（机械设计及理论专业论文）钢混异种材料组合结构施工预测控制理论的研究与应用.pdf

摘要 钢混异种材料组合结构施工控制是为了保证实际施工中结构各节段在 构形和受力状态两方面逼近施工= 市段合理状态，保证最终( 完工) 状态的 良好性态，避免事故发生，确保工程高效、安全、优质。本文基于钢混协 作关系的分析，对钢混结构施工预测控制理论及软件系统进行研究。 首先，针对钢混工程结构分析和施工监控中存在的一些难题，在提出 钢混异种材料组合构件和钢混协作关系概念的基础上，研究并推导了预应 力钢索与混凝土、钢管与混凝土两种异种材料组合构件的钢混协作关系。 根据钢混协作关系进一步推导出钢混组合构件几何非线性分析单元刚度 矩阵、温度自应力及钢混超静定结构温度位移和应力的计算公式，建立了 一种新的基于钢混协作关系的异种材料组合构件的几何非线性和结构稳 定性分析方法。通过实例计算证明了该方法具有单元性态好，计算效率高， 能考虑混凝土时变特性等优点。同时，有效解决了钢与混凝土相互影响， 如钢索对混凝土徐变的影响，特别是在节段施工预应力混凝土结构中，因 分批张拉引起先期索的预应力损失问题。因分析反映实际的结构行为，这 就提高了对各种事故的预见性，保证结构强度、稳定性安全。 其次，引入设计( 施工) 结构合理状态、设计( 施工) 节段合理状态 的概念。基于此，提出了设计( 施工) 节段合理状态分析的参数逼近法。 因只需f 向迭代计算，比目前倒退分析、前进倒退交替分析法及无应力状 态法具有更高的效率，又因引入迭代控制参数，而具有更好的稳定性。 系统研究了灰预测，提出了改进模型n g m ( 1 ，1 ) 。通过对白化微分 方程解的指数函数特性的分析，研究了原始灰序列的归一化映射规则，使 非等间距灰预测模型n g m ( 1 ，1 ) 适应一般灰序列，灰预测精度也大大 提高。这亦解决了含负值狄序列预测的理论问题，拓宽了灰色预测理论。 同时基于所提出的一种遗传算法的随机摄动法研究了向前滚动优化的理 论及实施。以上这些，形成了本文预测控制的理论特色。 武汉理1 人学1 尊十学位论文 最后，在卜述理论和方法的纂础j 二，研制了一套具有自主知u 产权， 功能强大的桥梁施工控制系统b r c 。该系统开发起点高，具有通用的锎混 异种材料组合元和索元，可适用于各类桥梁结构。在控制模块中，具有设 计( 施工) 结构合理状态、设计( 施工) 节段合理状态、立模( 或安装) 标高、仿真分析、预警及广义优化等多种功能模块。尤其对预警设计，率 先解决了强度和稳定性不同步的问题，确保施工过程的强度、稳定性安全。 关键词：钢混结构；钢混协作关系；节段合理状态分析的参数逼近法： n g m ( 1 ，1 ) 模型；施工控制系统b r c 武汉理1 人学l 鼻卜学位沦文 a b s t r a c t c o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fs t e e l c o n c r e t eh e t e r o g e n e o u sm a t e r i a lc o m p o s i t e s t r u c t u r e sa i m sa t e n s u r i n g a l l s e g m e n t s u n d e rc o n s t r u c t i o nt o a p p r o a c h c o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o ns e g m e n t a lr e a s o n a b l es t a t e si nb o t hc o n f i g u r a t i o n a n dm e c h a n i c ss t a t ea n dg o o db e h a v i o ro ft h es t r u c t u r ea f t e rc o m p l e t i o n ， e s c a p i n gf r o ma l l k i n d so fa c c i d e n t si nw h o l ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o nw i t h h i g he f f i c i e n c y ，s a f e t y ，e x c e l l e n tq u a l i t y o fe n g i n e e r i n ga c h i e v e d b a s e do n a n a l y s i s o fc o o r d i n a t i n gr e l a t i o nb e t w e e ns t e e la n d c o n c r e t e ，t h i sp a p e r f o c u s e so ns t u d yo fp r e d i c t i o nc o n t r o lt h e o r yo fs t r u c t u r ec o n s t r u c t i o na n d d e v e l o p m e n t o fs o f t w a r es y s t e m f i r s t ，t o s o l v et h e p r e s e n t d i f f i c u l t i e si ns t e e l - c o n c r e t e e n g i n e e r i n g s t r u c t u r a l a n a l y s i s a n dc o n s t r u c t i o n s u p e r v i s i o na n dc o n t r o l ，s t e e l - c o n c r e t e c o o r d i n a t i n g r e l a t i o n sf o rt w ok i n d so fh e t e r o g e n e o u sm a t e r i a l c o m p o s i t e m e m b e r s ，p r e s t r e s s i n g c a b l e sa n dc o n c r e t e ，s t e e lt u b e sa n dc o n c r e t e ，a r e s t u d i e da n dd e d u c e db yp r o p o s i n gt h ec o n c e p t so fb o t hc o m p o s i t em e m b e r so f h e t e r o g e n e o u sm a t e r i a l sa n ds t e e l - c o n c r e t ec o o r d i n a t i n gr e l a t i o n s b a s e do n t h es t e e l c o n c r e t e c o o r d i n a t i n gr e l a t i o n s ，e l e m e n t s t i f f n e s sm a t r i xo f g e o m e t r i c a l l yn o n l i n e a ra n a l y s i s ，f o r m u l a s f o rs e l t 2 s t r e s s e sb yt e m p e r a t u r e s a n d d i s p l a c e m e n t s ，s t r e s s e s o f c o r r e s p o n d i n gs u p e r f l u o u s s t r u c t u r e sa r e f u r t h e rs t u d i e d f u r t h e r m o r e ，an e w t h e o r y a n dm e t h o df o rs t r u c t u r a l g e o m e t r i c a ln o n l i n e a r i t y a n d b u c k l i n ga n a l y s i s i s p u t f o r w a r d p r a c t i c a l e n g i n e e r i n ge x a m p l e sd e m o n s t r a t et h a ti t i so fg o o de l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ， h i g he f f i c i e n c y ，a sw e l la sc a p a b l eo fc o n s i d e r i n gt i m e d e p e n d e n tb e h a v i o r so f c o n c r e t e a d d i t i o n a l l y ，i t d e s e r v e st om e n t i o nt h a tt h e t h e o r y a n dm e t h o d a b o v es o l v e s e f f e c t i v e l y t h e p r o b l e m so fa f f e c t i o nt o e a c ho t h e r ，s u c ha s a f f e c t i o no fs t e e lb u n d l e st oc o n c r e t ec r e e p ，w h i c hi sa u t o m a t i c a l l yc o u n t e di n b yt h er e l a t i o n s h i p e s p e c i a l l y , t op r e s t r e s s e dc o n c r e t es t r u c t u r e sb ys e g m e n t a l c o n s t r u c t i o n ，i th a se v e rn o tb e e ns o l v e de f f e c t i v e l yt oe s t i m a t e p r e s t r e s s d a m a g eo fp r e v i o u sc a b l e sc a u s e db yf o l l o w i n gp r e s t r e s s i n gc a b l e s h o w e v e r ， i ti s r e a d i l ys o l v e db yt h er e l a t i o n s h i p ，w h i c hs i m u l a t e sp r a c t i c a ls t r u c t u r a l b e h a v i o r ，e n h a n c e sf o r e s i g h tt oa l lk i n d so fa c c i d e n t sa n de n s u r e ss t r u c t u r a l i i 武汉理i 人学i 尊十学何论文 s a f e t yi ns t r e n g t ha n ds t a b i l i t y s e c o n d l y ，d e s i g n ( c o n s t r u c t i o n ) c o m p l e t i o nr e a s o n a b l es t a t e sa n dd e s i g n ( c o n s t r u c t i o n ) s e g m e n t a l r e a s o n a b l es t a t e sa r e p r o p o s e d b a s e d o nt h e m ， p a r a m e t e ra p p r o a c ha n a l y s i sm e t h o do fd e s i g ns e g m e n t a lr e a s o n a b l e s t a t ei s i n t r o d u c e d ，w h i c hh a so n l yi t e r a t i o ni nd u ed i r e c t i o n ，a n dm o r ee f f i c i e n tt h a n p r e s e n tb a c k w a r da n a l y s i s ，b a c k w a r d f o r w a r di t e r a t i o na n a l y s i sa n d n o n - s t r e s s s t a t em e t h o da sw e l la sm o r es t a b l eb e c a u s eo fi n t r o d u c t i o no fi t e r a t i o n p a r a m e t e r a i m p r o v e dg r e yp r e d i c t i o nm o d e ln g m ( 1 ，1 ) i sp r o p o s e db ys y s t e m a t i c s t u d yo fg r e yp r e d i c t i o n an o r m a l i z e dm a p p i n gr u l e o fr a wg r e ys e r i e si s i n t r o d u c e db ya n a l y s i so f e x p o n e n t i a lf u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ew h i t e n i n g d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ，w h i c hm a k e st h en o n e q u i g a pg r e yp r e d i c t i o n m o d e l n g m ( 1 ，1 ) f i t f o ru n i v e r s a lr a w g r e ys e r i e s ，i m p r o v e sp r e d i c t i o np r e c i s i o n g r e a t l y ，m e a n w h i l e m a k e si n n o v a t i o nt os e r i e sw i t h n e g a t i v e v a l u e sa n d e n l a r g e sg r e yp r e d i c t i o nt h e o r y b e s i d e s ，f o r w a r dr o l l i n go p t i m i z a t i o n t h i n k i n g i s p r o p o s e d a n dc a r r i e do u tb a s e do nt h e d e v e l o p e d r a n d o m p e r t u r b a t i o nm e t h o do fg e n e t i ca l g o r i t h m s a l la b o v ef o r mt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f p r e d i c t i o nc o n t r o lt h e o r yi nt h i sp a p e r l a s t l y ，b a s e do nt h et h e o r i e sa n dm e t h o d si n v o l v e d ，b r c ，ap o w e r f u l s o f t w a r es y s t e mo fc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fb r i d g e sw i t ha u t o n o m o u sp r o p e r t y r i g h ti sd e v e l o p e d ，w h i c hs t a r t i n gp o i n ti sh i g ha n df i tf o ra l lf o r m so fb r i d g e s b e c a u s eo f g e n e r a l i z e dh y b r i d m a t e r i a l e l e m e n t sa n dc a b l ee l e m e n t s f u r t h e r m o r e ，i n c o n t r o l p a r t ，i t o w n s a n a l y s i s f u n c t i o n so f d e s i g n ( c o n s t r u c t i o n ) c o m p l e t i o n r e a s o n a b l es t a t e sa n d d e s i g n ( c o n s t r u c t i o n ) s e g m e n t a l r e a s o n a b l e s t a t e s ，e l e v a t i o n o ff o r me r e c t i o no r i n s t a l l a t i o n ， s i m u l a t i o na n a l y s i s ，f o r e s i g h to fa l a r ma n dg e n e r a l i z e d o p t i m i z a t i o n ，a m o n g w h i c h ，d e s i g no ff o r e s i g h t o fa l a r mw i l lb r e a k t h r o u g ht h ed i f f i c u l t y o f n o n - s y n c h r o n i s m o fs t r e n g t ha n d b u c k l i n ga n a l y s i s a n da s s u r e s a f e t y i n s t r e n g t ha n ds t a b i l i t yi np r o c e s so fc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：s t e e l c o n c r e t e s t r u c t u r e s ；c o o r d i n a t i n g r e l a t i o n so fs t e e la n d c o n c r e t e ；p a r a m e t e ra p p r o a c hm e t h o do fs e g m e n t a lr e a s o n a b l es t a t e ；m o d e l n g m ( 1 ，1 ) ；c o n s t r u c t i o nc o n t r o ls y s t e mb r c 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文课题的来源和研究的意义 课题来源：湖北省自然科学基金“大跨钢管混凝土拱桥施工过程灰色 预测控制”( 2 0 0 0 2 0 0 2 ) 及武汉市青年科技晨光计划“大跨节段施工梁桥 配索自动化机理研究”( 2 0 0 0 2 0 0 3 ) 。 经济的腾飞离不开基础设施的建设和各种结构物的建造。以桥梁的建 造来讲，目前，大跨度桥梁建设进入了前所未有的高潮时期，特大型桥梁 的结构多样化，带来了桥梁工程的科研、设计、麓工、监理和管理水平的 提升，特大型桥梁的结构安全可靠性已成为当今社会普遍关注的问题。为 保证桥梁结构的安全性、可靠性、耐久性、行车舒适性等，实旖特大桥梁 的施工过程监测监控，已成为大型桥梁建设不可缺少的重要环节。其它工 程结构也面临同样的问题。 工程结构施工工艺的复杂性，加之施工过程中许多难以预料的因素， 可能导致某些构件中的应力储备不足或变形过大，从而成为安全隐患。开 展施工监测监控工作以配合现场施工，是保证施工安全和施工质量的重要 手段，并起到指导施工的积极作用，使结构受力合理，线形符合设计要求， 确保结构的施工质量，美观可靠和长久耐用。 因此，根据结构特点，研究预测控制理论体系，并在研究检测系统、 分析系统的基础上，进行有效融合，使控制可视化不仅具有重要理论意义 而且能确保旖工质量，避免事故，缩短施工工期，具有重要工程应用价值， 并将产生明显的社会经济效益。 1 2 国内外研究现状分析 钢混异种材料组合结构施工过程控制，主要包括检测技术、结构正、 基堡堡三盔堂堕堂垡鲨銮 一 反分析及控制理论三部分。 1 2 1 检测技术 从检测方面来讲，检测体系的建立，是结构施工控制得以实现的前提。 结构构形或线形测量，需合理布置观测点，建立几何测量控制网，实现数 字化测量是发展趋势。 受力状态测量，包括截面钢筋应力或混凝土应变测量、索力测量及温 度场测量。每一项都需选用合理的测试元件。 目前，截面钢筋应力或混凝土应变测量，常用振弦式应变计等专用的 仪器测量。索力测量，常采用弦振式测索仪，同时进行现场标定，即在张 拉千斤顶下加锚索计，利用这种高精度的荷重压力传感器的精确读数来标 定确认同一批张拉索的索力值。温度场测量，常用n t c 型直径4 m m 的热 敏电阻，使用读数精度达4 位半的d t 数字型阻值表测出。 值得指出，由于光纤类传感器的优越性能，将其用于施工过程及竣工 后的安全监测是- l o e 发展趋势。 1 2 2 结构正分析 结构正分析是指已知结构影响因素求结构响应( 位移、内力、应力、 屈曲模态或某种综合评价指数，如可靠性分析) 。 首先，针对预应力混凝土桥梁，著名旅美华裔桥梁专家林同炎教授于 二十世纪五十年代提出了荷载平衡法【6 ”，即以钢索作为隔离体，通过平衡 关系，求得预应力近似的等效外荷载及其分布。这种等效荷载法极大地方 便了预应力结构的设计和计算，并一直沿用至今，为预应力桥梁结构正常 使用极限状态的分析计算作出了重大贡献，并为一些国内知名软件采用。 但随着交通建设的飞速发展，桥梁跨径越来越大，尤其是根部的梁高也相 对变大，腹板索倾角较大，上述推导所依赖的近似关系不成立，导致按上 述方法求得的等效外荷载值及其分布的误差就较大。 其次，能量原理及变分原理的完善为有限元技术的发展提供了理论基 础怛。l 。随着结构跨径的长大化，非线性问题变得不可忽略。文献f 4 1 一1 0 1 、 2 3 】【3 0 】、 3 3 卜一 4 2 论述了刚架结构、桁架结构、索网结构等大位移及 大转动的几何非线性分析。文献 1 1 】一【2 2 进一步论述了大跨斜拉桥、悬 武汉理人学博十学位论文 索桥的几何非线性特性及其分析方法。 根据参考构形的不同选取，分为全量拉格朗r 列式法( 即t l 列式法) 和更新拉格朗同列式法( 即u l 列式法) 。t l 列式法以结构的初始构形( 即 0 时刻) 作为参考构形，所有的变量总是参考初始构形，即在整个分析过 程中参考构形保持不变。而u l 列式法则以结构任意时刻的构形作为参考 构形，所有位移、应变及应力等变量都是根据时刻f 来定义，在分析过程 中参考构形是不断更新的。设初始状态为时刻0 ，经若干加载步后达到时 刻r ，此时，时刻f 的应变、应力状态已经求出，称为当前状态，由此计算 ，一h ，这一步的增量，得到下一个变形状态时刻f + ，的变量值。 另外，基于后者的一种变化方法，有文献称为“c o r o t a t i o n a l f o r m u l a t i o n ”，即c r 列式法队3 2 1 。 从以上分析可知，在非线性分析方面已取得卓有成效的成果。但对异 种材料组合构件结构的分析尚需进一步的工作。 结构稳定问题包括第一类稳定问题与第二类稳定问题f 4 。4 “。结构第二 类稳定的临界荷载( 又称极限承载力或压溃荷载) 求解是兼具几何及物理 非线性的问题。在计算机问世之前，求解第二类稳定问题的临界荷载是极 其困难的，一般都用弯矩增大系数的方法考虑压弯杆的“梁柱效应”，| l | j 片j 强度问题代替第二类稳定分析问题。随着计算机技术的飞速发展，第二 类稳定问题及后屈曲几何、物理状态的研究取得重大进展。 工程结构应避免施工过程及运营状态第类失稳的出现。对异种材料 组合构件结构【9 3 “”，避免性态差的复杂单元并建立性态好的有效单元， 研究其局部或整体失稳规律，仍然是一个热点问题。 1 2 3 结构反分析 结构反分析，它是指已知结构响应，反推影响因素的求解方法。它包 括“纠偏”、“调整”、“目标优化”、“参数识别”。 尤其是参数识别，是一个多学科的研究课题。有基于最小二乘法、遗 传算法和神经网络等多种参数识别方法 6 9 “】。如所周知，最小二乘法是一 个古老的方法，包括基本最小二乘法、递推最小二乘法、阻尼最小二乘法 以及广义最小二乘法等。它要求系统输入输出数据之间的关系拟合得最 好，即残差最小。由于残差可正可负，故要求残差平方和最小。然而，最 小二乘法对参数的估计并非随着观测数据的增加而越来越精确，即存在数 武汉理工大学博士学位论文 据饱和现象。 遗传算法和神经网络方法【7 “8 引，作为智能化算法，无疑可作为反分析 方法。 以遗传算法来讲，已广泛应用于目标优化、参数识别及机器学习等反 问题上，并具有很强的适应性。但在其运行的初期阶段，可能群体中一小 部分个体的适应度相对其他个体来说非常高。若按常用的比例选择算子来 确定下一代个体的遗传数量时，则这几个适应度相对高得多的个体将在下 一代群体中占有很高的比例。在极端情况下或群体规模较小时，新的群体 大部分由这些少数几个个体所组成，极易导致产生新个体作用较大的交叉 算予失效，因为染色体信息相同的两个个体无论在哪一个基因座处进行交 叉操作，都不可能产生新个体。随之，变异算子失去作用，群体的多样性 降低，导致早熟现象( 早期收敛) ，在这之后所求得的解始终停留在某一 局部最优点上。在遗传算法运行的后期，群体中所有个体的平均适应度可 能会接近于群体中最佳个体的适应度，都会有以相接近的概率遗传到下一 代的可能性，从而使进化过程无竞争性可言，只是一种随机的选择过程。 这就使得某些重点区域得不到重点搜索，影响遗传算法的运行效率，使得 搜索过程在最优点周围徘徊或陷入某一超平面而无法接近。 因此，遗传算法对实际问题的求解还值得进一步研究。 1 2 4 结构施工控制理论 结构施工控制理论研究是一个活跃的研究领域。结构施工过程控制围 绕构形和受力状态两个方面。基于不同结构所发展的控制方法主要有 k a l m a n 滤波法、自适应控制法和预测控制法【1 1 4 刖8 1 。 k a l m a n 滤波法：主要针对随机线性系统，采取跟踪控制，随时纠偏， 最终达到合理状态。 自适应控制法：由于主要设计参数与实际的差异，系统得不到符合实 际的输出。但可通过参数识别，不断修正设计参数，使设计输出逼近实际 输出。自适应控制是在闭环反馈控制( 下半环) 的基础上增加参数估计功 能而形成。然而因为噪声的存在及影响因素的复杂性，对参数的识别有时 是困难的。 预测控制：在近二十多年来该方法得到较快的发展。从1 9 7 8 年r i c h a l e t 等人提出模型预测启发式控制算法( m p h c ) 以来，先后提出了模型算法 武汉理：火学博十学位论文 控制( m a c ) ，动态矩阵控制( d m c ) ，广义预测控制( g p c ) ，广义预测 极点配置控制( g p p ) ，内模控制( i m c ) 和推理控制( i c ) 等儿十种，且 在实际复杂工业过程控制中得到了成功应用，受到工程界欢迎。 预测控制有三个要素：预测模型、滚动优化、反馈校正，前二项反映 预测控制的特色。 预测控制根据预测器选择的不同，表现出不同的算法内涵。如预测器 可选为神经网络或灰预测。 选用灰预测作预测器 8 “87 来进行桥梁施工过程控制已有一些文献报 导，但所用的预测模型皆基于等间距微分方程型的动态模型g m ( 1 ，1 ) 。 如所周知，g m ( 1 ，1 ) 的应用是有限制的。如要求原始数据序列等问距、 非负，且灰微分方程系数项取值有限制。而工程实际中的数据很难满足这 些要求，这样就有可能导致算法不稳定或失效。 而滚动优化是为了不断消除因模型失配及误差引起的对参考轨迹的偏 离。其中参考轨迹，指施工节段合理状态。施工节段合理状态的合理确定， 是施工控制的一个关键。国内学者提出了很多方法【1 1 4 - 1 1 8 】，同济大学及大 桥局提出的正装倒拆交替迭代法及无应力状态法，反映了目前的水 平。前者一个循环中，包括一次倒装计算和一次正装计算，计算工作量大。 后者计算工作量小，但算法的稳定性还有待进一步提高。 1 3 本文的研究构思和研究内容 在分析国内外钢混组合结构施工控制技术发展现状的基础上，制订了 研究方案。具体围绕检测体系，结构正、反分析系统及控制理论研究三部 分展丌，而重点研究内容则放在结构正、反分析及控制理论研究上。 1 ) 结构分析理论研究是施工控制的基础。很明显，如果分析模型、计 算理论不可靠，后面的施工控制则无从谈起。所以分析模型、计算理论作 为本课题一个重要环节来研究。针对钢混组合结构分析当前存在的一些难 点和问题，本文提出了研究钢混协作关系这一重要思路，尤其成功解决了 如下问题： o n 应力索对其它因素的影响问题：传统方法是将预应力转化为外荷载 ( f 常使用极限状态) ，不易考虑预应力索对其它因素的影响i ；1 题，如徐 变问题。混凝土具有徐变现象，而钢索在常温下没有徐变现象。钢索对混 凝土的徐变无疑产生影响，通过考虑钢混协作关系，这个问题就可简单而 有效地得到解决。 易于对钢索张拉力的分析，避免事故。因为调索的张拉力随工序的变 化是明确的。 随着跨径的增大，就需研究几何非线性问题，尤其是大位移、小应变 问题。按u l 列式法推导相应的分析公式，同时按结构施工不断进行体系 转换的特点，研究单元激活、退出工作及准确模拟其工作特性等问题。 由于结构施工控制中，常常是前期预测，后期若有偏差，则必须进行 调整。而“调整”就是反问题。因此对反问题的描述、求解方法及求解效 率的探讨，则直接影响控制算法效率的高低。 2 ) 预测控制理论研究是本文一个重点问题。预测控制的三个关键要素 是预测模型、滚动优化及反馈校正。本文分析了它们各自的发展状态，研 究改进措施。如预测模型采用灰预测，基于钢混组合结构施工的特点分析 “灰因”和“白果”，进而研究算法适应性强、能反映结构施工构形及受 力状态因素变化规律的预测模型。 滚动优化及反馈校正实际上是相辅相成的。本文通过滚动优化和反馈 校正的研究来消除各种因素干扰及模型失配等造成的输入输出不一致问 题。 3 ) 在上述理论和方法研究的基础上，开发研制了一套功能强大的有自 主知识产权的桥梁施工控制软件系统，并研究了实测数据和计算机软件的 接口，进一步提出了实现检测系统、分析系统与预测控制的有效融合技术， 以可视化的方式对施工过程进行动态模拟，直观地观察结果，对控制决策 先进行仿真分析，并设置预警，使决策科学化、可视化。 1 4 本文研究所解决的关键问题和创新点 本文以研究钢混协作关系为基础，对钢混桥梁结构施工控制进行了系 统深入的研究，解决了如下关键问题，并取得了创新性的研究成果。 1 ) 分析钢混结构现有分析的一些难题，本文提出钢混异种材料组合 构件中的钢和混凝土( 预应力钢索和混凝土，钢管和混凝土) 协同工作的 结构分析建模思想。通过推导钢和混凝土两种材料既独立又互依的关系， 使得分析橛念十分明确。同时有效解决了钢和混凝土两种材料相互影响闯 6 武汉理i ：人学l 尊十学位论文 题。如徐变分析中钢索对混凝士徐变的影响能自动讨入。特别是存预庸力 混凝土桥梁施工中，因分批张拉引起先期索的应力损失问题。应力损失估 计不足，使结构存在强度安全隐患：应力损失估训过大，实际加给结构的 预应力将超过所需值，会导致拉裂等事故发生，对结构延性办不利，导致 脆性破性的发生。通过研究这种协作关系，使上述问题得到解决。另外， 指出了现行的将预应力转化为外荷载的分析方法的局限性。 本文提出的分析方法反映了实际的结构行为，能提高对施工中各种事 故的预见性，保证结构的强度和稳定性，从而达到提高安全性的目的。 2 ) 从u l 列式下连续体的虚功增量方程出发，推导了钢混异种材料组 合构件( 钢混异种材料组合元) 的几何非线性分析单元刚度矩阵，研究钢 混异种材料组合结构的大位移、小应变问题，提高计算效率。 3 ) 引入设计结构合理状态、设计节段合理状念、施工结构合理状态及 施工节段合理状态的概念，明确实际施： 控制遵循的参考轨迹。 基于以上设计( 施工) 节段合理状态的概念，提出了设计( 施：节 段合理状态分析的参数逼近法，因只需正向计算，与目前的倒退分析、前 进倒退交替分析法及无应力状态法相比，具有更高的效率，又因引入迭代 参数，使计算稳定性更好。 4 ) 通过对白化微分方程解的指数函数特性的分析，提出原始狄序列的 归一化映射规则，使非等间距灰预测模型n g m ( 1 ，1 ) 适应般狄序列， 大大提高了次预测精度。这亦解决了含负值灰序列预测的理论问题，拓宽 了灰色预测理论。 5 ) 在上述理论和方法的基础上，研制了套具有自主知识产权，功能 强大的桥梁施工控制系统b r c 。该系统开发起点高，具有通用的异种材料 组合元和索元，可适用于各类桥梁结构。在控制模块中，具有设计( 施工) 成桥合理状态、设计( 施工) 节段合理状态、立模( 或安装) 标高、仿真 分析、预警及广义优化等多种功能模块。尤其对预警设计，突破强度、稳 定性不同步的难题，确保旋工过程中强度和稳定性的安全。 亟堡望三盔堂堕主堂垡鲨茎 一一 第2 章基于钢混协作关系的异种材料 组合构件结构分析方法的研究 2 1 引言 2 1 1 异种材料组合构件及钢混协作关系的概念 在钢混结构中，钢的作用主要是抵御拉应力或起套箍作用。基本构件 主要有预应力钢索和混凝土、钢管和混凝土组成的构件。在常温下具有徐 变现象的混凝土和在常温下无徐变现象的钢索或钢管组成的构件，为本文 所研究的异种材料组合构件。 这里提出组合构件的概念，主要是从功能的角度上来考虑的。由钢和 混凝土的集合体成为结构的基本构件，应具备某种功能，如抗压抗弯。它 们之间具有一定的独立性，又相互制约或满足某种变位协调关系，我们把 这种协调关系称为钢混协作关系。 2 1 2 预应力钢索与混凝土的协作关系 对有粘结预应力的钢混组合构件，在不发生开裂时，钢索与混凝土变 形协调，或钢索通过与混凝土的协调工作，提供混凝土的预压应力：对无 粘结预应力的钢混组合构件，钢索除锚点外的中间点沿纵向可能发生相对 滑动，此时钢索通过锚点与混凝土协调工作( 其它点仅横向协调) ，提供 混凝土的预压应力。 现以有粘结预应力的钢混组合构件来进行分析，如图2 1 假定同一断面索元节点从动于梁元节点。这样，若1 点发生位移为 ( “，v ，0 ) ，则引起2 点位移为 “= “+ d 0 - c o s ( a ) v = v + d 0 s i n ( a )( 2 一1 ) 口7 = 臼 粱轴线 索元 _ 而”矿而可哥可可v 口口口 。! 一二茹茹垡z 瓶、坝卜 i 。0 0 j 图2 1 预应力钢索混凝土组合构件 na 式中，d 为在k - a 截面预应力钢索到梁轴线的距离，a 为梁轴线与水平 轴的夹角。这样就将构件中相互独立的预应力钢束与混凝土通过满足( 2 1 ) 式统一到一起进行工作。索元对总刚的贡献，通过与混凝土梁主从关系得 以实现。 通过以上钢混协作关系的分析，成功地解决了如下长期困扰预应力混 凝土结构分析的难题。 1 ) 自动考虑了钢索对混凝土收缩、徐变的影响，使分析合理。因混凝 土的收缩、徐变必须受到式( 2 一1 ) 约束，按此关系进行内力重分布。这 一过程实际全部被纳入对有限元平衡方程的求解过程之中。相反，传统方 法将钢索预应力转化为外荷载，若要考虑钢索对混凝土收缩、徐变的影响， 必需进行另外的推导，使问题复杂化。同时钢索因混凝土收缩和徐变引起 的预应力损失，也被自动计入。 2 ) 大跨节段施工预应力混凝土桥梁都是分批张拉、锚固的。这样，当 张拉第二批钢索时，混凝土所产生的弹性压缩会使第一批已张拉锚固的钢 索产生预应力损失。同理，当张拉第三批时，又会使第一、第二批已张拉 锚固的钢索都产生预应力损失。余此类推。然而，利用上述钢混协作关系， 这种因分批张拉而引起的预应力损失，则通过式( 2 一1 ) 的钢混协作关系 自动计入。 武汉理工大学博士学位论文 3 ) 可对预应力索张拉过程进行合理模拟。对于常采用的两端对称张拉 或一端锚固一端张拉，可在考虑式( 2 1 ) 的同时，根据延伸量分布所产 生的钢束初应变来进行计算分析，对实际操作进行模拟。这样可有效计算 分析钢索张拉力，避免常常因误张拉而引起的混凝土开裂等事故。 2 1 3 钢管与混凝土的协作关系 以图2 2 示哑铃形钢管为例，其中混凝土加入一定掺量的膨胀剂，形 成高强低热微膨胀混凝土。在变形过程中以满足平截面假定为钢混协作条 件。这样由轴向刚度及抗弯刚度等效原则可推导得满足钢混协作关系的等 效截面几何特性。 图2 2 哑铃形截面钢管混凝土组合构件 组合材料截面等效弹性模量f 、等效面积、等效弯曲惯矩，及等 效容重，。分别为 e + = ( e ，a ，+ x e 。a 。) a a = a ，+ 别。 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ，+ 2 【e 。，；+ z e 。，。+ p 2 ( ，a 。+ z e 。a 。) 】e ( 2 4 ) y + = ( ，。a 。+ ，。z a c ) a ( 2 5 ) 式中下标s 、c 分别代表钢和混凝土，指上管、下管及腹管实际浇灌 混凝土相应项之和。由于在分段施工过程中构件任一截面可能出现上管或 亟堡望：! 盔堂竖主堂堡丝苎一 下管或腹管中无混凝土，使整个截面的弯曲中性辅出现向上或向下的偏 离，偏离量为： p ：( tf 。z d d ) ( e 4 ；+ e 4 ) ( 2 6 ) 这样就使得后面的分析简单有效。这亦避免了目前广泛采用块体单元。” 分析所造成单元性态差的缺点。 2 。2 异种材料组合构件温度荷载分析 施工过程控制的一项重要内容就是对监测非线性温度的分析，这里以 钢管混凝土组合构件为例说明。钢管混凝组合构件就是在薄壁钢管内填 充混凝土，使两者共同工作的一种组合受压构件。其核心混凝土受到钢管 的约束处于三向受压状态，从而具有比普通混凝土大得多的承载能力和抗 变形能力。而钢管壁受到核心混凝土的约束，其稳定性也大为增强。 这种异种材料组合构件较好解决了工程结构用料省、安装重量轻、施 工简便、承载能力大等难题。 严格地说，结构任一点的温度t 。= t ( x ，y ，z ，t ) 为三维坐标及时间的函 数。根据结构特点，可以认为在沿长度方向温度变化是一致的。本文考虑 沿截面高度方向任意分布的温度荷载，r ( z ) ，提出其分析方法及有限元计 算公式。 图2 3 ( a ) 为一哑铃形截面钢管混凝土组合构件，其组合截面等效弹 性模量、等效面积月、等效弯曲惯矩，及等效容重y 按钢混协作关系 分别如式( 2 - 2 ) 至式( 2 - 6 ) 所示。 在任意温度荷载t ( z ) 作用下的分析可看作一个初应变问题。在温度 荷载作用下，结构将产生变形，如果这种变形不受到约束，将不产生内力； 反之，如果其受到约束，将产生内力。 对于非线性温度分布，即使静定结构，根据贝努里平截面假定，各纵 向纤维的伸缩相互约束，从而产生纵向约束应力，这部分在截面上自相平 衡的约束应力称为温度自应力。 对于超静定结构，除温度自应力外，还应考虑多余约束阻止结构变形 产生的温度次内力引起的温度次应力。 武汉理工大学博士学位论文 2 2 1 温度自应力 如图2 3 ( a ) ，设0 。为混凝土部分截面积重心，0 。为钢部分截面积重 心，0 为全截面重心；d 。、d 。分别为混凝土部分截面积重心及钢部分截面 重心至全截面重心距。如图2 3 ( b ) ，设n 。( n 。) ，m 。( m 。) 分别为混凝土( 钢) 部分截面轴力及弯矩；n ，m 为全截面轴力及弯矩。如图2 3 ( c ) ，设斜线 为n 、m 引起的纵向应变之和w + 。如图2 3 ( d ) 为截面温度任意变化曲线。 ( a ) m 工n ( b ) ( c ) ( d ) 图2 3 温度分析图式 按平截面假定，纵向任一截面中性层曲率k ：! ：粤，则m 引起的正 应变s 。= k z ，由n 、m 引起的总的正应变 s ( z ) 25 + 5 m 。c n k z ( 2 - 7 ) 当纵向纤维之间不受约束而自由伸缩时，则沿梁高由温度变化引起的 任一点应变 6 t c ( z ) = 口c t ( z ) s r s ( 力= a ，r ( z ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 武汉理_ 大学博士学位论文 式中：c t ，吼分别为混凝土和钢的线膨胀系数。 因此产生自应力的应变为： f 墨( = ) = a 。h ：) 一( s 。一乜)( 2 - 1 0 ) s ：( z ) = d ，r ( z ) 一( 一k z )( 2 1 1 ) 混凝土温度自应力为： 口：( z ) = e c 【a 。“z ) 一( s 一尬) ( 2 1 2 ) 钢温度自应力为： 口：( 2 ) = e ，陋，h z ) 一( s 一心) 】( 2 1 3 ) 因在所考察微分段d s 上