（固体力学专业论文）大跨径桥梁变形控制中考虑温度效应的自适应方法的研究.pdf

摘要 随着桥梁跨径的不断增大以及新材料、新工艺和新的施工方法在 桥梁工程中的大量应用，大跨径桥梁分段施工控制已经成为桥梁施工 中一个不可或缺的组成部分。本文在总结以往施工控制理论和方法的 基础上，针对大跨径桥梁分段施工控制，提出了一些改进措施，形成 了一套大跨径桥梁分段施工控制理论和方法，并且在佛山紫洞大桥的 实际应用中取得了不错的效果。 1 、本文总结了多种挠度计算方法，并且对预拱度的三种计算方 法进行了分析和比较。 2 、针对大跨径桥梁分段施工控制过程中主要遇到的施工误差、 量测误差和参数误差，分别提出了具体的解决方法，即用k a l m a n 滤 波法消除施工误差和量测误差，然后用最小二乘法进行参数估计，消 除模型的参数误差。 3 、针对施工控制过程中温度引起的误差，运用力学方法，提出 了一种简化的温度效应分析法，并用于紫洞特大桥的施工控制，实践 证明该方法是可行和有效的。 4 、针对大跨径桥梁分段施工特点，将自适应控制过程分为两个 阶段来进行，并且以紫洞特大桥为工程背景，详细介绍了各阶段的控 制方法。通过该方法，准确地掌握了施工过程中出现的各种误差。并 以此为依据，及时调整后面各节段的立模标高，最终使大桥顺利合拢， 成桥线形符合设计要求。 关键词温度效应，自适应控制，分段施工，k a l m a n 滤波法，最 小二乘法 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee x p a n d i n go fb r i d g es p a na n db r o a d e ru s i n go fn e w m a t e r i a l s , n e wc r a f t sa n dn e wc o n s t r u c tm e t h o d si nb r i d g ee n g i n e e r i n g , t h ec o n s t r u c t i o nb ys e c t i o nc o n t r o lf o rl o n g - s p a nb r i d g eh a sa l r e a d y b e c o m ea r li n d i s p e n s a b l ep a r ti nb r i d g ec o n s t r u c t i o n i nf o u n d a t i o no f s u m m a r i z ef o r m e rc o n s t r u c t i o nc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d , t h i st h e s i si n v i e wo fl o n g - s p a nb r i d g ec o n s t r u c t i o nb ys e c t i o nc o n t r o l ，p r o p o s e d8 0 m e i m p r o v e m e n tm e a s u r e ，f o r m e das e to fl o n g - s p a nb r i d g ec o n s t r u c t i o nb y s e c t i o nc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d , a n dh a do b t a i n e dg o o de f f e c ti nt h e z i d o n gb r i d g e sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nf o s h a n 1 、t h i st h e s i ss u m m a r i z e dm a n yk i n d so fd e f l e c t i o nc o m p u t a t i o n a l m e t h o d , a n dc a r r i e do nt h ea n a l y s i sa n dt h ec o m p a r i s o nt ot h r e ec a m b e r c o m p u t a t i o n a lm e t h o d 2 、i nv i e wo f c o n s t r u c t i o ne r r o r , m e a s u r i n ge r r o ra n d p a r a m e t e re r r o r w h i c hm a i n l ym e e t si nl o n g - s p a nb r i d g ec o n s t r u c t i o nb ys e c t i o nc o n t r o l p r o c e s s ，p r o p o s e dt h ec o n c r e t es o l u t i o ns e p a r a t e l y n a m e l ye l i m i n a t et h e c o n s t r u c f i o ne r r o ra n dt h e m e a s u r i n ge r r o r w i t hk a l m a n s f i l t e r i n g m e t h o d ，t h e nc a r r yo nt h ep a r a m e t e re s t i m a t i o nw i t ht h el e a s ts q u a r e m e t h o d , a n de l i m i n a t ep a r a m e t e re r r o r 3 、i nv i e wo f t h ee r r o rw h i c hc a u s e db yt e m p e r a t u r ei nc o n s t r u c t i o n c o n t r o l p r o c e s s ，u s e d m e c h a n i c s m e t h o d ，p r o p o s e d ak i n do f m s l m p l i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ee f f e c ta n a l y t i c m e t h o d ，a n du s e dmt i l e z i d o n gb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，t h ep r a c t i c ep r o v e dt h j sm e n l o di s f e a s i b l ea n de f f e c t i v e 4 ，i nv i e wo f t h ec o n s t r u c t i o nb y s e c t i o nc h a r a c t e r i s t i co f l o n g s p 锄 b r i d g e ，d i v i d e dt h ea d a p t i v ec o n t r o lp r o c e s si n t ot w os t a g t 0c a n y o n ， 8 n dt a k et h ez i d o n gb r i d g ea sap r o j e c tb a c k g r o u n d ，t o 劬蜘u c ee a c h s t a g ec o n 们lm e m o di n d e t a i l t h r o u g ht h i sm e t h o d ，w e c u r a t e l v 酬v a r i o u sk i n do fe r r o rw h i c h a p p e a r e di nt h ec o n s t r u c t i o np r o c 船s a n dt a k et h i s 勰t h e b a s i s ，a d j u s t e dt h ee l e v a t i o no ff o m l w o r ke r e c 石o na l b a c ks t a g e si nt i m e , f i n a l l ym a d et h eb r i d g ec l o s e du p 锄o o t h l y a n d t h c b r i d g el i n e a rc o n f o r m e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t 1 ( e yw o r d s t e m p e r a t u r ee f f e c t ，a d a p t i v ec o n t r o l ，c o n s t r u c d v eb y s e c t i o n ，k a l m a n sf i l t e r i n gm e t h o d ，l e a s t s q u a r en l e t h o d i v 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 盈曼日期：堡2 年月竺日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：整垒 导师签名皇9 速i 釉期：二竺1 年! 月旦日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 自从1 8 世纪7 0 年代欧洲工业革命以后，随着大工业与交通运输的发展而发 展起来的近代桥梁，至今已有2 0 0 多年的历史。回顾这2 0 0 多年的历史，我们不 难发现，近代桥梁是在与事故和病害的不断斗争中发展起来的。桥梁工作者们克 服了种种挫折和困难，取得了重大进展和成就“1 。桥梁分段施工控制技术就是在 这种不断遇到困难、克服困难的过程中逐渐发展和成熟起来的。 1 1 桥梁分段施工控制的提出 桥梁结构在分段施工过程中必然要经历许许多多的施工阶段，尽管每个阶段 都严格控制施工时的结构几何尺寸、容重、收缩和徐交、弹性模量、预加力和索 力等可以人为控制的因素，但还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 可能是量测系统的误差。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衄。同 样在桥梁建成后，由于受到外部荷载和环境的影响，桥梁本身的线形和应力也在 不断变化，如果不能及时、准确的了解桥梁结构所处的状态，那么也很难预防将 要出现的桥梁事故。在这些方面我们已经有过许多血的教训了 跨径5 4 8 6 4 m 的加拿大魁北克桥就是因为在施工中两次发生事故而闻名于 世的。虽然造成事故的原因是设计问题，但若当时采用了施工控制手段，在施工 过程中及时发现了问题的话，也不会发生突然崩塌的事故了。 1 9 9 4 年1 0 月，韩国圣水桥突然在中跨断塌5 0 m ，其中1 5 人掉入江中，造成 3 2 人死亡，1 7 人重伤的重大事故。 我国的广州海印大桥，因为斜拉索的防护措施不得力，造成斜拉索超应力， 只使用几年就突然断裂，创造了世界损桥年限最短的纪录。 1 9 9 9 年1 月4 日，重庆綦江彩虹桥突然整体垮塌。据不完全统计，在该事 故中，死亡2 4 人，轻重伤1 6 人，十几人下落不明。该桥是该县城主要的人行桥， 建成还不足3 年。 2 0 0 0 年1 1 月2 7 日，深圳盐坝高速公路起点高架桥引桥突然发生坍塌，当 时，该桥还处在施工过程中。 血的教训是刻骨铭心的，如何消除或修正施工中的误差，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，并为桥粱建成后 硕士学位论文第一章绪论 的检查和维修创造条件，已经成为目前桥梁结构分段施工中的关键问题。传统的 结构分析方法和施工调整措施已经很难解决这一问题，而在电子计算机和现代控 制理论迅速发展的今天，有必要也有可能从现代工程学原理出发，以设计和施工 并重、工程与控制结合、结构与系统比拟为基础，引入桥梁结构的工程控制系统， 从根本上探索、研究和解决这个问题。桥梁结构的工程控制是现代控制理论与桥 梁工程相结合的必然产物，随着桥梁跨径的不断增大以及新材料、新工艺、新的 施工方法在桥梁工程中的大量应用，桥梁结构工程控制所涉及到的范围将越来越 广泛。 1 2 桥梁分段施工控制的发展 桥梁分段施工控制是伴随着桥梁施工技术的发展而发展起来的，它经历了一 个由简单到复杂、由局部到整体、由粗略到精确，不断完善、全面和精确的过程， 为近代桥梁的飞跃发展提供了坚实的基础。下面将以桥梁结构工程控制方法的实 际应用为背景，沿着工程控制论的发展轨迹，即开环控制一闭环控制一自适应控 制，简要介绍各种控制方法在桥梁结构工程控制中的应用及其工程实践脚 1 2 1 开环控制思想 在桥梁旌工的早期，由于跨径不大、结构简单，一般都可以按照桥梁结构的 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 准确估计出结构的预拱度。在施工过程中只要严格按照该预拱度施工，成桥后桥 梁结构基本都能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，因此被称为开环控制方法，一般也叫确定性控制方法瑚。 桥梁结构的变形计算特别是混凝土桥梁结构的变形计算，是预设拱度桥梁施 工控制确定性控制的关键。早期的桥梁工作者们对结构变形和应力的计算方 法进行了广泛而深入的研究。1 9 5 8 年，美国预应力之父t y l i n 在他所著的预 应力混凝土结构设计一书中，用较大的篇幅介绍了预应力混凝土结构的变形计 算。2 0 世纪7 0 年代初期，美国学者g h a l i 等人对分段预加应力的静定结构随时 问变化的效应进行了较为深入的研究，对控制截面的应力和变形进行了大量的计 算，并将变形计算表示成沿着各个不同截面曲率的数值积分。2 0 世纪7 0 年代后 期，北美桥梁工程师m k t a d r o s 等人提出了精确计算节段式混凝土桥梁结构收 缩、徐变和预应力筋松弛所引起的结构变形和内力的逐步计算法，并编制了通用 计算程序。德国桥梁大师f l e o n h a r d t 最先提出倒退分析法，即从竣工后的设计 理想状态出发，按照与施工顺序相反的倒拆顺序，计算出理想施工条件下各个施 2 硕士学位论文第一章绪论 工阶段的结构理想状态嘲 我国的桥梁工作者们也较早将确定性控制方法运用到桥梁的施工过程中。钟 万勰在一座按一次落架方法施工的独塔斜拉管道桥中采用了确定性控制方法。此 后，在由项海帆院士主持完成的“分段旌工桥跨结构的状态估计和工程控制”科 研项目中，专门提出和建立了分段施工桥梁的确定性系统及其控制方法。 1 2 2 闭环控制思想 前面介绍的开环控制思想是跨径很小的桥梁的一种控制方法，其施工过程中 的变形和应力变化都很小，通过理论计算就可以精确得到。但对于跨径大、结构 复杂的桥梁体系，开环控制就会产生很大的误差。这是由于桥梁结构在施工过程 中，结构状态误差和量测系统误差都变得不可忽视，而且随着施工过程的进展， 误差还会不断累积，以至于到旌工完毕时，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，但可以按照某种性能最优的原则，使得误差 已经发生的结构状态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。多年来，国内外桥梁工作者们对闭环控制进行了 大量的研究和应用，取得了丰硕的成果。 闭环控制方法在桥梁分段施工控制中的应用已有2 0 多年历史了，从8 0 年代 末期开始，闭环控制方法开始在全世界范围内逐步形成，其中尤以日本桥梁工程 界的发展最快。在8 0 年代初期，日本就在建筑施工中尝试建立以微机为中心的 监控系统，实时量测施工控制所必须的挠度、应力和温度等参数，并采用计算机 进行实时调整处理。到8 0 年代中期，日本学者n f u j i s a w a 和h t o m o 在c h i c h i b y 斜拉桥的施工中，提出了用计算机辅助索力调整的方法，建立了以最小二乘法为 性能指标的索力调整方法。而j e b r e e n 则在混凝土连续梁桥悬臂拼装施工中采 用闭环控制方法对桥面结构标高进行了最优控制。这些可以说是随机性控制方法 在桥梁分段施工中最开始的应用。此后，日本桥梁专家k m a e d a 等人介绍了在横 滨海湾大桥钢斜拉桥主桥的施工控制中，根据反馈控制原理建立的拉索索力施工 控制流程图。进入9 0 年代，日本在东神户大桥的钢斜拉桥主桥的施工中，也采 用了类似的反馈控制方法，并用现场计算机工作站( e w s ) 进行实际结构分析、 最优控制计算和成桥结构状态预测嘲。此外，文献( 4 ) 和( 5 ) 中还介绍了采用 最优控制原理来实施控制目标数大于可控变量数的随机性控制，文献( 6 ) 还提 出了采用智能化的桥梁健康监测系统来实现随机性控制的原理及其工程应用方 3 硕士学位论文 第一章绪论 法。 我国在桥梁施工闭环控制研究方面起步稍晚，但无论在工程应用项目的数量 还是实际工程控制的效果方面都取得了令人瞩目的成就。在随机性系统中，由于 结构状态误差和量测系统误差的存在，我们无法通过直接测量而准确得知结构的 真实状态，因此，必须运用工程控制理论的方法在实测数据的基础上对结构的真 实状态进行估计。 k a l m a n 滤波理论就是众多状态估计方法中最常用到的一个，k a l m a n 滤波是 美国学者k a l m a n r e 于1 9 6 0 年首先提出来的，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。当新的数据被观测到后，只要 根据新的观测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。因而它大大地减少了计算量和存储量， 便于实时处理。在我们的大跨度桥梁施工控制中，结构状态均是用离散的数据序 列表示的，所以我们主要使用的是离散线性系统的k a l m a n 滤波法。1 9 8 3 年，上 海市政工程设计院林元培在上海泖港混凝土斜拉桥的施工中，首次采用k a l m a n 滤波方法对施工合龙阶段的索力和标高进行终点控制调整，尝试了桥梁结构分段 施工中的误差调整和控制方法。此后，越来越多的桥梁工作者开始应用k a l m a n 滤波法对桥梁结构实际状态进行估计张永水将k a l m a n 滤波法应用于连续刚构 桥施工误差的调整”1 。孙华斌将k a l m a n 滤波法应用在系杆拱吊杆张拉施工之中， 使吊杆张拉更加准确嘲。花迎春等人在悬索桥主缆架设施工中尝试了k a l m a n 滤 波法例。常英运用该方法，将连续刚构桥与斜拉桥的施工过程视为一个随机最 优控制过程，通过分析比较，提出了这两种桥型施工控制中的不同之处。 灰色系统理论是另一种广泛应用于结构状态估计的方法。它是2 0 世纪8 0 年 代，我国邓聚龙教授提出的，能适用于大型复杂系统分析和控制“。灰色系统理 论就是以灰关联空间为基础的分析体系，它以现有信息或原始数列为基础，通过 灰过程及灰生成对原始数列进行数据加工与处理，建立灰微分方程即灰模型为主 体的模型体系，也称g m 模型，g 表示g r e y ( 灰) ，m 表示m o d e l ( 模型) 。g m ( 1 ， n ) 表示1 阶的、n 个变量的微分方程型模型。张永水等人探讨了灰色系统理论 在大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工控制中的应用，并将其用于重庆黄花园嘉 陵江大桥的实践“小1 3 1 。杨雷则对灰色系统理论在预应力混凝土弯连续刚构桥施工 控制中的应用进行了研究“。卢哲安等人将g m ( 1 ，1 ) 模型用于预应力混凝土 4 硕士学位论文第一章绪论 连续梁桥施工中的预拱度控制“”，方志等人则将灰色预测系统用于斜拉桥施工控 制之中渊。都取得了不错的效果。 近年来，人工神经网路、遗传算法等智能型方法，在国外得到了大力发展和 应用，国内亦在逐步推广之中。将这种方法运用于桥梁预拱度预测中。既克服了 灰色理论删( 1 ，n ) 输入参数单一的缺点，又改进了i ( a l 腿n 滤波法中仅能考虑 输入与输出的线性关系的不足，建立了输入与输出之间的多参数、非线性的映射 关系。向木生等人根据有限元理论计算和施工过程中对主梁挠度和线形的测量， 使用人工神经网络控制理论进行高程偏差调整和预测，综合确定了主梁的施工预 拱度“”刘胜春等人将神经网络方法用于处理大跨度预应力混凝土连续刚构桥施 工控制中箱梁线形控制的误差调整及预测，并在蔡旬汉江公路大桥的旌工控制中 得到较好的应用“时何雄君、范立础等人提出了适应任意灰序列的灰预测模型 n g m ( 1 ，1 ) ，研究遗传算法的随机摄动法，提高了向前滚动优化效率，并在襄樊 汉江四桥的应用中获得了不错的效果“” 2 0 世纪9 0 年代中期，人们逐渐从理论研究和工程实践中进一步认识到了桥 梁施工控制的重要性和必要性，特别对采用分段施工的大跨度桥梁施工控制是必 不可少的。尽管受限于当时对施工控制理论的研究深度、实施施工控制措施的手 段以及对施工中不确定因素或未知因素的预测和判断能力，但还是建立起了一套 切实可行的闭环控制方法，为9 0 年代后期结合参数识别的闭环控制方法和自适 应控制方法的实施创造了条件。 1 2 3 自适应控制思想 虽然闭环控制方法能够通过控制作用，消除由模型误差和量测噪声所引起的 结构状态误差，但是这种随机性控制方法只是在旌工误差产生以后，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。在实际盼旖工控制 过程中，结构的计算参数例如截面几何特性、材料容重、弹性模量以及收缩、徐 变等等与实际参数之问是有偏差的，如果能够在重复性很强的分段旄工，特别是 悬臂施工中，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，在各个旌工阶段进行实时识别，并将识别得到的参数用于下一阶段的实时 分析，这样在经过若干个旌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。从两主动降 低模型参数误差，然后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m 自适应控制思想最大的特点就在于模型参数估计和参数误差修正。常用的结 构参数估计算法有最大似然法、迭代最小二乘法、扩展卡尔曼滤波法以及b p 神 5 硕士学位论文 第一章绪论 经网络法等等。早在8 0 年代末，h t a n a k a 等人就开始研究通过结构某些指标的 测量，用反问题的求解方法对结构参数进行估计，并应用于斜拉桥的施工控制之 中伽。2 0 世纪9 0 年代初，h a j e l a 和s o e i r o 就提出了一种以静力分析和模态分 析为基础，以结构位移响应和模型位移预测之差为优化目标函数的结构参数估计 方法，用构件面积及惯矩等为参数将误差方程参数化，来估计结构刚度参数，并 提出了几种减少位移测点的方法嘶1 ，而s a k a i 和u m e d a 则介绍了类似方法在斜拉 桥施工控制系统中的应用嘲。s a n a y e i 和s c a m p o l i 采用同样的目标函数，但是 用刚度参数的调整量来对误差方程参数化，再运用泰勒级数把误差方程线性化， 最后用最 b - - - - 乘法求解最优刚度参数调整量。但是该方法要求位移测量与外力作 用位置相同。此后，s a n a y e i 又改进了上述方法，取消了位置相同的限制，减少 了位移测点，并进一步提出了以实际结构和计算模型的应变响应之差为最优目标 函数的参数估计方法，以及确定最佳外力作用点和位移测点布置方案的指导性方 法。h o s h i y a 等人介绍了通过消除状态矢量中所有关于位移的分量，只保留各个 待识别的参数，并以静力平衡方程为观测方程，运用带有局部迭代过程的扩展卡 尔曼滤波法估计有限元参数。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 较早的提出了比较完善的桥梁施工控制系统及流程图，采用最小二乘法或卡尔曼 滤波法进行参数误差估计，并对模型参数进行修正，并将此系统成功应用于 r a i n b o w 悬索桥施工控制。同一时期日本t a i s e i 公司的s e k i 和t a r a k a 等人提 出了一个斜拉桥施工控制系统，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。与前面介绍的控制系统相比，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。1 9 9 4 年，韩国h y u n d a i 公司的p a r k 等人自主开发 了一个结合梁斜拉桥施工控制系统，共有五个模块：主结构分析模块、动态分析 模块、测量和纠正模块以及前、后处理两个模块，实现线形、位移、弯矩、剪力、 索力等结构状态的可视化操作。由此可见，国外尤其是日本和韩国在自适应控制 以及智能化系统的开发上已经走在了我们前面。 与国外相比，我国国内对桥梁施工中的结构参数识别方法和自适应控制方法 的研究差距还比较大，特别是在系统软件开发和控制现场配置方面远远落后于日 本等桥梁施工控制比较发达的国家。但是，近几年来大跨度桥梁建设项目数量突 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，因此积累了比较 多的工程实践经验，从而多少弥补了软件开发和硬件配置上的不足。早在1 9 9 0 年底，同济大学陈德伟在其博士论文中提出了计算模型参数识别问题，并采用带 有影响矩阵的最小二乘法建立了参数估计方法。1 9 9 5 年初，徐永明提出了考虑 参数识别修正的大跨度预应力混凝土桥梁施工控制系统，该系统以结构理想状态 6 硕士学位论文 第一章绪论 倒退分析求得的各个施工理想状态为控制目标，采用前进分析得到的结构状态与 实际状态之差做为优化目标，来修正模型参数，再以修正后的参数代入模型进行 倒退分析，从而得到较为精确的控制目标嘲到9 0 年代后期，以模型参数识别 修正为基础的自适应控制得到了广泛应用。最小二乘法是参数识别中最早用到的 一种方法，其理论已经相当成熟。文献【2 4 ) 中将最小二乘法用于斜拉桥的施工 控制，目前k a l m a n 滤波法是参数识别中运用得较广的一种方法，刘红新等人对 由卡尔曼滤波理论建立的数据模型进行了研究，建立了自适应动态滤波模型，并 成功将该模型应用于南京长江某大跨径桥梁的实际监测资料的分析啕，田利梅等 人也将卡尔曼滤波法应用到桥梁健康监测系统中嘲。华锡生提出了自适应卡尔曼 滤波的方差补偿法，即在滤波预报值的协方差阵前附加一个衰减因子s 来克服滤 波发散问题跚人工神经网络法是最近几年发展起来的一种参数估计法，阎平凡 详细介绍了人工神经网络及其模拟进化计算嘲。李传习选用人工神经网络的三层 前馈性网络，改进b p 算法，并成功运用于大跨度混凝土桥梁施工控制中主梁的 参数识别，雷俊卿结合一座三塔四跨预应力混凝土斜拉桥施工控制过程，进行 了用神经网路分析估计斜拉桥施工控制参数的研究。町。文献( 3 1 】和( 3 2 ) 中都 对神经网络在桥梁施工控制中的应用进行了研究。林智敏系统介绍了最小二乘 法，k a l m a n 滤波法和b p 神经网络法在参数识别中的应用嘲。颜东煌提出了用最 小二乘法进行斜拉桥施工过程中的参数识别，用灰色预测模型g m ( 1 ，1 ) 进行参数 预测及用最小二乘法对控制目标进行最优控制的斜拉桥施工最优控制方法叫。韩 大建等人根据混凝土斜拉桥的受力特点，将徐变的影响从总应变中分离出来，估 计出徐变系数，提出了梁段重量的识别方法嘲铷。相信随着我国桥梁事业的继 续发展和桥梁工作者们的不断努力，我国桥梁施工控制水平将会取得更多、更大 的成就。 1 3 本文所做的工作 虽然桥梁施工控制技术在近几十年取得了很大的进步，但是我们应该看到仍 然有许多需要提高和改进的地方。量测系统是旎工控制的关键所在，要实现其自 动化和高精度化还有很长的路要走，参数估计的研究还远远落后于工程需要。由 于控制对象的特殊性和复杂性，一些基于动态系统的优秀算法在桥梁施工控制中 效果不是很理想。研究噪声大、少数据条件下的多参数混合估计非常迫切。施工 状态跟踪、预测以确定性有限元法为主，随机有限元的应用还处于理论阶段。基 于状态空间法的现代控制理论基础是已知精确的数学模型和干扰的统计特性。如 果模型不准确，控制性能将大大降低。应该大力引入新型控制策略，提高控制系 统的稳定鲁棒性和性能鲁棒性，降低对模型的依赖。模糊控制技术是一个值得关 7 硕士学位论文第一章绪论 注的研究方向。此外，施工控制软件的研发方面还远远不能令人满意，开发先进 的可视化桥梁施工控制软件势在必行啪】。 对于桥梁施工控制来说，温度影响一直以来都是个令人头疼的问题，尽管有 许多学者对其进行了很多的研究和探讨，也提出了很多解决方法，但是目前还没 有统一的、有效的手段来解决施工控制中温度引起的误差。本文在前人研究的基 础上，针对悬臂施工的连续刚构桥施工控制，提出了一种简单的温度误差调整法， 在佛山紫洞特大桥的施工控制实践中取得了不错的效果。以下是本文所作的主要 工作： 1 、本文对目前桥梁施工控制中所采用的结构计算方法进行了总结，详细介 绍了各种计算方法的计算流程，并对其优缺点进行了介绍。 2 、对预拱度的三种设置方法进行了介绍，即相对挠度法、短线挠度法和绝 对挠度法。对该三种方法挠度累计值计算过程和预拱度总量控制过程进行了详细 的介绍和对比。 3 、详细介绍了目前广泛采用的三种分段施工桥梁结构系统及其控制问题， 即确定性系统及其控制、随机性系统及其控制和自适应系统及其控制。对三种系 统功能进行了对比，并且结合本文研究的连续刚构桥特点，确定采用自适应系统 来进行施工控制。 4 、针对自适应系统及其控制过程中，主要出现的施工误差、量测误差和参 数误差，详细介绍了误差识别和消除方法，即通过心d m 孤滤波法滤去施工误差 和量测误差；通过最小二乘法识别参数误差。 5 、在各种引起误差的因素中，温度误差一直是一个令人比较头疼的问题， 本文在紫洞特大桥的施工控制实践中，运用力学方法，总结出一种简化的温度效 应分析法。经过紫洞特大桥的实践，证明了该方法简便、可行和有效。 6 、针对大跨径桥梁分段施工特点，将施工控制过程分为两个阶段进行，第 一阶段挠度值较小，参数误差识别以现场参数试验结果为主，并且结合k a l m a n 滤波法对桥梁结构实际状态进行准确分析和预测，以便及时准确地调整立模标 高；第二阶段悬臂挠度值较大，运用本文提出的温度误差调整法、k a l m a n 滤波 法，对各种主要误差进行调整和滤除，同时运用最小二乘法对参数误差进行识别， 及时准确地调整立模标高，保证桥梁顺利合拢，确保成桥线形符合设计要求。 7 、对紫洞特大桥进行了模拟仿真计算，得到了各阶段挠度理论值和控制截 面应力。并且计算出各梁段预拱度，提出了立模标高，为桥梁立模施工提供了依 据。 8 、将本文的研究成果运用于紫洞特大桥的施工控制工作，对施工过程中出 现的各种误差进行了预测、滤除和识别，为及时调整立模标高提供了准确的依据， 8 硕士学位论文第一章绪论 确保了大桥的顺利合拢，成桥线形符合设计要求。 ， 硕士学位论文第二章桥梁分段施工中结构有限元计算方法及预拱度的研究 第二章桥梁分段施工中结构有限元计算方法及预拱度的 研究 2 1 结构有限元计算方法 桥梁分段施工是分阶段逐步完成的，从第一个悬臂施工段的施工开始，到结 构的最终形成，经历了一个漫长而又复杂的旌工过程以及结构体系转换过程。其 间结构体系、荷载工况、约束条件、材料性能等都在不断交化，为了实现桥梁结 构的最终理想控制目标，我们必须对施工的每一个阶段都进行严格的预测和监 控，而运用有限元方法准确计算每一阶段结构的变形和受力就成了施工控制中最 基本的要求。目前施工控制中桥梁结构的计算方法主要有：正装计算法、倒装计 算法和无应力状态计算法等 2 1 1 正装计算法 正装计算法是按照桥梁结构实际施工顺序来进行结构变形和受力分析的，它 能较好地模拟桥梁结构的实际施工过程，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设计和施工，而且为桥梁施工控制提供了依 据，因而也称为前进分析法。而且在正装计算中，能较好的考虑一些与桥梁结构 形成历程有关的影响因素，如结构的非线性问题和混凝土的收缩，徐变问题。正 因为如此，正装计算法在桥梁结构的计算分析中占有重要的位置，对于各种型式 的大跨度桥梁，要想了解桥梁结构在各个旌工阶段的变形和受力状态，都必须首 先进行正装计算。 在正装计算法中，新拼装的杆件用激活两个节点间的新单元进行模拟，计算 是对施工阶段循环进行的，循环结束时的分析结果就是成桥若干年后结构的受力 状态。对于悬臂浇注施工的预应力混凝连续剐构桥的正装计算法，其过程为： ( 1 ) 首先，确定结构的初始状态，主要包括：中跨、边跨( 次边跨) 的大 小，桥面线形、桥墩高度、横截面几何参数、材料参数、约束信息、预应力钢束 信息、混凝土徐变信息、外部荷载信息、二期恒载信息、体系转换信息等； ( 2 ) 在基础、桥墩和0 # 块或者o # 和l # 块( 0 # 和1 # 块一起浇筑) 浇筑完成 后，计算已浇筑部分在自重和外荷载作用下的变形和内力； ( 3 ) 安装悬臂浇筑用的挂篮，在每一桥墩上利用挂篮依次悬臂浇筑各个块 件，直到悬臂浇筑阶段完成，挂篮拆除。计算每一悬臂浇筑工况下结构的内力和 变形，每对称浇筑一个施工块，都对应有三个工况，即混凝土浇筑后、预应力钢 1 0 硕士学位论文第二章桥粱分段施工中结构有限元计算方法及预撰度的研究 束张拉后和挂篮移动后，每一工况计算均是以上一个工况结束时结构变形后的几 何形状为基础； ( 4 ) 进行体系转换的计算，包括边跨合拢( 次边跨合拢) 和中跨合拢，有 些大跨度的连续刚构桥为了增加预应力储备，在中跨合拢前还进行了中跨顶推， 计算这些工况下结构的内力和变形； ( 5 ) 桥面铺装，计算二期恒载作用下结构的内力和变形； ( 6 ) 计算成桥若干年后的收缩、徐变，计算活载的影响。 前进分析系统可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于 分析中结构节点坐标的迁移，最终结构轴线不可能达到设计轴线。实际施工中桥 梁结构线形的控制和强度控制同样重要，线形误差将造成桥梁结构的合拢困难， 影响桥梁建成后的美观与营运质量。为了使竣工后的结构保持良好的线形，在施 工过程中采用了设置预拱度的方法，而对分段施工的桥梁，一般要求给出各个施 工阶段结构物控制标高( 立模标高) ，以便最终使结构满足设计要求。 开始 数据输入 对施工阶段循环 激活本阶段单元与节点 建立并修改本阶段 结构刚度矩阵 刚度矩阵分解 激活本阶段结构上的预应力束 本阶段所增块件自重与施工荷载 内力与位移计算 本阶段预加力效应( 内力及位移) 计算 挂篮前移效应( 内力与位移) 计算 混凝土收缩徐变内力与位移计算 预应力损失计算 预应力损失卸载效应 ( 内力与位移) 计算 阶段内力与位移汇 截面特性修r 正 邕 图2 - l 前进分析系统流程图踟 硕士学位论文 第二章桥粱分段施工中结构有限元计算方法及预拱度的研究 2 1 2 倒装计算法 倒装计算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，因而也称为倒退分析法。倒装计算的目的就是要获得桥梁结构在各施工阶 段理想的安装位置和理想的受力状态。众所周知，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形和设计标高，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。只有按照倒装计算出来的桥梁结构各阶 段中间状态去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。 关于倒装计算法，已经有不少学者做了研究并取得很多成果m 1 嘲，这些成 果从理论和原则上分析了这种方法的原理和使用条件从理论上讲，只要正装计 算所遵循的过程恰好是倒拆时的逆过程，则倒拆计算就是闭合的。但在实际应用 中要做到这点并非易事，许多因素导致不能闭合，也导致一些对该方法的不正确 理解和应用。李乔等人从影响大跨度斜拉桥倒拆分析计算结果闭合的因素进行分 析，重点讨论了状态不闭合问题和计算不闭合中，非线性影响与混凝土徐变的影 响及其解决方法嘲。 图2 - 2 倒退分析系统流程图 倒拆分析过程中，存在以下不足： ( 1 ) 难以计算到混凝土收缩、徐变的影响，因为混凝土的收缩和徐变是不 可逆的； 硕士学位论文第二章桥粱分段施工中结构有限元计算方法及预拱度的研究 ( 2 ) 在拆除合拢段以及支座单元时，其杆端力不为零，而实际安装上述单 元时，其单元的杆端力为零，从而存在结构内力不闭合问题； ( 3 ) 难以考虑结构的几何非线性问题。 2 1 3 无应力状态法 前面我们通过进行倒装计算来确定大跨径桥梁结构在旄工各阶段的中间理 想状态。倒装计算法是通过分析桥梁结构的内力来建立起各施工阶段中间状态与 桥梁结构成桥状态之间的联系，由于结构的内力与结构的形成历程密切相关，是 一个相对不稳定、不独立的量，因而用倒装计算法确定结构的中间理想状态是比 较困难的。我们能否通过其他的方式来确定桥梁结构施工各阶段中间理想状态， 或者说，能否找到一种相对稳定或恒定不变的量来建立起各施工阶段中间状态与 成桥状态之间的联系呢? 答案是肯定的，这就是我们所说的无应力状态计算法。 设想将一座已建成的桥梁结构解体，结构中各构件或单元的无应力长度和曲 率是一个确定的值，在桥梁结构施工中或建成后，不论结构温度如何变化，以及 如何加载，即在任何受力状态下，各构件或单元的无应力长度和曲率不变，只是 构件或单元的有应力长度和曲率不相同而已。我们用构件或单元的无应力长度和 曲率保持不交的原理进行结构状态分析的方法叫做无应力状态法。文献【4 5 ) 中 对无应力状态法有详细的介绍 2 1 4 倒拆一正装迭代法 倒拆一正装迭代法是针对上述倒拆法的适当改进，其基本原理是在首轮倒拆 过程中不计混凝土的收缩、徐变和结构的几何非线性。根据首轮的倒拆结果，再 正装计算，正装计算中考虑混凝土的收缩、徐变和结构的几何非线性，将相应的 影响结果储存，在下一轮的倒拆计算中，将上述储存的影响结果计入，如此反复， 直到计算结果基本吻合，但是该方法仍然只能近似地考虑混凝土的收缩、徐变和 结构的几何非线性，因为在具体计算混凝土的收缩、徐变和结构的几何非线性时， 所采用的结构基本状态不一样。该方法无法消除拆除合拢段及支座单元所带来的 结构不闭合问题。另外，该方法具体实施计算相当繁琐。r 2 1 5 正装迭代法 由于上述方法或多或少存在一些不足，桥梁工作者们针对这些不足，提出了 不少改进的方法，其中颜东煌等人针对斜拉桥提出了一种正装迭代法h 町，黄侨等 人也针对斜拉桥施工索力计算介绍了正装迭代计算法嘲。以斜拉桥为例介绍正装 迭代法基本思路：首先假定一组施工索力，按照已拟定的施工步骤进行正装计算， 硕士学位论文第二章桥粱分段施工中结构有限元计算方法及预拱度的研究 得到一个成桥状态，将该成桥状态与已经确定的最优成桥状态进行比较，根据最 小二乘法原理使两者相差最小，从而对原先假定的施工索力进行修正。再按照修 正后的施工索力进行正装计算，重复上述过程，直到收敛满足精度要求。该方法 只有正装计算，可以很好地解决倒拆法中难以考虑混凝土收缩、徐变和结构几何 非线性，以及拆除合拢段与支座单元所带来的不闭合问题。 该方法立模标高的确定： 1 、不计大变位影响的情况 由于在正装计算过程中，节点坐标不随位移而变，并且通常取成桥设计标高 作为主梁各节点的竖坐标，因此，主梁立模标高可以在张拉索力确定之后来计算。 当张拉索力确定后，迭代计算中根据最后一次正装计算可得到主梁各梁段控 制点的累计挠度，设其值为( 丹( 以向上为正) 。设主粱各粱段控制点的成桥设 计标高为 l y l ，取i j ，( | i + 1 ) | - i y l 进行施工； ( c ) 若b ，( | i h 圳且| y ( k + 1 ：忙l y l ，令队纠= 后重新确定施工最优状态； ( d ) 若i j ，( 膏1 m 且i j ，( 七+ 1 ) i i j ，l ，取j ) ，( 七h = i j ，i 和p 伪+ 1 ) i - m 进行施工。 满足上述设计规定的约束条件的施工最优状态，称为设计最优状态，也就是 施工中实施的状态。 ( 2 ) 、控制约束条件 根据目标函数的极值条件确定的施工最优控制u ( v d ( f 咯十1 ，凇，功，也必 须满足设计要求，即 i u ( i z ) l - m ，取p ( t 1 = i 甜| 后按施工最优状态施工a 硕士学位论文 第三章桥梁分段施工控制理论及自适应控制 满足上述设计所规定的控制约束条件的施工最优控制，称为设计最优控制， 也就是施工中实施的控制。 3 、确定性控制路径 综