（模式识别与智能系统专业论文）六安市淠史杭斜拉桥施工监控研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：灌参仁肺巩承梭 委员： 导师： o 勿1 5 劢。 矽乡 饰 独创性声明 本人声明所星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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些叁堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料a 与我一同工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谢 意。 学位论文作者签字 签字日期：砌lj 年4 月2 害日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 靴敝者虢黩乃k 签字日期：w 1 1 年律月刀日 导师签名：概 签字日期：沙班夕月厶怕 电话： 邮编： g y 多刁夕& 磁 六安市淠史杭斜拉桥施工监控研究 摘要 桥梁施工监控是确保在施工过程桥梁结构内力和变形始终处于容许的安全 范围内，确保成桥线形与成桥结构内力满足设计要求，保证桥梁在施工过程中 的安全。目前国内设计的斜拉桥采用不对称结构较少，特别是斜拉桥施工以塔 梁施工方式不常见。 结合六安市淠史杭斜拉桥工程实例，运用有限元析软件桥梁博士d o c t o r b r i d g e 进行斜拉桥仿真计算，包括合理成桥状态计算和合理施工阶段计算的方法进行介绍。 详述了斜拉桥施工控制的一些主要影响因素，以及斜拉桥施工监测方面的内容。对现 场应力、线形、索力监测数据反馈到模型中修改相关参数，分析成桥线形和结构内力 合理性。通过塔梁同步施工技术可行性研究，解决斜拉桥的不对称施工技术问题，保 证斜拉桥在施工中的结构安全，并提供合理的立模标高和张拉索力，确保桥梁 线形和索力符合设计要求及施工过程中结构安全。 最后简单总结了本论文的结论以及对未来斜拉桥施工控制工作研究方向作了展 望。 关键词：斜拉桥；施工控制；有限元 t h er e s e a r c ho fc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fl i u a np i s h i h a n g c a b l e - s t a y e db r i d g e a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fb r i d g ec o n s t r u c t i o n ，c o n s t r u c t i o nc o n t r o le n s u r e st h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o no fb r i d g es t r u c t u r ew i t h i ns a f l y , a n de n s u r e st h a tt h el i n e sa n ds t r e s so f c o n s t r u c t e db r i d g es a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h e r e f o r et h es a f i yg a sb ee n s u r e dd u r i n g t h ec o n s t r u c t i o n a tp r e s e n t ，i nd o m e s t i cd e s i g n ，a s y m m 嘶cs t r u c t u r eo fc a b l e s t a y e d b r i d g ei su s e dv e r yf e w e r , e s p e c i a l l yc o n s t r u c t i o nt o w e rb e a mi sn o tu s u a l l ya p p l i e df o rt h e c 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 e c o m b i n e dw i t hc i t e sp is h i h a n gc a b l es t a y e d - b r i d g ep r a c t i c e ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t s o r w a r e ( d o c t o rb r i d g e ) t os i m u l a t et h ec o n s t r u c t i o ns t a g e a tt h es a m et i m e ，f e e d b a c kt o m o d e li nc o m b i n a t i o nw i mt h em o n i t o r i n gd a t ao fs t r e s s 1 i n e a ra n dc a b l ef o r c et om o d i f y c o r r e l a t i v ep a r a m e t e r sa n dt oa n a l y s et h er a t i o n a l i t yo fl i n e a r i t ya n di n t e r n a lf o r c eo f s t r u c t u r e t h r o u g ht h ev e r i f i c a t i o no ff e a s i b i l i t yo fs y n c h r o n o u sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f c a b l e s t a y e db r i d g e ，s o l v et h ep r o b l e mo fa s y m m e t r i cc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , g u a r a n t e eo f t h es t r u c t u r a ls a f e t yd u r i n gt h ep r o c e s so ft h ec o n s t r u c t i o n ，a n dp r o v i d er e a s o n a b l e e l e v a t i o no ff o r m w o r ke r e c t i o na n dc a b l e sf o r c e su n d e rc o n s t r u c t i o n m a k es b r ei nt h e f i n a ls t a t eo fb r i d g e ，b r i d g ea l i g n m e n tc a b l ef o r c e sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n de n s u r e t h es a f e t yo ft h es t r u c t u r ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z eb r i e f l ya b o u tt h ec o n c l u s i o na n do u t l o o kf o rt h ef u t u r e r e a s e r c ha b o u tt h ec o n s t r u c t i o nc o n t r 0 1o ft h ec a b l e s t a y e db r i d g e k e yw o r d s ：c a b l e s t a y e db r i d g e ； 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 致谢 本论文的工作是在我的导师李凡副教授的悉心指导下完成的。感谢我的导师李 凡老师在我攻读硕士学位期间，在学习上的指导帮助和在生活中细心的关心和帮助。 李老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助，他对我的教导将影响我 以后的人生。 李老师悉心指导我们完成了六安淠史杭斜拉桥施工监控工作。本人作为一个跨 专业的学生，桥梁专业知识薄弱，是李老师在一直以来关心我的学习，帮助我实现进 步。在此我要向我敬爱的李老师表示衷心的谢意。 另外要特别感谢李雪峰老师和陈清老师在施工监控工作中对我的帮助，以及在日 常生活中对我的帮助，使得我能顺利完成论文。 感谢六安淠史杭斜拉桥监控项目组的全体成员，安徽高速公路监理公司和安徽公 路桥梁公司的领导对我的帮助。 感谢陆东、成忠荣、方陈、徐良群以及室友郭悬、王郁超等同学，是他们在生活 和学习中给与了我热情的帮助，同窗之情让我毕生都不会忘怀，祝福他们前程似锦。 感谢我的父母，感谢他们对我的养育之恩，是他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业。在此深切的感谢我的亲人和朋友们对我的支持。 作者：吴寒冰 2 0 1 1 年4 月2 6 日 目录 第一章绪论1 1 1 斜拉桥发展概述1 1 2 斜拉桥发展趋势1 1 2 1 信息技术化发展2 1 2 2 超大跨径斜拉桥的发展2 1 2 3 建筑美学对斜拉桥建设影响2 1 2 4 桥梁的可持续发展3 1 3 本文研究内容及意义j 3 第二章斜拉桥施工控制4 2 1 斜拉桥施工控制概述4 2 2 施工状态确定4 2 2 1 正装迭代法一j 。5 2 2 2 倒拆法。6 2 2 3 正装一倒拆迭代法7 2 2 4 无应力状态法7 2 3 施工控制原理与方法8 2 3 1 卡尔曼滤波法8 2 3 2 自适应施工控制9 2 4 斜拉桥施工控制的任务和主要内容。1 1 2 4 1 几何控制。j 。1 1 2 4 2 稳定控制1 2 2 4 3 应力控制：1 2 2 4 4 安全控制1 2 第三章塔梁同步施工可行性研究1 3 3 1 课题来源o 13 3 1 1 淠史杭斜拉桥工程概况1 3 3 1 2 塔梁同步施工1 4 3 2 有限元结构分析理论1 5 3 2 1 平面单元杆系结构的线性单元有限元法1 5 3 2 2 斜拉索单元的分析1 6 3 3 塔梁同步施工可行性研究1 8 3 3 1 施工阶段计算分析1 8 3 3 3 塔梁同步施工影响因素分析2 3 3 4 本章小结2 4 第四章监测结据与计算结果分析2 5 4 1 索力测试原理与施工阶段索力分析2 5 4 1 1 索力测试原理2 5 4 1 2 监控结果分析2 7 4 2 应力测试与监控结果3 l 4 2 1 应力测试原理31 4 2 2 监控结果分析3 2 4 3 主梁线形测试原理与施工阶段分析4 0 4 3 1 桥梁线形控制原理4 0 4 3 2 施工阶段分析4 3 4 4 主塔施工阶段分析4 9 4 5 本章小结51 第五章结论与展望。j 。5 3 5 1 结论。5 3 5 2 展望：5 3 参考文献5 4 插图清单 图2 1 正装计算流程分析6 图2 2 倒装计算流程分析图。7 图2 3 开环控制流程。lo 图2 4 斜拉桥闭环反馈控制系统1 0 图2 5 自适应施工控制基本原理及实现过程1 1 图3 1 淠史杭斜拉桥主桥平面图1 3 图3 2 主跨冗型截面图1 3 图3 3 边跨a 型截面_ 1 4 图3 - 4 索塔立面图1 4 图3 5 平面梁单元：1 5 图3 - 6 斜拉索分析图l7 图3 7 部分阶段模型示意图18 图3 8 两种施工方法成桥主梁弯矩对比2 2 图3 - 9 两种施工方法成桥索力对比2 2 图3 1 0 成桥索力2 3 图3 1 1 塔梁同步施工现场2 3 图禾1 拉索垂直度分析2 5 图4 2 体系转换后实际索力与理论索力。2 7 图4 3 主塔应力观测点布置3 l 图4 4 主梁应力观测点布置小3 1 图4 5 主跨第二断面l 撑点应力图3 2 图禾6 主跨第二断面2 群点应力图3 2 图4 7 主跨第二断面8 撑点应力图。3 2 图4 8 主跨第二断面9 撑点应力图：3 3 图4 9 主跨第二断面3 撑点应力图3 3 图4 1 0 主跨第二断面钟点应力图3 3 图4 1 1 主跨第二断面1 0 # 点应力图3 4 图4 1 2 主跨第二断面1 1 撑点应力图3 4 图4 1 3 边跨第二断面1 样点应力图：3 4 图4 1 4 边跨第二断面2 j | 点应力图。：3 5 图4 1 5 边跨第二断面8 撑点应力图h 3 5 图4 1 6 边跨第二断面9 群点应力图3 5 图4 1 7 边跨第二断面3 j | j 点应力图。3 6 图4 18 边跨第二断面甜点应力图3 6 图4 19 边跨第二断面10 # 点应力图3 6 图4 2 0 边跨第二断面1 1 撑点应力图3 7 图4 2 1 塔根1 撑点应力图一3 7 图4 2 2 塔根2 群点应力图3 7 图4 2 3 塔根3 撑点应力图3 8 图4 2 4 塔根错点应力图。3 8 图4 2 5 塔根5 撑点应力图3 8 图4 2 6 塔根甜点应力图3 9 图4 2 7 塔根7 群点应力图3 9 图4 2 8 塔根8 撑点应力图3 9 图4 2 9 正常使用阶段主梁应力4 0 图4 3 0 各桩号控制点预拱度4 5 图4 3 l 成桥与设计高程差值4 9 图4 3 2 左幅索塔塔顶纵向、横向位移4 9 图4 3 3 右幅索塔塔顶纵向、横向位移5 0 图4 3 4 左幅索塔4 0 m 处3 m 面纵向、横向处位移。5 0 图4 3 5 右幅索塔4 0 m 处3 m 面纵向、横向处位移。5 1 图4 3 6 左幅索塔4 0 m 处6 m 面纵向、横向处位移5 l 图4 3 7 成桥索力5 2 图4 3 8 成桥高程5 2 图4 3 9 成桥弯矩：5 2 表格清单 表1 1 斜拉桥跨径里程碑2 表3 1 施工各阶段划分1 9 表3 2 两种施工方法模型单元安装顺序比较2 l 表4 1 测试索力与理论索力对比2 8 表4 2 二次调索前测试索力及二次调索索力2 9 表4 3 成桥索力3 0 表4 4 主跨控制点压应力最值3 3 表4 5 边跨控制点压应力最值一3 7 表4 6 边跨预拱度4 3 表4 7 主跨立模标高及预拱度4 4 表4 8 各控制点标高实测值4 6 表4 9 成桥高程4 8 第一章绪论 1 1 斜拉桥发展概述 斜拉桥属组合体系梁桥，是一种上部结构由塔、索、梁三种基本构件组成 的高次超静定结构体系。桥面体系以加劲梁受压或受弯为主、支承体系以斜拉 索受拉及桥塔受压为主的桥梁。按塔、墩、梁的相互组合方式有四种结构体系： 漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系、刚构体系【l 】。 斜拉桥始于十七世纪，受当时科技水平的限制，在3 0 0 多年的时间里没有 得到较大发展。在二十世纪中叶，现代斜拉桥有了长足的发展，其中德国桥梁 工程师迪辛格尔做出重要贡献。 目前2 0 0 8 0 0 m 跨径范围内，斜拉桥已成为最具有竞争力的桥型。各种桥 型都有各自的经济跨径，如吊桥和斜拉桥，前者跨径可比后者更大，然而经济 指标前者比高后者很多。二十世纪三十年代，德国工程师d i s e h i n g e r 研究设计 第一座现代斜拉桥主跨为1 8 3 m 的瑞典s t r o m s u n d 大桥。早期的斜拉桥大都采 用稀索和钢主梁结构等特点。第一座混凝土斜拉桥是委内瑞拉建成马拉开大桥， 建于二十世纪六十年代，采用稀索布置。此后混凝土斜拉桥得到迅速发展【2 1 。 上世纪七十年代我国开始修建斜拉桥，在1 9 9 3 年建成的上海杨浦大桥，主 跨达6 0 2 m 。全长3 2 4 公里、主跨1 0 8 8 米的苏通大桥通是世界最大跨径斜拉桥， 创造了最深桥梁桩基础、最高索塔、最大跨径、最长斜拉索等4 项斜拉桥世界 纪录，其雄伟的身姿成为横跨在长江之上的一道亮丽风景。 1 2 斜拉桥发展趋势 混凝土斜拉桥的发展，主要可划分为三个阶段： ， 第一阶段( 二十世纪五六十年代) 的斜拉桥的拉索布置方式特征为稀索布 置，桥梁主梁绝大部分采用弹性支承方式。典型混凝土斜拉桥有委内瑞拉 m a r a e a i b o 桥为代表【3 ，4 1 。 第二阶段( 二十世纪六十年代后期到八十年代早期) 斜拉桥拉索布置方式 为中密索形式，随着斜拉桥的跨径增加其支撑方式主要有弹性支承连续梁和承 受较大的轴向力为特点。如索密、单索面的德国b o u n d n o r d 桥，其混凝土以 轴向力为主，梁截面减小、梁体轻型化。 第三阶段( 二十世纪八十年代中期至今) 斜拉桥拉索方式为密索布置，主 梁不仅是承受很大的轴向力构件，同时也是承受弯矩构件。钢管混凝土等新形 式出现，桥梁向轻型化发展，梁截面、主梁高度减小 5 】。 斜拉桥发展迅速，其特点是跨径不断增加、梁高不断减小，主梁高跨比从 o 0 2 5 左右发展到o 0 1 8 ，索距也发展到l o m 以下，主梁截面形式从梁式桥的截 面型式发展到扁平的板式截面，最大跨径达5 3 0 m 。混凝土斜拉桥的经济合理跨 径在2 0 0 m 5 0 0 m 之间。 表1 - 1 斜拉桥跨径里程碑 序号国家桥名跨度完成年份 l瑞典s t r o m s u n d1 8 3 m1 9 5 5 年 2 德国t c o d o r - h c u s s2 6 0 m 1 9 5 7 年 3 德国s e v e r i n3 0 2 m 1 9 5 9 年 4德国k n i e3 2 0 m1 9 6 9 年 5德国 d u i s b u r y - n e u e n k a m p 3 5 0 m1 9 7 0 年 6法国s a n i t - n a z a i r e4 0 4 m 1 9 7 5 年 7西班牙l u n a4 4 0 m1 9 8 4 年 8加拿大a n n a c i s4 6 5 m1 9 8 6 年 9挪威 s k a r n s u n d e t5 3 0 m1 9 9 1 年 1 0中国杨浦大桥6 0 2 m1 9 9 3 年 1 1法国 n o r m a n d y 8 6 5 m1 9 9 4 年 1 2日本t a t a r a8 9 0 m1 9 9 9 年 1 3中国苏通大桥 1 0 8 8 m 2 0 0 8 年 随着新型建筑材料的不断出现、施工机械的发展、信息技术的应用、施工 工艺的逐步完善以及计算理论的创新，斜拉桥方向发展以大跨径、更轻巧、更 纤细为主要发展趋势。 1 2 1 信息技术化发展 未来的桥梁建设将具有高度智能化、信息化和远距离自动控制的特征，即 经济知识时代的桥梁工程【6 ，7 】。 希腊里奥安蒂里奥大桥采用钢缆斜拉方式，施工中采用自动化的机器人来 处理基础。我国润扬长江大桥，采用信息化施工技术对检测数据进行分析处理， 做出空间模型计算反演分析i 结构安全复核，为施工决策提供有力的支持【引。 1 2 2 超大跨径斜拉桥的发展 我国的苏通大桥、香港昂船洲大桥主跨跨径均突破千米，这些桥梁的技术 含量高、施工规模大，促进我国大跨径斜拉桥的技术进步和发展。特大型斜拉 桥亦促进桥梁理论和施工建造技术以及施工设备的发展。同时桥梁的可持续发 展面临一系列有待突破的理论技术难题，具体提出以下问题去深入研究：超大 跨径斜拉桥的结构体系理论研究、超深基础和超高索塔理论与施工技术研究、 新型材料的应用开发研究、拉索体系及拉索换索研究、特种施工设备的研发、 施工控制方法和监测技术的革新、超大斜拉桥的抗震研究。 1 2 3 建筑美学对斜拉桥建设影响 社会可持续发展与自然和谐密切联系，桥梁的美观功能被人们日益重视。 二十世纪初，德国地理学家施吕特尔从自然与人文现象的综合角度探索了原始 景观到探索人类文化景观的过程，而入文因素的介入促生了景观设计的概念。 2 二十世纪五十年代后，人们开始关心桥梁对城市环境的影响，桥梁的地标意义及 其生态环境日益突出。桥梁结构最终选型将考虑美学因素的影响。日本的多多 罗桥，该桥原设计为悬索桥，后因重力锚严重影响美观与桥梁出现急弯而改为 斜拉桥。桥梁建筑的美学因素将对斜拉桥的建设产生越来越重要的影响 9 , 1 0 】。 1 2 4 桥梁的可持续发展 随着城市的发展，交通问题日益严重，城市通过建设高架桥来缓解交通压 力。目前现在桥梁重要议题是在桥梁设计方案里考虑降低噪声、降低电磁辐射 污染、减少市区垃圾污染等因素。可持续发展概念深入人心，桥梁建设的服务 主体是人民群众，因此建设桥梁应该从功能性要求向经济效益更好和与环境更 融洽方向发展。今后桥梁的发展将是以人为本的阶段，减小对自然能源与资源 的消耗，延长桥梁寿命周期与发挥更大的经济效益，从而达到可持续发展的目 标【7 ，i l l - 。 1 3 本文研究内容及意义 六安市淠史杭斜拉桥施工控制目的：保证大桥施工过程中结构安全，提供 合理的立模标高和张拉索力，以确保结构符合设计要求的桥梁线形和内力，保 证施工过程的安全、顺畅。 拟解决关键问题： 一塔梁同步施工可行性研究 桥梁施工控制最终目的就是达到合理的成桥状态，满足结构的内力及桥梁 线形要求。因此，相异于先主塔后主梁的一般旆工方式而言，塔梁同步施工控 制指标与一般施工方式没有差别。但是，塔梁同步施工有自身特点：主塔尚未 全部浇筑完毕而进行挂篮施工，这对塔根部的压应力储备较小的斜拉桥而言， 其施工控制难度较大。因此，对施工管理和理论模型预测立模标高、拉索的张 拉力精确度要求更高。 二斜拉桥的不对称施工研究 六安市淠史杭斜拉桥，边跨先于主跨施工，并采用满堂支架施工方式一次 性浇筑完毕，主跨采用标准段前支点挂篮施工。其不对称施工相比对称施工难 度较大，如何确保桥梁线形，及张拉索力大小对桥梁结构安全影响，是桥梁安 全施工的关键问题。 现有条件及解决办法： 运用限元软件桥梁博士、结合现场的监测数据反馈到理论模型中，预测下 段的立模标高、张拉索力大小，对施工控制方案的可行性进行研究。 3 第二章斜拉桥施工控制 2 1 斜拉桥施工控制概述 斜拉桥属高次超静定结构，成桥后的主梁线形及内力状态与所采用的施工 工艺、施工方法和施工安装顺序有密切的关系，斜拉桥结构体系和荷载情况随 施工阶段的不断改变而变化，结构内力和变形也随之发生改变。桥梁监测项目 有：索力、控制点高程、主塔垂直度以及温度等，通过监测数据修改模型参数， 并对上一阶段工况做详细的分析，并预测下一施工阶段的立模标高、初张拉力、 塔顶位移、结构内力等理论值，并在施工中加以合理有效的控制。为消除或减 小主梁线形和斜拉索索力与设计目标值的偏差，结构体系需要对所采用的参数 进行识别，使成桥结构处于最优的受力状态和运营阶段桥梁线形达到预期设计， 同时保证施工过程中结构受力合理和线形处于可控范围内。 斜拉桥施工控制的原则是：挂篮悬臂施工阶段对标高的控制、主梁线形平 顺做首要考虑因素。不同时期控制的侧重点不同，悬臂施工阶段以桥梁线形为 主，桥梁合拢后以索力控制为主。悬臂施工时以标高控制为主，并不是只控制 主梁的线形，同时也考虑索力偏差对结构的安全影响。当主梁刚度较小时，斜 拉索索力微小变化将引起较大的悬臂端挠度，此时张拉斜拉索索力时，应以控 制点高程进行控制；当主梁刚度较大时( 及全桥合拢时第二次调索) ，较大的斜 拉索的索力对悬臂端的挠度影响较小，此时以斜拉索张拉索力为目标控制。 2 2 施工状态确定 斜拉桥的结构内力和线形随着施工阶段结构体系改变而变化。斜拉桥的设 计计算不仅要考虑成桥状态的理论计算，而且必须在模拟斜拉桥的各个施工阶 段时要考虑现场施工过程带来的影响，同时进行详细的论证与验算，即所谓的 正装分析计算或前进分析法，分析并求得斜拉桥各施工阶段的挂篮立模标高、 斜拉索索力大小、主梁线形、塔顶位移和结构内力状态等各参数的理论值，同 时在施工过程中要对施工工序做出明确说明，并使之有效的控制管理。 在实际的施工中，不可避免会发生由成桥状态反求各施工状态的控制数据 问题。当合理成桥状态确定以后，各施工状态的理论控制数据应根据施工工艺 流程来确定( 如挂篮悬臂施工时的立模标高、后悬拼施工时的梁段安装定位标 高以及斜拉索的安装等) 1 1 , 1 2 】。 。 由于测量误差、施工误差等因素不可避免，设计阶段一般根据经验确定各 关键参数为理想值等必须加以控制。因此，可以减小实际结构线形和内力状态 的不良效应，从而降低施工结构安全和正常运营给结构带来的隐患问题【l3 1 。 确定混凝土斜拉桥的合理施工状态，采用分阶段的悬臂施工方法有的分析 理论有：正装计算法、倒拆计算法、正装倒拆迭代法、无应力状态法等。 4 2 2 1 正装迭代法 根据结构实际施工情况和施工方案，逐阶段的计算桥梁结构成桥状态的受 力情况。随着施工阶段的进行，桥梁边界约束条件和荷载大小也将随之改变。 正装迭代法是以施工阶段前后次序进行的结构分析方法，计算原理是采用与斜 拉桥施工顺序同步，依次得出各阶段结构的内力和位移。正装计算分析能为成 桥结构的受力状态，提供较之精确的预测结果，同时为刚度验算、结构强度等 提供依据。 大跨度斜拉桥的正装迭代法有以下几个步骤： 1 初始结构状态的确定：包括桥梁结构形式、索塔高度、桥面高程、主梁 断面形式、约束条件、材料信息、斜拉索材料信息、预应力钢筋布置信息、混 凝土强度选择、施工荷载状况、体系转换和二期恒载铺设信息。 2 计算己浇筑基础、桥墩在自重和外加荷载作用下的变形和受力情况。 3 计算悬臂浇筑混凝土时结构的线形和斜拉索的张拉索力大小。 4 计算各个主要施工工况结构的内力和线形。 5 计算二次调索前后结构的内力和线形。 6 计算桥面铺装等二期恒载作用下结构的内力和线形。 在正装迭代中需要考虑：几何大位移问题，大跨度斜拉桥几何非线形大位 移效应变问题；以及材料的非线性问题( 如钢筋与集料非线性应力等) ；混凝土 徐变和收缩等问题。 5 开始 j 数据输入 + 激活本阶段单元与结点 + 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 本阶段所增构件自重与施工荷载的内力与位移计算 本阶段预加力效应( 内力与位移) 计算 混凝土徐变收缩内力与位移计算 预应力损失计算 + 预应力损失卸载效应( 内力与位移) 计算 + 阶段内力与位移汇总 截面特性修正 内力、位移及体系预加力沿程分布计算 + 结柬 图2 1 正装计算流程分析 2 2 2 倒拆法 在斜拉桥施工计算的另一种常用的方法是采用倒拆分析方法。参考成桥状 态t = t 。时刻的内力状态，以成桥的设计线形为参考构形，虚拟对把结构进行逐 阶段到拆分析，计算卸除一个施工阶段对剩余结构的内力和线形影响的计算方 法。用倒拆分析方法分析线性结构，确保每各阶段不产生施工偏差的理想施工 状态，在t = t 。时刻达到成桥状态。所以，倒拆分析从理论上研究，可直接用于 应用线性结构的设计施工，以此作为施工控制的目标。 正装分析的逆过程可实现单一的倒拆分析。首先，激活模型有限元中成桥 状态的所有节点单元、边界条件、施工荷载、成桥索力，预应力钢筋张拉力， 激活结构外荷载，通过索力优化确定结构成桥状态的最优受力状态，同时将桥 梁产生挠度为零，使其满足结构设计状态的内力和线形，构件等初始条件。进 而对模型结构单元、约束条件进行钝化来分析倒拆状态。计算得到的位移和内 力状态要是结构满足倒拆前条件及设计成桥状态，同时要达到本阶段结构所具 6 备状态要求。考虑混凝土徐变收缩及材料性质等影响，用单一的倒拆分析法就 会产生正装分析与倒拆分析的内力和线形状态不闭合问题。 开始 士 t - - t o 时刻状态 施工完成时状态 合拢初状态 0 合拢前状态 0 l 张拉预应力索初期状态 l 山 张拉预应力索前状态 i 对施工阶段循环 i 一l 安装本阶段初期状态 0 安装本阶段前状态 l 施工状态 i l 结束 图2 - 2 倒装计算流程分析图 2 2 3 正装一倒拆迭代法 针对倒拆迭代法的内力和线形状态不闭合问题不足之处，正装一倒拆迭代 法进行适当是改进，其整体思路为：斜拉索索单元的弹性模量在第一轮倒拆模 拟时，采用不计索垂度的非线性效应的钢丝弹性模量，以后每轮倒拆迭代是都 采用上一轮正装法计算求得相应阶段的斜拉索的索力计算其索的等效刚度。混 凝土的收缩徐变在第一轮不计，在最后一轮正装计算记录的历史应力作为第二 轮分析时徐变收缩计算的依据，逐段考虑它们的影响，如此反复至收敛【1 4 】。该 方法缺点是仍只能近似的考虑结构的几何非线性和混凝土的收缩徐变影响及计 算量大问题。 2 2 4 无应力状态法 无应力状态法是结构各单元在安装过程中的无应力曲率和无应力长度、支 座位置和外加荷载一定，结构的最终完成对成桥状态的自动逼近【15 1 。例如宁波 招宝山大桥就是利用该法进行安装计算的。由于受结构非线性和混凝土收缩徐 变影响，计算得到的主梁线形状态发生了改变，与设计成桥状态仍然存在差异。 7 根据成桥状态的主梁线形、内力和斜拉索索力，重新确定无应力索力和主梁预 拱度，带入下一轮迭代计算中，直到收敛为止【1 6 ，1 7 18 1 。改方法缺点：在迭代过 程需要不断调整无应力索力和主梁预拱度，使得具体操作计算量大且繁琐，因 此，采用无应力状态法在混凝土斜拉桥应用较少。 本文利用正装法分析六安市淠史杭斜拉桥的施工仿真计算。 2 3 施工控制原理与方法 依据桥梁结构形式、施工条件不同等，对施工控制方法的选择也不尽相同。 目前，广泛应用于工程实践的控制方法有参数识别法、卡尔曼滤波法、无应力 状态法、自适应控制法等【1 9 ，2 0 1 。 2 3 1 卡尔曼滤波法 二十世纪六十年代，美国学者k a l m a n r e 首先将状态空间的概念引入到随 机估计理论中，提出了k a l m a n 滤波法。他把在白噪声作用下一个线性系统的 视为输出信号过程，并用状态方程来描述这种输入输出关系。这种信号过程可 以是是非平稳的向量随机过程，亦可以平稳的标量随机过程。将概率论和数理 统计领域的研究成果用于解决滤波估计问题，得益于计算机的快速发展的成果， 从而提出了一种计算新方法：线性递推滤波】。 卡尔曼滤波法对贮存过去的观测数据不做要求，其优点是降低了计算量和 储存量要求，提高了处理信息速度。它被广泛应用于各个领域。在工程实际中 常用的是卡尔曼离散线性估计法，其原理如下： 线性离散系统的状态方程为： z 七+ l2 “l k x k + c o k ( 2 1 ) 式中： 榭i 为t l l l 状态转移矩阵；以为n 维状态向量；c o , 为n 维向量，均值 为零的白噪声序列。 离散型观测方程为： z ：= h k 耳+ + 圪 ( 2 - 2 ) 式中：峨为m xn 维观测矩阵；z k 为m 维观测向量； 圪为m 维观测噪声向量， 砭为m 维观测误差，均值为零的白噪声序列，并与国。不相关。 已知初始状态变量统计特性视： e 【) = m o ( 2 - 3 ) e j ( 而一m o ) ( x o - m o ) 7l = 昂 ( 2 - 4 ) 根据上述系统状态量，卡尔曼线性估计递推公式可表示为 丑+ l ，t2 t + l k p k v 2 榭，i + g ( 2 5 ) 墨+ l = 最+ l ，i h r k + i ( 4 + l 最州。h r + 墨+ 1 ) - - 1 ( 2 - 6 ) 最+ l ，“l = ( ，一瓦+ l 巩+ 1 ) 最+ l ，t ( 2 - 7 ) r & + l ，：呶+ l ，t 墨+ ，f ，乙+ 。一匕+ 。一1 - i , + 。西川，筑， (28xklk+ 1 - i , 28 ) & + l ，= 呶+ l ，t 墨+ l i 乙+ l 一匕+ i 一+ l 西川，瓤， i ( - ) 2 3 2 自适应施工控制 现在控制理论的日臻完善促进了自适应施工控制系统，经历了开环控制一 闭环控制一自适应施工控制的三个发展阶段。 一开环控制 通过设计阶段得知的结构荷载( 恒载和活荷载) ，计算出结构的预拱度，在 施工阶段只需按给定预拱度进行施工，既而获得拟合预期目标状态的主梁线形 和结构内力状态，开环控制方法的以此理论依据。 开环控制本质上属于单项和确定性的控制方法，缺点是在施工过程参数识别 和模型修正，对施工反馈信息不予采纳，以此这种方法是根据理论控制参数来 进行施工控制。开环控制的点是施工中的预拱度不需要根据的实际响应来改变 现状，使用比较简便。但是其成功需满足如下以下基本前提： ( 1 )准确对设计阶段各种关键参数的估计： ( 2 )能够准确在仿真分析模型分析出结构施工全过程的实际力学行为： ( 3 )能够把结构关键参数误差中严格控制所允许范围内； 同时满足上述条件，对于大跨度斜拉桥而言是不现实的，所以此方法仅在 一些早期的中小跨度斜拉桥施工控制中得到应用【2 2 2 3 1 。 结构体系复杂的桥梁，其结构参数、施工过程、测试系统等众多因素产生 的误差都可能致使结构状态发生误差，不可能使成桥及各关键施工阶段的达到 理想结构状态。随着施工过程的不断前进，实际施工状态与理论施工状态的误 差不断增大，倘若不加以修正，就会出现大跨度斜拉桥成桥状态不合理甚至危 及其结构安全。因此，对施工过程中产生误差应该及时的进行修正和加以控制 是必要的。施工过程中必然存在实际结构状态和理想状态的偏差，达到完全吻 合不现实，因为实际的斜拉桥施工过程必定是一种误差施工过程。通过采用一 种特定的优化原则方法，能有效的控制施工产生的误差对成桥状态内力、线形 影响及对结构安全不利效应。依据考虑结构状态的误差参数反馈进计算确定修 正误差和施工控制决策，这就是一个闭环反馈施工控制的过程，其相对于开环 来说，闭环反馈的优点是对其产生的误差能及时修正或调整，更加有利于控制 施工过程，决策也更有深度和科学。 9 图2 - 3 开环控制流程 二十世纪八十年代，该方法的随机性的控制方法基本成型，并广泛被各国 采用。我国的铜陵长江大桥、加拿大的a n n a c i d s 桥等都采用了闭环反馈控制。 ：- - - - - 一- 。一一- - - - - - ： 图2 - 4 斜拉桥闭环反馈控制系统 三、自适应控制 闭环反馈控制是一种随机性、被动的施工控制方法，对施工过程中产生的 误差大小及二些具体确定因素进调控。在这个情况下发展了自适应控制方法， 1 0 这种方法是在现代控制理论建立在逐渐完善基础上，并开始应用于斜拉桥的施 工控制。大跨度混凝土预应力斜拉桥的有限元模型中一些主要参数如混凝土的 强度、混凝土的收缩徐变系数、材料的性能参数在施工阶段中其设计理想值在 现实中达不到理论要求，在实际过程中存在一定的差异。为获得较为精确的控 制参数，必须对设计施工阶段的结构实测值进行反馈，修改模型的相对应的参 数值，并使得有限元模型能与实际结构相融合若干施工阶段，满足结构的力学 性质。如在闭环反馈控制上，加入上一阶段的参数识别过程，其系统将发展成 自适应控制系统【l6 1 。图2 5 为自适应控制原理图。 控制量输出i 控制调整量 控制量反馈计算 计算结果 实测结果网 i 输出i ii i 一 图2 - 5 自适应施工控制基本原理及实现过程 当结构模型计算内力或线形的的理论值与实测值的差值不符合要求时，把 误差考虑到参数识别法计算中去修正模型相关参数，使得计算结果和实测值相 符合。通过修改后的模型计算参数以后，反馈控制方法与结构进行控带l j 2 4 2 5 】。 2 4 斜拉桥施工控制的任务和主要内容 斜拉桥作为超静定结构，其施工方案、材料性能、浇筑方法。立模标高以 及张拉索力实际状况等都会影响成桥的线形和内力。总的来讲，施工控制主要 包含以下三个方面：根据既定的施工方案对施工阶段进行理论计算，计算出 各控制参数的理论值。对各种因素所引起理论计算值与实测值不一致的问题 加以调整、控制。完成一个施工阶段后，根据现场测试数据相结合，预