的施工控制方法，已成功地运 用于重庆黄花园大桥的建设。二十世纪9 0 年代初已推出了一套施工控制分析软 件，该软件分三个系统，即按施工阶段进行的前进分析系统、倒退分析各施工 阶段理想状态系统以及结合反馈控制的实时跟踪分析系统。所有这些研究都为 我国的桥梁施工控制分析作出了积极的贡献p j 。 虽然施工控制的应用最先起于斜拉桥，但近年来，预应力施工技术的进步 使混凝土桥梁向着大跨度方向发展，也使施工控制技术在大跨度预应力混凝土 桥梁中的应用上引起了桥梁专家的重视。 1 3 悬臂浇筑桥梁施工监控的意义 悬臂现浇法目前连续梁桥长采用的一种施工方法，特别是跨河道等修建的 桥梁中【6 1 。悬臂浇筑法的施工步骤是，在各主墩上浇筑o 群、l | j 块混凝土，将墩 梁进行固结，并设置临时支撑体系。然后在已浇筑节段上安装挂篮，在挂篮上 进行梁段混凝土的浇筑、预应力的张拉等。随着悬浇节段的增长，两边逐渐靠 拢，安装合拢段支架或吊架，浇筑合拢段混凝土，解除墩梁固结1 7 j 。在整个施 工过程中，梁段不断地进行重复性作业，并且发生体系转换，静定结构变转变 为超静定结构。由于施工工序复杂，影响因素很多，如环境温湿度，各段混凝 土材料的不稳定性等。并且影响程度不同。这些影响可能造成各梁段的内力和 线形偏离设计值，导致桥梁最终状态与设计状态不符，影响桥梁施工安全，成 桥外形及使用。所以施工控制在施工过程中是很关键的。 桥梁施工控制是保证桥梁安全建成的重要手段，施工的每个阶段桥梁的内 力和变形都可以通过软件模拟分析计算f 8 】，再通过施工监控测得各施工阶段结 构的实际内力和变形，从而可以对内力状态和线形实时分析比较，使施工时桥 梁状态与理想状态尽量温和。如果施工中发现出现偏差，就要停止施工，分析 原因，找出原因之后，寻求有效的手段来解决。因此，施工监控是避免桥梁施 工过程中发生突发事故的重要保证，即是确保桥梁安全修建的重要保证。同时 桥梁的施工监控也是保证桥梁在使用过程中安全运营的手段。由于长期超载运 营等原因造成桥梁使用过程中崩塌的事故很多，这是由于施工时未考虑使用荷 载产生的状态变化，对桥梁运营情况评价不够科学。而施工监控中不仅考虑施 工阶段桥梁状态的影响变化，也预先考虑了使用阶段桥梁的状态变化。因此施 工监控也是保证桥梁安全运营的综合监测系统。如桥梁施工完成后，监控的应 力测点并没有拆除，在桥梁运营时便可利用这些测点进行随时观测，分析桥梁 的运营状态。 2 1 4本文研究的内容 本文以在建某预应力混凝土连续梁桥为工程背景，通过对桥梁进行施工控 制，研究大跨径连续梁桥施工控制中的线形及内力的控制方法。针对桥梁悬臂 施工的实际情况，运用大型桥梁结构有限元分析软件m i d a s c i v i l 对结构进行了 详细的模拟分析，研究了大跨预应力混凝土连续梁桥的施工控制方法以及与其 相适应的施工控制系统，分析了施工过程中各种因素对桥梁的受力状态以及位 移变化的影响，确保施工过程中及成桥后结构状态与设计状态尽可能一致。 本课题研究的主要内容概括为以下几个方面： l 、研究大跨径预应力混凝土连续梁桥在施工过程中混凝土箱梁挠度及内力 的影响因素及其变化规律，控制大跨预应力混凝土连续梁桥在施工过程中的线 形和内力变化。 2 、对影响桥梁位移及内力的主要参数进行识别调整，修正计算模型，通过 对实测结果和计算结果比较，分析施工过程中结构内力及位移的变化原因，并 运用灰色预测系统对挂篮变形进行预测。 3 、在上述研究的基础上，探讨科学合理的施工控制系统，对这类桥梁的施 工控制系统提出建议和改进措施。 3 第二章连续梁桥施工控制的基本理论和方法 2 1施工控制的内容 施工控制的主要目的就是使桥梁成桥后的桥面线形以及内力状态符合设计 要求。桥梁施工控制的具体内容主要包括几何线形控制、应力控制、稳定控制、 安全控制四个方面。 2 1 1几何线形控制 对大跨度预应力混凝土连续桥梁而言，由于施工阶段受结构自重、预加应 力、环境温度、湿度、混凝土的收缩徐变、施工荷载等多种因素影响，在施工 时桥梁结构的线形必然发生改变，因此我们要对几何线形进行监测控制，才能 保证成桥后桥梁的标高和平面位置能符合设计目标的要求【9 j 。 几何线形控制不仅要控制桥梁标高，还要控制桥梁轴线在平面上的走向。 即需进行平面线形和竖向线形的双向控制。竖向线形控制是线形控制的要点， 首先平面线形控制比竖向线形控制容易。另外，竖向线形不仅关乎于桥梁成桥 后的外形的美观，而且是桥梁是否能顺利合拢的关键。竖向线形若控制不好， 合拢段梁段标高相差超过规定，就会造成合拢困难，而且由于强行合拢，还会 使梁体的内力产生内力重分布，可能造成安全隐患。对于挂篮悬臂施工的桥梁， 竖向线形控制的方法一般是在每个悬臂段布置测试断面，每个测试断面上选取 若干个点，通过控制这些点的标高来控制线形，并且还可以观测断面两端是否 发生扭曲。 桥梁施工控制中误差是难免的，但是要使误差控制在不影响桥梁安全及外 观的合理范围内。误差范围根据桥梁的形式、跨径、技术难度、施工工艺等确 定，目前还没有一个统一的标准，因此根据具体情况具体确定，误差范围不应 太高也不应太低。各项控制内容的几何误差允许范围要事先研究确定，同时要 注意防止误差的累积，以保证几何目标的顺利实现。 2 1 2 应力控制 应力控制是保证桥梁安全的重要内容。桥梁在施工过程中的受力情况和成 桥后的受力情况是施工控制所关注的重要问题。应力过大或过小对桥梁都是很 不利的。因此要对施工过程中的应力进行监测。应力控制主要是在施工过程中 控制混凝土的压应力和拉应力不超过规定的限值，拉应力过大会使梁体产生裂 缝，压应力过大，可能造成梁体局部破坏，从而降低梁体的刚度和耐久性。 2 1 3 稳定控制 世界上有不少桥梁因失稳而丧失承载能力，或在施工过程中发生坍塌等。 4 桥梁失稳破坏目前成为造成桥梁事故发生的主要原因之一。如2 0 0 9 年，鱼洞长 江大桥边跨现浇支架失稳。2 0 10 年1 月份，昆明机场航展区在建桥梁的引桥部 分就因浇筑混凝土时支撑体系失稳而倒塌，损失惨重。四川的州河大桥在悬臂 施工中也出现了失稳破坏。关于结构的稳定性，目前已引起人们的重视。但是 对桥梁的整体稳定性和局部稳定性的认识有所欠缺，主要注重于桥梁施工完成 后的稳定计算。 2 1 4 安全控制 安全控制是保证桥梁安全施工和运营的重要内容，保证了桥梁施工过程的 安全，桥梁才能顺利建成。而桥梁安全控制实际上是线形控制、应力控制和稳 定控制的综合体现。实际施工控制中，应根据桥梁的结构型式，影响因素等， 确定安全控制的重点。 2 2 施工控制的方法 桥梁施工中的控制方法很多。但是根据桥梁的结构形式、施工特点及控制 要求的不同，可以选择不同的施工控制方法。目前常采用的控制方法有事后控 制法、预测控制法、自适应控制法、最大宽容度法等。 总的来讲桥梁施工控制的可分为开环控制法、闭环控制法、自适应控制法、 最大宽容度法等。 2 2 1开环控制法 开环控制法一般用于小跨径并且结构较简单的桥梁结构。这类桥梁按照设 计荷载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作用 进行叠加从而求出预拱度值，施工完成后结构状态基本上能够达到结构理想状 态。开环控制法是单向向前的，不需要根据实际结构状态来改变预拱度值【l0 1 ， 不需要考虑施工过程中各种因素的影响，即预拱度值在整个桥梁建设中是确定 的，因此又被称为确定性控制方法。 2 2 2闭环控制法 对于跨径比较大、结构型式和施工过程复杂的桥梁体系，如挂篮悬臂浇筑 法施工的预应力混凝土连续梁桥，尽管我们可以精确计算出成桥阶段的线形和 各施工阶段的理想线形和内力状态，但是由于施工过程中要经历体系转换等复 杂的过程，受干扰较大，产生的误差也大，对这些误差影响如果不及时调整， 随着施工过程的进行误差就会累积，导致桥梁成桥后的结构状态远远偏离了结 构理想状态。因此就要求在施工过程中，误差出现后，要及时分析影响，并对 其进行及时的纠正，反馈到控制系统，对后续梁段的施工进行调整，以防止误 5 差的累积。因为闭环控制系统中结构状态误差和系统量测误差的出现是随机的， 因此又称为随机性控制系统。 2 2 3自适应控制法 自适应控制法适用于重复强的施工中，如悬臂施工这种分阶段施工【1 1 1 。其 思想是在施工过程中将一些可能引起结构状态误差的参数作为未知量，在每个 施工均进行识别，识别结果后续节段的结构分析，使模型参数每个节段都尽可 能与实际状态一致，便可以减小误差累积。 2 2 4 最大宽容度法 最大宽容度法就是在设计时给定误差一个容许范围。施工时误差控制在此 范围内即可。此种方法比较方便，但是会产生其他问题。使用比较少。 本论文所涉及的研究对象是预应力混凝土连续梁，施工工艺为悬臂现浇施 工，具有施工阶段重复性很强的特点，因此，可以运用自适应控制法对某些参 数进行识别及实时调整。 2 3大跨度桥梁施工控制结构计算分析方法 桥梁施工控制结构分析方法是指理论模型的建立及结构分析方法【1 2 】。目前 施工控制中主要采用的结构计算方法有正装分析法、倒装分析法、无应力状态 法。这三种结构分析方法对于不同的桥梁结构是有所侧重的。 2 3 1 正装分析法【1 3 】 正装分析法是按照结构施工的实际施工顺序进行分析计算，因此能够根据 结构的实际施工过程计算出各施工阶段的位移和受力状态。并且可以计算如结 构的非线性和收缩徐变等因素的作用。 正装分析法具有一定得局限性。它是按照设计的施工顺序进行各阶段的内 力分析，无法考虑几何非线性因素。因此最终结果很难完全设计线形相一致。 因此根据正装分析的结果确定预拱度值，就会产生一定的误差【l 引。 正装分析法中由节点坐标的迁移而产生的误差可以用迭代法消除【l5 1 。具体 步骤如下： ( 1 ) 以设计标高日，建立模型，计算理论挠度e “”和竣工标高s - s n 。 日j 1 ) = n 7 一f 7 ( 1 ( 2 1 ) ( 2 ) 以施工标高： ，o ) = ，+ ，：腭( 1 ( 2 2 ) 式中f 刚 为梁段预拱度。以上式计算的结果作为初始标高重新建立计算模 型，并再次计算理论挠度f “2 和竣工标高日i ：，( 2 。 = 日，n f 7 ( 2 ( 2 3 ) 6 其中： ，曙1 = 一f 7 1 ( 3 ) 比较竣工标高日严和设计标高日，有： 脯j 2 = 4 2 1 一日 若肼= l 脯j 2 = 日? 但一跚p - b ( f _ 1 ，2 ，3 ，) 则h _ 1 既可作为实际施工立模标高。 反之，则应以 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 日严2 = ，1 + ( h j 他一日，) ( 2 6 ) 作为新的施工标高和初始标高重新建立理论计算模型，重复上述步骤，直 至误差满足精度要求。 2 3 2 倒装分析法l l 6 j 对悬臂浇筑施工桥梁，为了抵消施工过程中及运营过程中由各种荷载产生 的下挠，采用设置预拱度的方法加以抵消。可以采用倒装分析法来给出预拱度 值。倒装分析法的分析过程是：首先通过正装分析法求出某一时刻结构变形及 内力值，此时的线形取设计标高。然后进行反拆，由后向前，按照施工的逆顺 序拆除杆件，杆件拆除前参与结果受力，拆除后为了保证受力结构的平衡，应 将作用于被拆除杆件上的力等效反加在剩余结构上，这样便确保了被拆除杆件 拆除后应力为零。剔除后续杆件的影响后，得到的内力和位移即是该阶段结构 的理想施工状态。但是倒装分析法也有一定的不足。混凝土的收缩徐变是随着 施工过程发展的，具有时间效应。而倒装分析是施工的逆过程，因此无法考虑 收缩徐变作用。 2 3 3无应力状态法1 1 7 j 无应力状态法多用于斜拉桥及悬索桥结构分析中。无应力状态法认为结构 构件存在着一定的长度，该长度范围内没有应力存在，桥梁施工过程中以及成 桥运营后，即使外界条件发生改变，或者桥梁的受力状态发生改变，这种无应 力长度和曲率恒定不变，可以通过无应力长度和曲率恒定规律将桥梁结构安装 的中间状态和终结状态之间联系起来。 2 4桥梁施工控制的影响因素1 1 8 i 大跨度连续梁桥施工过程复杂，影响参数多，如结构的刚度、梁段重量、 施工荷载、混凝土收缩徐变、温度及预应力等。因此应对各种影响参数进行全 面的分析了解，掌握其影响规律，才能针对性的进行调整，使实际状态与设计 状态相一致。 1 、结构参数影响分析【1 9 】 7 结构施工模拟分析以各种结构参数为基础，参数的准确性直接影响分析结 果的准确性。设计时模型计算中采用的参数，一般是根据相关的规范规程及国 内外经验确定。实际施工中，材料参数会有一定的偏差，如何进行参数的识别 是很重要的。影响施工控制的主要结构参数有： ( 1 ) 结构构件截面尺寸 构件的截面尺寸，影响截面的特性，如结构的抗弯惯性矩等，从而直接影 响结构内力、变形等的分析结果，并且影响桥梁结构的外形。施工截面尺寸误 差是很难避免的，验收规范中也允许出现不超过规范限值的误差。因此在施工 过程中应对结构尺寸进行跟踪量测，控制结构尺寸偏差。 ( 2 ) 材料弹性模量 弹性模量直接反应结构的刚度。在挠度计算中，内力与挠度就是通过弹性 模量进行联系起来的。弹性模量是一个随时间和混凝土强度改变的变值，与设 计时采用的弹性模量值总是不完全一致的，因此，在施工过程中根据施工进度 经常性的进行现场随即采样试验，随时在控制分析中对材料弹性模量的取值进 行修正。 ( 3 ) 材料热膨胀系数 对于超静定结构，由于温度荷载会引起结构内力和变形，因此，材料热膨 胀系数也在一定程度上对施工控制产生影响。 ( 4 ) 容重 材料的容重决定着恒载的大小，施工中必须进行施工现场测量，判断容重 的真实值。 ( 5 ) 预加应力 预加应力受预应力钢束强度、弹性模量，张拉方式，管道类型等的影响， 控制预加应力的大小，是施工应力控制的主要手段。 ( 6 ) 施工荷载 在模型计算中施工荷载是作为集中荷载施加在各杆件上，悬臂越长，施工 荷载产生的内力和变形值越大，因此对施工荷载的判断不可缺少。要严格控制 施工荷载的堆放位置及重量，避免使“t ”构产生不平衡力矩。 2 、施工工艺 施工工艺也决定着桥梁施工的质量，不同的施工工艺，可能产生的结构状 态不同，如构件在制作安装等方面，施工工艺可能就决定着误差的大小。 3 、施工监测 施工检测采用何种测量仪器、测量方法，对施工控制结果的好坏有很大影 响，测量仪器精度不同，测量方法不同，产生的误差也就不同。所以应该尽量 选取合适的施工监测方法，并保证测量结果的可靠性。 4 、温度变化 8 对于超静定结构，温度发生变化，就会使结构内力产生重分布。而温度变 化比较复杂，类型多样，如季节性温差、日照温差、箱梁梁体内外的不均匀温 差等。因此在监控过程中要加以考虑温度的影响。但是在施工l j 期是无法知道 温度是如何变化的。因此通常在施工控制中，采用选定温度变化较小的时间段 对温度进行修正1 2 0 。 5 、结构分析计算模型 计算模型是对实际结构的一种简化，将实际复杂的桥梁结构根据其受力等 原理用梁、杆系等模拟，在模拟过程中引用了各种假设、边界条件处理、模型 化等方法，因此，无论采用什么分析方法和手段，这种简化必然使计算模型与 实际情况存在误差。 6 、材料收缩、徐变 混凝土收缩时对钢筋产生压应力，对混凝土产生拉应力，而徐变会使梁体 产生比较大的变形，同时，对于超静定结构而言，收缩徐变作用还会使梁体产 生此内力。因此收缩徐变是施工控制中必须要考虑的一个因素，否则在成桥运 营后，就可能发生梁体掉肚子的现象，影响桥梁结构的使用。 2 5大跨度桥梁施工误差调整方法 在桥梁悬臂施工过程中，由前述分析可见，存在着很多影响因素，导致着 一些误差的产生。因此必须对这些误差进行估计调整，以确定设计目标状态的 实现【2 1 1 。目前对误差调整的方法很多，下面简要介绍几种常用的误差调整方法。 参数识别法是在施工过程中对桥梁状态进行实时监测，由监测结果改变模 型中的设计参数【2 2 1 ，例如材料容重、预应力值等，重新进行结构计算后给出新 的预拱度值，知道下阶段的施工。参数识别法的不足在于其滞后于施工，不能 对施工预先指导。 线形回归分析法是通过对箱梁挠度与长度、重量的回归处理，模拟出回归 数学模型。通过线形回归模型，可以预测下一施工节段的挠度。但是线形回归 法的不足在于不能对施工误差进行修正。并且建模需要有大量的数据。 灰色系统理论控制法可以在桥梁施工控制中，将整个施工系统看做一个大 系统，对各种影响因素进行灰色化处理，建立模型，进行下阶段施工状态的预 测。 本文桥梁的施工监控中采用参数识别法对影响桥梁行为的主要参数进行修 正分析，再结合灰色系统理论对混凝土浇筑后引起的变形值进行预测，以便求 出下阶段挂篮弹性变形值，提供立模标高。两种方法结合运用，使误差尽可能 的减少。 9 第三章施工控制中误差分析与状态预测 3 1施工监控的误差分析 在桥梁模型建立时，采用的结构参数一般按照桥梁规范结合工程经验确定。 但是在实际桥梁施工中，由于材料的特性偏差，这些参数与规范值都有一定的 差别，若不进行修正而采用设计值计算出的结果直接用于施工计算，那么求得 的结构状态必然与实际状态一定的偏差，用这种结构状态去指导施工，就会使 成桥状态与设计状态不符，严重情况可能会影响结构的安全和正常使用。因此， 必须在桥梁结构施工控制的过程中对计算参数进行适当的修正，以保证实际控 制计算的准确性，并最优地逼近于结构理想控制目标【2 3 1 。 但是由于影响系统参数误差的参数众多，我们不可能对每一个参数都进行 误差处理，因此需要判断找出施工过程中对误差影响较大的参数，这也是施工 控制中进行参数识别的前提。同时，在这些系统参数中，有些参数是可以滤除 的，有些参数在整个施工过程中变化不会很大，从开始就比较容易把握，有些 参数对结构影响较大但在施工过程是变化的，就需要通过对施工过程的监控获 得实测值，进行具体分析后确定其调整量。 各类误差会出现不同的分布形态。常见的误差形态有白噪音误差、连续分 布误差和大峰值误差。对于白噪声误差，单个误差峰值较小，且正负误差分布 均匀，对结构的影响很小，是施工控制追求的理想状态。连续分布误差则有积 累放大现象，对结构线形及内力分布产生严重不利影响。对于大峰值误差，如 果单个误差峰值较大，也要加以控制调整，否则同样会对结构内力和线形产生 严重影响。 3 2施工控制中的参数敏感性分析方法 在大跨度桥梁施工控制中，需要通过分析引起实际状态和理论状态存在误 差的原因【2 4 1 。建模分析时施工控制的首要工作，因此首先需要对模型参数进行 识别分析。如果参数产生对结构状态的影响很大，就需要根据实际情况对参数 进行修正。 影响结构状态的设计参数很多，但是各参数对结构状态的影响程度不同。 在施工控制中，对结构影响比较大的设计参数进行调整，对于影响较小的设计 参数前期分析中忽略其变化。因此首先对参数进行敏感性分析。参数敏感性分 析的方法一般有两种： 1 、根据工程经验进行判断，并通过现场量测来确定参数实际值。此法主要 是用来分析几何状态参数、截面特性参数和材料特性参数等只能通过实际测量 而确定的设计参数。 2 、通过有限元分析来确定主要设计参数，根据有限元分析结果，对比设计 1 0 参数的改变对结构状态影响比较大的参数，即主要参数。 结构敏感性分析的内容是判断某一设计参数发生一定幅度的变化后，由此 而引起的结构位移及内力变化幅度的大小。根据各个参数对结构状态影响程度， 辨别出主要影响参数，施工中对这些主要参数进行严格控制及实时监控调整。 结构参数的敏感性分析步骤如下： ( 1 ) 将参数变化幅度控制在1 0 或2 0 等一定的幅值左右。 ( 2 ) 修改设计参数，进行分析计算，选择桥梁某跨挠度或应力等，对比参数 改变后的结果变化幅度的大小。 ( 3 ) 由控制结果的变化幅度，确定出主要参数和次要参数，在施工控制中对 主要参数进行修正，忽略次要设计参数的影响。 根据前述各主要影响因素对结构状态的影响特点，判断可能影响因素，以 规范规定的参数值为基准，改变其参数值进行仿真分析，对主要材料参数进行 敏感性分析，现场试验，确定真实值进行调整。 3 3最小二乘法 3 3 1基本最小二乘法 对于悬臂施工的连续梁桥，可以采用最小二乘法修正设计参数误差。为了 介绍本方法，在此假定各工况下监控截面的实测挠度向量为】，参数向量p ， 且设】，与p 成线性关系，即 l ，：x 秒( 3 1 ) 式中：y = y l y 2 ： y n x = ： 而丹 x 2 朋 0 = q 晚 ： 见 参数向量口是施工监控中待识别的结构参数( 如弹性模量、自重系数、钢 束的摩阻系数、管道的局部偏差系数等) ；x 为0 对】，影响矩阵。由上式就可以 推导出0 的最小二乘估计量，得： 6 = ( x7 x ) 一1 x7 y ( 3 2 ) 上述结果是在每个误差等量加权的判据的基础上导出的。我们常常称这结 果为基本最小二乘法。 3 3 2 递推最小二乘法 在悬臂浇筑施工过程中，实测的挠度数据是随着工况的发展逐步得到的， 我们希望用新的实测挠度来改善参数估计，这就产生了递推求解的必要。用递 推公式，不需要重复计算方程( 3 2 ) 的矩阵解就可以一步步更新估计值，这种递 h 砀； 推解法通常称为序列估计。 引入m 作为方程( 3 1 ) 中l ，和x 的下标，则有 y m = x 。e 式( 3 2 ) 中的占用色表示，则有6 ，= ( x 。t x 。) 一1x 。ry 卅 又 l + l = x m + 1 0 式中： y = m y 2 y 用 y 卅+ i = 酬x = 而n x 肭 x 脚+ 1 一 r 以 2 k 。j 0 = = q 晓 ： 以 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中的y ，是悬臂施工中第f 工况各监控截面的实测挠度列向量，x 。是维数 同y ，相对应的列向量。 新的最小二乘估计量为： 0 川= ( x 1 州x 。+ 1 ) 叫x 。肼+ ll + l ( 3 7 ) 此式中可以通过简单的校正前一估计值0 。来计算痧川，得： 0 川= 以+ 尸肼x2 朋+ l y 州【y 川x 肘+ l 】 ( 3 8 ) 己+ l = 匕一匕x 1 + l x 川巴 ( 3 9 ) 式中： + l = 【e + x 卅+ l e x t m + 1 - 1 ( 3 1 0 ) 匕= ( x ：x 。) 叫 ( 3 1 1 ) 上面式子就是递推最小二乘法的计算公式。递推最小二乘法的优点在于只 需保留当前时刻以前的几对数据，而基本最小二乘法要保留全部的数据。因而， 递推最小二乘法可以大大减少计算机内存用量和时间计算。然而实际应用中， 不难发现运用递推最小二乘法递推的次数越多，往往使得参数估计值与真实值 之间的误差越来越大，这是误差累积的结果。这种现在称为误差饱和现象。对 此我们可以采用引用一个加权系数的方法来克服数据饱和现象，其思路是对得 到的一组新的数据乘以一个系数a ( 0 a ( 3 1 4 ) 则可以得到数据序列x ( o 作，次累加生成的a g o 算式： 七 x ( 7 ( 七) = x p 。1 ( 所) 磊 =