（机械设计及理论专业论文）计算机辅助监控系统在天子山大桥施工控制中的应用.pdf

摘要 位于湖南永连公路上的天子山大桥，其设计桥型为大跨径钢管混凝土桁式组 合拱桥。该桥是一种崭新的桥梁结构，目前尚无成熟的施工控制理论与方法，在 其施工过程中，影响施工过程安全性和成桥线形的因素很多因此必须采取有效 的施工监控措施，以保证施工过程的安全性，同时保证桥粱建成后的内力和线形 符合设计要求。 本文的研究工作紧密联系天子山大桥的施工过程，首先通过一般桥梁结构分 析，认为影响施工过程安全性的主要因素为：桥台的变形、钢铰线的预应力及下 弦钢管拱的变形和应力：影响成桥线形的误差因素主要包括有：下弦钢管拱预制 线形误差，构件自重误差，施工临时荷载的影响，下弦在施工过程中的安装误差 等。其次，将全桥简化为平面桁架模型，利用有限元分析程序a n s y s 进行倒退 分析，得到各节段旄工过程中必需的施工抬高值然后，采用数字式传感器、多 点综合测试仪和现场工控机，建立计算机辅助监控系统，对该桥施工过程中影响 安全性的参数进行实时监测，同时采用基本离散线性系统的k a l m a n 滤波方法对桥 梁施工过程中影响线形的误差因素进行处理，来保证成桥线形符合设计要求。 经过湖南永连公路天子山大桥的施工实践。证明本系统是一个可行的实时监 测控制系统。实时监测数据表明，桥台的变形、钢铰线的预应力和下弦钢管拱的 变形在施工过程中始终处在安全范围内；采用现代控制理论进行误差处理的结果， 在桥粱建成后，下弦拱轴线标高测点误差最大值为2 2 c m 。全桥线形符合设计验 收要求。据笔者查阅的资料，此种采用计算机监控系统进行桥梁施工控制的方法， 目前在国内还是第一次，本文进行的工作对以后该种桥型和其它桥型的施工都具 有一定的参考意义。 【关键词】计算机辅助监控钢管混凝土桁式组合拱桥 施工监测 施工控制有限元法 k a l m a n 滤波 【注】：本文进 - 的研究工作受到了湖南省2 0 0 2 年科技攻关项目的资助 a b s t r a c t t i a n z i s h a nb r i d g et h a ts i t u a t e da ty o n g l i a nr o a do fh u n a n p r o v i n c ei sd e s i g n e dt ob e t h e t y p e o f l a r g es p a nc o m b i n e da r c ht r u s sb r i d g eo f s t e e lt u b ef i l l e dc o n c r e t e t h i st y p eo f b r i d g ei sa k i n do fb r a n d n e wb r i d g es t r u c t u r e ，a tp r e s e n t ，i th a sn o tf o r m e dar i p ec o n s t r u c t i o n c o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d d u r i n gi t s c o n s t r u c t i o n ，t h e r ea r em a n yf a c t o r s ，w h i c h a f f e c tt h es e c u r i t ya n dl i n es h a p eo ft h eb r i d g ec o n s t r u c t i o n s om o n i t o r i n gs y s t e mo f c o n s t r u c t i o nm u s tb ea d o p t e dt oi n s u r et h a tn o t o n l yt h es e c u r i t yo fc o n s t r u c t i o n p r o c e s sb u ta l s ot h ei n t e r n a lf o r c ea n dl i n es h a p ea f t e rc o n s t r u c t i o na c c o r dw i t ht h e r e q u e s to f t h ed e s i g n i nt h i st h e s i s ，t h es t u d yc l o s e l yc o n t a c tt i a n z i s h ab d d g e sc o n s t r u c t i o n p r o c e s s , f i r s t l y f r o mt h ec o m m o n b r i d g ec o n s t r u c t i o na n a l y s i s ，t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t e dt h es e c u r i t y o fc o n s t r u c t i o ni n c l u d e 船t h ef o l l o w i n g ：t h ed i s t o r t i o no f b r i d g ep l a t f o r m s t e e lr e a m l i n e s b e f o r e h a n ds t r e sa n dt h ed i s t o r t i o na n ds t r e s so fb e l o wc h o r ds t e e lt u b ea r c h ；t h ee r r o r f a c t o r st h a ta f f e c t e dt h el i n es h a p eo ft h eb u i l tb r i d g em a i n l yi n c l u d e 勰t h ef o l l o w i n g ：t h e b e f o r e m a n u f a c t u r e dl i n es h a p ee r r o ro f t h eb e l o w c h o r d ，t h ec o m p o n e n td e a d w e i g h te r r o r , t h ea f f e c to f t e m p o r a r yc o n s t r u c t i o nl o a d ，t h ei n s t a l l a t i o ne r r o ro f t h eb e l o wc h o r dd u r i n g t h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，e t c t h e n ，t h ew h o l e b r i d g ei sp r e d i g e s t e d 嬲p l a n ej o i s tf r a m e m o d e la n dt h ec o n s t r u c t i o nr u n u pv a l u e so fe a c hs e c t i o nf i r eg o tb ya d v a n c e da n a l y s i sa n d r e v e r s e d a n a l y s i st h r o u g l l t h e a p p l y i n g o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n s y sp r o g r a m a f t e r w a r d s ，t h ed i g i t a ls e n s o r sa n di n t e g r a t e dm u l t i - t e s ti n s t r u m e n t 8 r ca d o p t e dt of o u n da c o m p u t e r i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mt os u p e r v i s et h ef a c t o r st h a ta f f e c t e dt h es e c u r i t yo f t h e c o n s t r u c t i o nr e a l t i m e a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o do fk a l m a nf i l t e r i n gw a v em e t h o di s a l s oa d o p t e dt od e a lw i t ht h ee r r o r st h a ta f f e c t e dt h el i n es h a p eo ft h eb r i d g et oi n s u r et h a t t h el i n es h a p eo f b u i l tb r i d g ea c c o r d sw i t ht h er e q u e s to f d e s i g n t h r o u g h t h ec o n s t r u c t i o n p r a c t i c e o ft i a n z i s h a n b r i d g e o fh u n a ny o n g l i a n r o a d ，t h i ss y s t e mh a sb e e np r o v e dav i a b l er e a l t i m em o n i t o r i n gm a n i p u l a t i v es y s t e m - t h ed a t af r o mt h er e a l t i m es u p e r v i s i o np r o v e dt h a tt h ef a c t o r sw h i c hm a i n l yi n c l u d e d t h ed i s t o r t i o no ft h eb r i d g ep l a t f o r m ，t h eb e f o r e h a n ds t r e s so ft h es t e e lr e a ml i n ea n d t h ed i s t o r t i o no ft h eb e l o wc h o r ds t e e lt u b ea r c hw h i c ha f f e c t e dt h es e c u r i t yo f t h e b r i d g ec o n s t r u c t i o nr e m a i n e d i nt h es e c u r er a n g ea l lt h et i m e t h er e s u l to ft h ed e a l i n g l l w i t he r r o rt h r o u g ht h em e t h o do fm o d e r nc o n t r o lt h e o r yh a s p r o v e dt h a tt h em a x i m a l w a r po ft h eb e l o wc h o r da r c ha x e sl i n es h a p er e a c h e d2 2 c ma i l e rt h eb r i d g eh a sb e e n b u i l t u p a n d t h i sv a l u ea c c o r d sw i t ht h e r e q u e s t o fc h e c k i n ga n d a c c e p t i n g a c c o r d i n gt o t h ei n f o r m a t i o nih a v e c o n s u l t e d ，t h i st y p eo fc o n s t r u c t i o nc o n t r o l t h r o u g hc o m p u t e r i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mi s f i r s tu s e di nt h e p r o c e s so fb r i d g e c o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r ya tp r e s e n t ，s ot h ew o r kt h a th a sb e e nt a l k e da b o u ti nt h i s t h e s i sh a sar e f e r e n c ev a l u et os o m e d e g r e ei nt h i sk i n do fb r i d g e sa n do t h e rb r i d g e si n t h es u c c e d e n t y e a r s k e y w o r d s c o m p u t e r - a i d e dm o n i t o r i n g ，s t e e lt u b ef i l l e dc o n c r e t e ，c o m b i n e da r c h t r u s sb 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 g ，c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ， k a l m a n f i l t e r i n gw a v e m e t h o d 【a n n o t a t i o n t h e s t u d yo f t h i s t h e s i s i s i m b u r s e d b y t h e 2 0 0 2 s t a c k l i n g k e y p r o b l e m s o fh u n a n p r o v i n c e i 1 1 引言 第一章：概述 在大跨径桥梁的施工过程中，影响桥梁施工过程的安全性和桥梁线形的因素 很多，必须采取相应的措施对这些影响因素进行处理，即在施工过程中。必须进 行施工监控，以保证桥梁施工过程的安全性以及保证成桥线形符合设计要求。具 体来讲，桥梁施工监控就是对桥梁施工过程中结构的受力、变形及稳定性进行监 控，使施工中的结构状态处于最优状态。保证施工过程的安全性，同时也要保证 成桥状态( 包括内力和线形状态) 符合设计、规范要求。 桥粱施工监控主要包括施工监测和施工控制两部分内容施工监测主要是指 对桥梁施工过程中影响施工过程的安全性的参数和影响成桥线形的各种因素的测 量，控制各关键构件的内力和变形始终在安全范围内，以此来保证施工过程的安 全性。施工控制主要是指对桥梁旌工过程中影响桥梁线形的各种随机和非随机误 差因素进行处理，以保证桥梁建成后的线形与设计要求相符合。 对于大跨径钢管混凝土桁式组合拱桥来说，采用悬臂拼装施工法虽有许多优 点，但是，当跨径进一步增大时，新的问题也就随之出现。比如，如何保证合拢前 两悬臂端竖向挠度的偏差和下弦轴线的横向偏移不超过容许范围：如何保证合拢 后的桥面线形良好：如何避免施工中下弦截面出现过大的应力等。这些问题若处 理不当，不仅会对结构受力不利，从而影响施工的安全性，而且可能会使下弦拱 轴曲线和桥面线形不平顺，形成永久性缺陷而影响美观。为了解决好以上这些问 题，就必须在桥粱施工过程中实施施工监控。 位于湖南永连公路上的天子山大桥，设计桥型为钢管混凝土桁式组合拱桥， 由于该种桥型为一种崭新的桥梁结构型式，其施工在国内尚属首次，还没有形成 一套成熟的理论与方法，因此，在施工过程中，必须对其进行施工监控。本文的 内容即结合天子山大桥的施工，研究将计算机监控系统应用于天子山大桥施工控 制的技术。 1 2 钢管混凝土桁式组合拱桥的发展及其特点 1 2 1 钢管混凝土的特点及其应用于拱桥的优势 根据钢管与混凝土的组合关系，可分为内填型和内填外包型两种，其中内填 型钢管混凝土根据钢管的形状可分为圆管、方管、多边形管和圆端形管等，圆形 钢管混凝土由于平面形状为轴对称，压力作用下钢管环向应力均匀，施加于内填 混凝土的紧箍力也均匀，因而受力性能最好，且钢管加工容易，因而应用最广泛 钢材在弹性工作阶段时，它的泊松比 变动很小，在0 2 5 0 3 0 之间，而混 凝土的泊松比k 随着纵向力的增长从低应力的0 1 6 7 左右逐渐增至0 5 ，接近破坏 时，将超过0 5 。因此，内填型圆钢管混凝土随着轴向力n 的增大，混凝土的泊 松比 迅速超过钢管的泊松比儿使得混凝土的径向变形受到钢管的约束而外于三 向受力状态( 如图卜3 所示) ，其承载能力大大提高。同时钢管的套箍作用也大大 提高了混凝土的塑性性能，使得混凝土，特别是高强混凝土脆性的弱点得到克服。 另一方面，混凝土内填于钢管之内，增强了钢管的管壁稳定性，刚度也远大于钢 结构，使其整体稳定性有了极大的提高。因此，钢管混凝土材料应用予以受压为 主的构件中较之钢结构和混凝土结构有着极大的优越性。 图卜i 钢管混凝士受力示意圈 在施工方面，钢管具有较大的刚度和强度，可以作为施工的劲性骨架钢管 混凝土结构耐腐蚀性能比钢筋混凝土弱，但与钢结构相比，其内壁因填充了混凝 土，只有外壁需要采取防腐漆因而比表面减少一半。钢管混凝土结构还具有较 好的耐冲击能力和动力性能。圆形钢管混凝土柱在抵抗方向不确定的地震力作用 时由于其各个方向的强度相同，显示出其有效性。 1 2 2 钢管混凝土桁式组合拱桥及其特点h “删 2 0 世纪3 0 年代，苏联建造了跨越列宁格勒涅瓦河的钢管混凝土拱桥组合体 系和位于西伯利亚跨度达1 4 0 m 的桁肋钢管混凝士拱桥。1 9 9 0 年，我国第一座钢管 混凝土拱桥一四川旺苍东河大桥建成，该桥为跨径l l o m 的下承式预应力钢管混凝 土系杼拱桥。此后短短的几年内，据不完全统计，我国已建和在建的钢管混凝土拱桥 已近4 0 座，其中有双主跨l o o m 中承式肋拱的广东高明大桥( 1 9 9 1 年建成) ，主跨 1 2 0 m 中承式的浙江新安江大桥( 1 9 9 3 年建成) ，主跨2 0 0 m 自锚式的广东南海三山 西大桥( 1 9 9 5 年建成) 。 桁式拱桥涉及拱与桁的组合，依上弦断与不断，或断点位置的不同，可分成 以下四种类型： 一是上弦连续不断，为连续桁架拱( 图l - 2 a ) ： 二是上弦在墩( 台) 顶部断开，为一般桁架拱( 图1 2 b ) ； 三是在拱顶区段断开( 设铰或挂粱) ，为拱桁粱( 桁式t 构) ( 图i - - 2 c ) ； 四是上弦在墩( 台) 顶与拱顶之间的适当位置断开，为桁式缎合拱( 图1 2 d ) 。 、辽习巧- 冈 ) 7 、 n 7 新齄断缝 盯一眵陟 、 k 3 鼎 j k 3 3 图3 1 i 全桥悬臂吊装节段标高控制点分布图 往ti ：圈中k 卜一k 3 4 为施工控制计算模型中的关键点。x i i o 卜x 1 ( 6 ) 及x 2 ( o 卜- x 1 6 ) 为标高控制点也是 在谴渡控制中的观测向量 3 42 1 施工抬高值计算结果 按上述步骤进行倒退分析计算所得的天子山大桥悬臂吊装备节段理想施工抬 高值( 其计算过程中不考虑混凝土的蠕变和松驰等与时间有关的力学特性，因构 件的施工放样坐标中己以预拱度计入) 如表3 8 和表3 - 9 所示： 表3 - 8 永州岸观测点施工抬高值计算结果表 爱别 o # 节段l # 节段2 # 节段3 # 节段4 # 节段5 # 节段硎节段 抬高值 x ( 0 )x ( 1 )x i ( 2 )x i ( 3 )x ( 4 )x i ( 5 )x ( 6 ) 施工抬高值 2 o3 ，54 97 81 1 o1 8 51 9 5 ( c m ) 表3 - 9 红水岭岸观测点施工抬高值计算结果表 段别 o # 节段i # 节段2 # 节段3 # 节段4 # 节段s # 节段6 # 节段 抬高值x l o )奴”x 2 ( 2 )x k 3 )x 2 ( 4 )x 2 ( 5 )妓6 ) 籀工抬高值 2 23 85 28 o1 1 51 9 52 0 o ( c m ) 3 4 2 2 计算结果及分析 上述分析计算结果考虑了天子山大桥永州岸和红水岭岸两岸构件啬匀实际受力 和变形特性，故其分析所得结果有所不同。拱桥施工过程中，随着施工节段的增 加掩工抬高值应逐渐增大在拱顶节段达到最大，由上述的计算结果也可以清 楚地看到这一规律。 在一般的拱桥实际施工过程中，各节段的施工抬高值应略大于理论计算值， 具体视施工实际情况面定。因为实际施工过程中，影响桥粱标高的因素有很多， 这一点前砸己提及，理论计算过程中有一些因素( 如温度) 无法计入或计算过程 中带有误差，若取理论计算值，则在实际施工过程中易造成与设计线形较大的 偏差。 第四章天子山大桥的施工监测 天子山大桥设计为钢管混凝土桁式组台拱桥，桁式拱桥虽然在实际的桥梁旌 工应用中已经比较广泛，但天子山大桥相对于一般的桁式拱桥有一个显著的不同。 即其在第三、四节段上弦处形成断缝，形成桁式组合拱，全桥可视为两岸的悬臂 墩支承着中部的桁架拱。形成桁式组合拱桥，此种桥型在国内首次出现，其旌工 还没有形成一套成熟的理论与方法，因此在实际的施工过程中必须进行施工监测， 以保证实际施工过程的安全性。在施工控制计算中，已经得到能反映实际施工状 况的关系到结构安全性能和有关桥粱标高的结构参数，如下弦钢管拱关键截面在 施工过程中的应力状态、斜拉索的应力、各节段施工过程中相应构件的标高数据 等。但这些理论计算值在实际的施工过程中由于施工临时荷载、风荷裁、各构件 的加工误差及安装误差、温度变化等的影响，会发生与实际值不相符合的情况， 这种结果可能会影响施工的安全性。以及桥梁施工结束后线形和内力与设计不相 符合的情况。针对这种情况，必须在施工过程中进行施工监测针对天子山大桥 的实际情况，在其施工过程中，主要对以下参数进行监测：预应力体系( 包括斜 拉索和钢铰线) 的监测、桥台的受力变形监测、下弦钢管拱的受力变形监溯、温 度效应监测。 4 1 结构初始状态参数的测定 结构初始状态参数的测定主要包括各构件加工误差的铡量、混凝土弹性模量 和容重的测量、斜拉索和钢铰线的弹性模量的测定、预应力混凝土构件的收缩徐 变试验、长钢铰线的管道摩损失等几个部分本文主要进行关系到桥梁线形控制 的钢管拱的加工误差以及关系到全桥施工安全的钢铰线的退锚力的测定两个部 分。 4 1 1 钢管拱的加工误差的测定 天子山大桥的下弦钢管拱拱轴线的设计线形为列格式悬链线，悬链线方程 为： y = ( c h k 1 ) ，坩一i 其中：l = 1 2 5 m ，拱轴系数m = 1 1 6 7 ，既= l ，5 。 若钢管拱拱轴线形的加工误差比较大，则会直接影响到全桥的线形控制和受 力状态，因此在钢管拱的加工阶段，对其进行线形进行拼装调整采用全站仪进 行测量，测量结果控制钢管拱的误差的允许的范围内，各节段钢管拱观测点线形 的加工误差如表4 1 所示： 表4 - l 各节段钢管拱线形的加工误差 1 钢管拱 钢管撰9 # 钢管拱 i 辅钢管拱1 8 钢管提2 2 # 钢瞥拱 制作误差 6 5857 o 6 o8 os 5 单位( f i l m ) ( 注：上表中豹致据大于设计线形标高为正，反之剐为负，永州岸和红水蛉岸的加式误 差基本相同) 4 1 2 钢铰线退锚力的测定 在施工过程中，若钢铰线的初始预应力过大，则其在退锚过程中会发生钢铰 线被拉断的情况，之所以出现这种情况是由于在退锚过程中，油压千斤顶会对钢 铰线施加定的退锚力在天子山大桥的施工过程中，就出现了这种情况经施 工过程中对退锚力进行的测试，退锚力的计算公式可以近似以下式表示t n = e 6 a ，工 其中， 一退锚力： e 一钢的弹性模量，取e = 2 1 0 g p a ： 一一钢铰线的有效面积，a = 1 4 0 r a m 2 ； 占一退锚时钢铰线的伸长量： 一钢铰线的有效长度。 悬臂吊装各节段实际施工过程中钢铰线的退锚力的最大值如表4 2 所示： 表4 - 2 各节段钢铰线的退锚力 3 # 节段 l # 节段2 # 节段4 # 节段5 、6 # 节段 1 2 号上弦1 7 - 1 号上弦 退锚力 6 8 65 9 -5 2 45 0 54 5 14 1 2 单位( k n ) 钢铰线的设计标准强度为1 8 6 0 m p a ，即单根钢铰线的允许拉力为2 5 7 6 k n ， 设计值取钢铰线的初始预应力为标准强度的7 5 ，即1 9 3 2 k n ，由上述退锚力的测 3 7 量知道，在第2 抖节段施工时，张拉的初始预应力加上退锚力的值2 6 1 9 k n 已经大 于钢铰线的允许拉力2 5 7 6 k n ，故在施工过程中，出现在退锚时钢铰线被拉断的 情况，经此测量以后，在实际的施工中将钢铰线的张拉预应力调整为1 6 0 k n 。 4 2 预应力体系的监测 4 2 1 监测传感器的选型 工程中的传感器是一个转换装置，它的作用是将被测物理量，如力、位移、 温度等，转换为可测信号，传送给测量系统的中间变换器进行分析、处理，以便 得到所需的测量数据传感器是实现自动监测和控制的首要环节，如果传感器不 能对原始参数进行可靠的测量，则就不可能得到结构状态参数的真实结果，因此 传感器的选型非常重要。传统的应变片在实际的施工测量过程中有许多限制而 影响其得到真实的测量结果，根据天子山大桥的测量要求和工程传感器的特点， 在其照工监测过程中决定选用频率式数字传感器 频率式传感器的原理是将被测非电量转换为频率量即转换为二列频率与被 测量有关的脉冲，然后在给定的时间内，通过电予电路累计这些脉冲效或者用测 量与被测量有关的脉冲周期的方法来测得被测量频率式传感器体积小、重量轻、 分辨率商，由于传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点， 在实际的施工应用中其可以直接输出应力和应变的大小。 振弦式传感器的原理图如图4 一l 所示： t 图4 - 1 振弦式传感器原理图 振弦由一根很细的金属丝组成，放置在永久磁铁所产生的磁场内，振弦的一 端固定另一端与传感器的运动部分相连。振弦由运动部分拉紧，作用于振弦上 的拉力t 就是传感器的输入物理量，其在内部的转换电路中被转换为频率信号， 其转换公式可以表示为： 荆 ，= 专忑 式中，振弦的有效长度； r 弦的张力( r = s 占，占为弦的应力，s 为弦的有效面积) ； n 振弦线密度( 单位长度的质量岛= 旱) ： f 厂振弦频率信号。 上式表明，当被测拉力r 变化时，振荡器输出信号的频率也跟着变化，于是 拉力r 被转换为频率信号，实际测得的频率信号经过处理计算即可得到被测拉 力。 4 2 2 钢铰线预应力的监测 预应力钢铰线采用夹片锚体系，使用油压千斤顶进行张拉，施工时上弦的前 端部为固定端，钢铰线在锚周墙张拉端进行张拉。钢铰线预应力体系在整个施工 过程中起着平衡悬臂吊装结构的作用，因此保证钢铰线的拉力在其标准强度以内 对于全桥的施工安全具有重要影响。其测量采用振弦式数码压力传感器( 其铡出 的数据同时包括有温度和压力) ，将其锚固在锚周墙的锚固端上，在施工中布置了 四个测点，实时监测锚固墙的应力变化情况在本施工监控系统中，考虑结构的 对称性，两岸的测点布置完全相同，预应力钢铰线的测点布置图如图4 2 所示： 图4 - 2 预应力钢铰线测点布置圈 布置在测点的传感器测量不同施工状态下锚同墙预应力钢铰线应力交化情 况，对照钢铰线的标准强度和锚固墙地基本身的抗剪能力，保证施工过程中的安 全性。施工过程中测得的钢铰线的应力最大值数据如表4 3 所示： 表4 - 3 悬臂吊装施工钢铰线的应力擐大值效据 节廖第2 # 节段 l 号上弦第3 # 节段第4 # 节段第5 、6 # 节段 翻点位t 1 2 号上弦1 7 1 号上弦 上辨上邮 1 7 3 3l b 3 3t 7 6 81 6 6 91 6 4 b1 6 6 0 ( 单位：k n ) i - 游下部 1 5 6 81 8 2 71 8 1 71 7 4 51 6 8 71 6 7 8 ( 单位：k n ) 下游上帮 t 5 6 11 6 5 51 6 b 8t 6 6 41 t1 6 5 6 ( 单位：k n ) 下游下龆 1 8 8 5l 明81 7 6 41 7 2 61 1 0 41 6 9 2 ( 单位：k h ) 监测数据表明，锚固墙工作预应力一直在安全范围内，没有出现异常情况 在施工过程中，永州岸锚固墙出现裂纹后，及时对该锚同墙处成张拉力进行 了监测。两个传感器的读数分别为1 6 3 7 k n 和1 7 3 0k n ，没有异常变化 4 2 3 斜拉索预应力的监测 斜拉索的预应力采用冷铸墩头锚体系。在悬臂吊装施工过程中斜拉索预应 力起着增加悬臂吊装节段稳定性的作用，同时斜拉索的预应力也是控制下弦观测 点标高和施工抬高值的重要因素，因此，采用大型振弦式数码压力传感器( 其测 出的数据同时包括有温度和压力) 。实时监测不同施工状态下斜拉索预应力的变化 情况，同时得出相同施工状态不同温度时斜拉索预应力的变化情况，估计温度变 化对桥粱标高和应力的影响。传感器的安装方法和钢铰线预应力测量时的传感器 安装方式相同。考虑到实际情况，在施工过程中。只对红水岭岸o # 节段的斜拉索 进行实时监测，因0 # 节段的斜拉索在实际施工过程中受力情况最为复杂，因此对 0 # 节段的斜拉索进行实时监河己可以满足施工安全性的需要。 施工过程中斜拉素的应力监测情况如表4 - 4 所示： 表4 - 4 悬臂吊装施工斜拉索的应力监测数据 2 # 节段 太 o # 节段l # 节霞3 # 节段# 节段5 6 节段 1 2 号上弦1 7 一i 号上弦 大值量大假一大值量大值大擅太值 大值 一控童幢力 3 5 99 6 51 5 6 51 5 7 4 1 5 6 i1 6 0 7t 4 6 3 ( k n 斜拉索的许用应力为1 6 7 0 m p a ，有效截面积为3 3 4 8 m m ，破断拉力为5 4 6 3 k h 。 由上述监测数据可以看出，在全桥的施工过程中，斜拉索的应力始终在安全范围 内，因而也保证了全桥施工的安全性。 4 3 钢筋混凝土构件的应力变形监测 4 3 1 桥台的受力变形监测 悬臀吊装施工过程中，随着悬臂吊装节段的增加，悬臂吊装结构由下弦传递 至桥台的力越来越大。为了保证施工过程的安全性，必须对桥台的受力变形情况 进行实时监测，保证施工过程中桥台的受力变形始终在允许的抗压极度限范围， 同时结合温度传感器，观测温度变化对桥台变形的影响情况，总结桥台混凝土构 件的温度场分布对桥台的混凝土构件的应力变形的影响情况。 在桥台混凝土浇筑过程中，在桥台的底板和侧面各预埋了两个应交计和一个 温度传感器，其中底板的一个应变计在浇筑时损坏，据侧面的两个应变计和底板 的一个应变计数据表明，桥台变形很小。底座俩面的1 号应变计的在整个施工过 程中的应变范围为：一3 5 到+ 2 0 pe 左右，2 号应变计位于l 号应变计的上方，其 应变范围为o 到+ 5 0 p 左右，底板应变计的应变范围为 0 到+ 3 0 p 左右观 测结果表明。桥台的受力变形情况始终在允许的安全范围内( 具体数据对照施工 控制计算结果) 。底板及侧面应变计数值为正值的原因估计是应变计安装位置偏离 正压力区域而产生的翘曲所致。 4 + 3 2 上弦的受力变形监测 悬臂吊装施工过程中，上弦构件的安全性对于全桥施工的安全性控制亦有重 要影响。整个已施工的上弦节段由锚固墙钢铰线加强其纵向刚度，在施工过程中 4 i 必须保证上弦构件的轴向应力和弯矩始终在抗压极限和抗弯极限以内。考虑施工 实际情况，只采用振弦式数码应变计对4 号上弦进行监测，施工监测的结果如表 4 - 5 所示： 表4 5 悬臂吊装施工4 号上弦应变数据 # 甥92 # 节& 0 t 节段l # 节段3 - 节段- 节既5 、6 节段 1 2 号上弦1 7 1 号上弦 卿! 太值太值鼍大值鼍大值量大值大值量大值 4 号t 萑翱对戌变 7 s 99 lt1 1 8 91 2 2 s1 3 4 31 6 3 ti 5 单位tl j e 实际施工监测数据表明，在悬臂吊装施工过程中，红水岭岸4 号上弦构件的应 变始终在允许的范围内。在永州岸的在第二节段施工过程中，出现了上弦构件开 裂的情况，检查其原因，分析认为，由于下游边肋在张拉时，边肋端面下缘未安 装均压铁扳而被压碎，为了解决这一问题，在端面下缘插入均压板后，重新张拉， 并不影响随后旄工过程的安全性。 4 4 下弦钢管拱的受力变形监测 悬臂吊装施工过程中，下弦钢管混凝土构件的安全性对于全桥施工的安全性 有着重要影响。在悬臂吊装阶段。下弦仅吊装空钢管由于钢结构件的受力变形受 温度变化的影响比较大，从而对下弦的标高控制产生重大影响，因此在旄工过程 中，必须对下弦构件的受力特性和温度交化进行全程监，以保证施工过程中的安 全控制和线形控制。考虑到结构的对称性，在施工过程中，采用振弦式数码应变 计对红水岭岸钢管拱的变形情况进行监测，其输出数据除拱的应变外，还包括测 点的温度。通过对测得的应变数据和温度数据进行分析，即可对全桥的旄工安全 性和温度变化对标高控制的影响进行控制。下弦钢管拱在施工过程中利用在下弦 钢管拱相应观测点处设置高亮度发光体作照准目标采用全站仪对下弦钢管拱观 测点进行全过程动态跟踪监测，具体观测结果见第五章所述 红水岭岸下弦钢管拱应变测点布景图如图4 3 所示： 田扣，红才曲岸下鞋竹抛变嗣赢布佃 各节段施工下弦钢管拱的应变数据如表4 6 所示； 表4 - 6 悬臂吊装臆工下弦钢管拱相对应变救据( 单位tj 馆) 红水蛉岸锚固墙 - 蠢- i ， 节曩工鼻i 甘曩工2 节工第， 矗z 鼻量工曩”甘曩工节曩工 帕 t太t丈太太太 曩_ 点上 下上下上量下上下上下上下上f t t i 号t 执i2 _ 蛀i t62 1 2 ，ii 岫1 i 叶靠f ，m 虻 ，l ，l ，l o ，的， ，号一臂蚌- 2 m 蛀 ，i ， 4 ，1 2 | 2l 帕， 9 咛臂攥i2 m 蛀l t 2 l i 号置忤 艮_ 蛙! ii 2 i ，号f i o c _ 蛀i ， ”弓3 如_ 蛙l ，i l- 1 0 2 4 l1 1 i i 号一* t2 m 蛙 n 3 2 5 - 号量i2 m 虹 1 9 7 i ”， 2 2 号一奎t2 n 蛙i l o i 钟 2 ，甚忤- ，n 蛙 1 4 b ， 2 2 号一擤嘎t2 m 蛀 表4 - 6 施工过程的实测数据对比下弦钢管拱在极限弯矩下的应变数据，结果 表明，下弦钢管拱的受力变形在结构的实际施工过程中，远低于钢管拱的极限弯 矩数据从而在全桥的施工过程中，下弦构件是偏于安全的。在测量过程中，发 现温度变化对下弦钢管拱的标高的影响比较大，在一个节段施工完成后，温度变 化5 c ，最大可对下弦相应观测点的标高产生1 2 m m 的影响，由于在实际的施工过 程中，定量分析温度对施工标高的影响比较困难，而且温度的变化对标高和下弦 构件的内力的影响是非线性的，因此在施工过程中对标高的控制，基本上采用在 合拢温度1 2 附近进行测量控制，以尽量减小温度变化对下弦标高控制的影响。 实践证明，此种方法基本上能够满足施工的实际需要。 4 5 施工测控系统的组成及应用情况 在施工监控过程中采用的振弦式数码应变计、温度传感器和振弦式数码压力 传感器都是数字式的，其输出的数据都是数字量，这有利于用计算机组成实时监 控系统，所有传感器都利用数据线通过接口连接到现场工业控制计算机上，这样 既避免。了人工测量数据的麻烦也便于实现全天候的监测在天子山大桥施工过 程中构建的计算机辅助监控系统的构成如图2 - 1 所示： 在实际的施工应用过程中，上述系统的应用情况良好，实现了施工过程的全 自动全程监控，有效地保证了天子山大桥施工过程的安全性，相比一般的以人力 为主的监控系统具有一定的先进性和优越性。 第五章：k a l m a n 滤波法在天子山大桥施工线形控制中的应用 5 1 k a i m a r l 滤波法 我们在工程实际中常常遇到这样一类系统，系统的初始状态x ( t o ) 是一个随 机向量，并不知道它的确切值，而只知道其均值( 数学期望) 和方差。系统不 但受确定性控制输入静( f ) 的作用，而且往往受到一些随机干扰( 噪声) 的作用。 这样，在这些随机干扰和随机初始状态的作用下，系统的状态工( f ) 就不是一个确 定性的函数了，而是一个随机过程，再则，量测系统即使不存在系统误差，也会 有随机误差的存在。也就是说，量测系统也存在随机干扰。因此，我们需要根据 夹杂着干扰的量测信号r ( ，) 把系统的状态x ( o 估计出来，以便实现莱种最优控制， 这就是随机壤优估计问题。解决这种状态估计的方法主要有卡尔曼滤波法。 卡尔曼滤波法是美国学者k a l m a n 于1 9 6 0 年首先提出的，他将状态空间的概 念引入到随机估计理论中来，把信号过程视为在白噪声作用下一个线性系统的输 出，这种输入输出关系用状态方程来描述。这样所描述的信号过程不但可以是平 稳的标量随机过程，而且也可以是非平稳的向量随机过程。借助于当时数字计算 机发展的成果将概率论和数理统计领域的成果用于解决滤波估计问题，提出了 一种新的线性递推滤波方法。这种方法不要求储存过去的观测数据，当新的数据 被观测以后，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，即可算出新的估计量，故它大大地减少了计算 量和存贮量，便于实时处理，现己广泛地应用于空间技术和工业自动控制系统。 卡尔曼滤波法主要有离散线性系统的卡尔曼滤波法和连续线性系统的卡尔 曼滤波法。由于在大跨径钢管混凝土桁式组合拱桥的施工控制中，结构的标高和 内力数据均是用离敖的数据序列表示的，而不是用连续量表示的所以我们在施 工控制中使用的是离散线性系统的卡尔曼滤波法。 5 1 1 卡尔曼滤波原理递推公式 假设对未知状态在各离散时刻l ，2 ，_ ，作了- ，次观测，结果为y ( 1 ) ， ) r ( 2 ) y ( ，) ，通常观测y ( 0 ( i - l ，2 ，) 的维数低于x 的维数利用 这个观测可以对工在k 时刻的状态x ( k ) 进行估计估计值为2 ( k i ) 很明显， 它是上述，个观测的函数，即 x ( k i j ) = 【y ( f ) ，f = 1 , 2 ，一、j 】 估计状态2 ( k i ，) 的时刻量与观测时刻，之问的关系不同，上面的函数就有不 同形式。在此仅分析i = j 的情况，即滤波问题为根据过去直到现在的观测来估计 现在的状态。 选取不同的最优准则及其它一些条件，也使上面的函数有不同的形式。这里 仍取均方误差极小的准则假定在系统的统计性质中只知其前两阶矩，于是只能 限于考虑状态的线性估计因此卡尔曼滤波实际上就是状态的线性最小方差估计， 其原理由一组滤波递推公式阐述。 对于不考虑控制作用的情况。系统的状态方程和观测方程为t 一。g i 札l + w k 。( 5 - - 1 ) 【气= c i 4 - h 式中：x k - ! 疗维状态向量 g 一打状态转移矩阵 一。玎维观测向量 缸册维观测向量 c i m 维观测矩阵 v m 维观测噪声向量 其中峨、唯都是均值为零的自噪声序列，且w i 和v i 互不相关，在每个采样 间隔内u 和h 为常值，其统计特性为 e h 】= 0 ，c o v k ，m l = e k m 7 】- g ； 占h 】= o ，c o v v ，v ，】= e k v jj = r ： c o v h 。，_ j = 占k 哼】= o 以上各式对于任意的七、_ ，都成立，式中为克罗尼柯占函数。即 。f l七= j 2 1 0七， 又设初始状态的统计特性为 e x 。】= i = 他，v a r x 。l = e ( x o 一7 0 0 ) ( x o i ) 】= 岛。 且有：c o v x o ，雌】- e ( x o w k 7 ) = 0 ， c o v x o ，v 】= e ( x o v , 7 ) = 0 即：x 。和、h 互不相关 所谓滤波就是根据初始状态与观测值毛t # ：，气做出状态向量砟的最 优估计。在初始时刻，我们取胁作为z 。的估计。现在用递推的形式来表达出各个 时刻i 在取得的观测数据的基础上所做出的状态& 的估计文。这里所指的递推形 式指的是确定五+ ，仅用到前一时刻的估计五与新的观测值z i “。这样，在矗= 胁的 基础上，逐次令i = l ，2 ，就能用递推公式求出各个时刻的估计值毫毛， 为了得到递推公式，假定根据观测数据毛，乞，已经定出了在时刻k 时状态 的估计文。在还没有得到新的观测数据以+ 之前，要想估计时刻i + l 的 状态x 。“，就只有从是出发，根据状态方程 + 。= g i + l j + w i 来预报它。但由