大跨桥梁施工控制

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1、大跨度桥梁施工控制使桥梁建成时达到设计确定的使桥梁建成时达到设计确定的内力状态内力状态 线形状态线形状态一.施工控制的目的和必要性b施工控制的目的一.施工控制的目的和必要性b施工控制的必要性二.施工控制的思路b开环施工控制适用于简单桥梁或非循环式施工桥梁b反馈施工控制适用于结构参数比较稳定的桥梁b自适应施工控制适用于循环式施工桥梁b最优控制目前尚不适用于施工控制1.开环施工控制基本原理实际结构设计中确定的施工工序施工结果开环控制基本原理有限元计算模型实际结构控制量反馈计算设计中确定的施工工序理想状态e结构状态控制调整量反馈控制基本原理施工结果输出2.反馈施工控制基本原理 是 否 需 要 调 整

2、审 查 荷 载 分 布设 置 控 制 目 标 值控 制 项 的 测 量确 定 和 计 算 误 差 值最 优 楔 片 调 整 量 计 算楔 片 调 整日本横滨海湾桥控制流程图3.自适应施工控制基本原理有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入为施工总阶段数MyesnoK=K+1noyes结构架设分析误差因素对结果误差的影响确定精度允许值rd 误差调整KM 全桥建成计算结果误差rk架设过程最小二乘法或卡尔曼滤波理论随机有限元法最优控制理论精度满足要求以后各工况 预测误差因素对以后工况的

3、影响测量值Ym 辨识误差因素选择测量项目调查在设计，制造，架设过程中的随机误差因素设计与制造过程第K架设工况计算每个工况的设计线型和应力值YdSakai提出的斜拉桥施工控制系统流程4.最优控制理论应用的问题11111 kkkkkkkkWUPxx， kkkkVXHZ v离散系统方程 NjjVjTjixjTjNuWuxWxEV1111)(21v控制目标v问题控制矩阵Pk, k-1 是不断变化的二.施工控制的思路b开环施工控制b反馈施工控制b自适应施工控制b最优控制三.自适应施工控制系统要素有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制

4、基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入1. 确定理想状态计算方法有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入确定理想状态的计算方法b确定成桥理想状态b确定施工步骤的控制目标确定成桥理想状态b内部静定结构连续梁、拱、吊桥 结构尺寸、施工方法确定后内力状态随之唯一确定最优成桥状态确定算法影响方程(S) ZA索力向量待优化变量影响函数约束条件)21(maxrissii，)21(maxrizzii，A(S) min (Z) minffJ待优化变量优化目标优化目标函数优化目标方程弯矩最

5、小求斜拉桥最优索力b斜索体系是的拉索以未知索力 代替；简化后的平面框架结构中，目标函数为： SnipiidssMsMTJ12)()(bTi第i号索力；b Ti=1时的结构弯矩；bMp(s)恒载作用下的结构弯矩。)(sMi杆系有限元程序中的处理方法b杆端力影响矩阵ML=MLo+CLTMR=MRo+CRT其中：ML、MR分别是单元在左、右端杆端力向量MLo、MRo由初始索力引起的杆端力向量T是待求的索力修正量CL、CR就是T对ML，MR的影响矩阵 确定施工目标的计算方法b倒拆法 无法考虑徐变 某些步骤构造上无法实现确定施工目标的计算方法b简化做法2.施工过程模拟计算有限元计算模型实际结构计算结果e

6、实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入施工过程模拟计算b计算程序有限元程序 我国：平面杆系程序 国外：空间计算程序开始应用3.最优控制调整量计算有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数估计算法修改理想状态+-控制量输入最优控制调整量计算b控制目标应力、标高b调整手段索力、预应力、标高b计算思路优化方法b优化目标残余误差最小、能量最小、调整的功最小b约束条件调整必须在材料强度允许范围内、残余误差在允许范围内优化计算原理影响方程(S

7、) ZA调整措施受控变量调整影响函数约束条件)21(maxrissii，)21(maxrizzii，A(S) min (Z) minffJ受控变量优化目标优化目标函数优化目标方程线性优化方法影响方程i1iijSgY Ni1iiSdT Nl优化目标方程i1iiS Njjgy GSdi1ii Nllt ,maxlj 非线性优化方法影响方程i1iijSgY N优化目标方程索索力力调调整整的的功功min U约束条件位移残差最小位移残差最小索力残差最小索力残差最小4.计算模型参数估计有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理参数

8、估计算法修改理想状态+-控制量输入计算模型参数估计算法b待估计参数构件重量、刚度、徐变系数、预应力损失b计算思路优化方法b测量变量索力、标高、应力b优化目标误差最小b约束条件参数在物理常识范围内参数估计计算原理影响方程(S) ZA待估计参数可测量变量调整影响函数A(S)-Z min Z)-Z( minffJ预计测量值优化目标优化目标函数实际测量值优化目标方程约束条件)21(maxrissii，参数估计方法分类参数估计的变量分离b测量时刻选定弹性模量混凝土超重索力误差5.测量系统有限元计算模型实际结构计算结果e实测结果参数调节控制量反馈计算施工理想状态施工结果输出控制调整量自适应施工控制基本原理

9、参数估计算法修改理想状态+-控制量输入待测量变量b标高激光束、连通管、b垂度激光束b索力随机振动法b应力钢弦应力计自动测量系统自适应施工控制系统流程 yes no yes no yes no测量值计算值允许误差将来的应力允许应力新目标下的计算值测量值新计算值允许误差设计参数的误差识辨施工阶段模拟计算索力和模板标高调整控制数据处理模块测量数据库计算数据库新参数下的计算值已建成索的索力调整根据新目标预报索力及标高未施工节段的新目标值参数识别模块模拟计算模块调整量计算模块预报索力标高预报索力标高预报索力标高斜拉桥自适应施工控制系统流程四.不同类型桥梁控制特点b自适应控制方法、反馈控制方法只适用于有循

10、环的节段施工方法b即使采用节段施工，不同桥型也有不同特点，必须采用不同的对策1.悬臂浇筑混凝土斜拉桥施工特点：b结构参数的准确性较差，而且要等到节段施工完成后才能确定b主梁的刚度较大，节段的局部变形很小，索力调整对局部线形的调整作用很小b调整范围受到混凝土应力的限制b挂篮刚度对局部变形有较大影响，长挂篮在混凝土浇筑节段参与结构受力b未施工节段的立模标高可以任意确定，与已浇筑梁段无关悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制对策b1对于已建成梁段的线形误差在一定程度上可以通过斜拉索索力的调整来纠正，但是，由于主梁刚度较大，不可能通过索力调整纠正所有误差。残余的误差可以通过下一节段的立模标高来调整。b2及时识别误差

11、产生的原因，估计计算程序参数的实际值，主要是混凝土的弹性模量、材料的比重、徐变系数等，重新计算未浇筑梁段的预拱度，修改施工阶段索力及相应的标高目标值，避免出现新的误差。悬臂浇筑混凝土斜拉桥控制对策b3由于立模标高可以随时调整，索力值应该作为控制的依据，某节段标高只要控制在允许范围之内即可认为满足要求。如果索力到达设计值时标高同时达到预计值，说明计算模型与实际结构是吻合的，否则，说明两者之间存在差异，必须对参数进行重新估计。b4挂篮刚度只影响正在浇筑的梁段标高，但由此引起的误差将永远存在于主梁线形中，必须考虑钢筋骨架对挂篮刚度的影响。自适应控制思路在瓯江二桥施工控制中的应用b工程概况工况说 明工

12、况说 明1 桩、墩、塔、0 # 块施工完毕116 移动挂蓝2 张拉纵向预应力筋14# 117 15#斜拉索第1 次张拉塔3 第1 次 支架浇筑1 # 节段节118 浇筑1 5 #节 段 混凝土前1 / 2及4 张拉纵向预应力筋段119 15#斜拉索第2 次张拉0#5 第2 次 支架浇筑1 # 节段施120 浇筑1 5 #节 段 混凝土后1 / 2块6 张拉纵向预应力筋工121 张拉纵向预应力筋施7 第3 次 支架浇筑1 # 节段122 换单元，转移锚点工8 张拉纵向预应力筋123 15#斜拉索最终张拉9 浇筑上塔柱混凝土124 移动挂蓝10 拆临时支撑边125 浇筑1 5 A#节 段 混凝土1

13、1 1#斜拉索张拉跨126 张拉预应力筋12 移动挂蓝合127 中跨挂篮退3 米2#13 2#斜拉索第1 次张拉拢128 边跨合拢节14 浇筑2 # 节 段 混凝土前1 / 2129 张拉边跨后期预应力束段15 2#斜拉索第2 次张拉130 边跨压重施16 浇筑2 # 节 段 混凝土后1 / 2中131 拆多余三个挂篮工17 张拉纵向预应力筋跨132 中跨压重18 换单元，转移锚点合133 去除压重，合拢段参加工作19 2#斜拉索最终张拉拢134 张拉合拢段预应力束135 拆除合拢挂篮3#至1 5#按2 #节 段施工步骤循环136 安装0 # 垂 直 索、拆除临时锚固节段施工137 桥面铺装、

14、后期装饰施工138 通车后三年 瓯江二桥施工控制模拟计算工况瓯江二桥计算工况表控制目标b控制的最终目标是：使成桥后的线形与设计线形所有各点的误差均控制在4厘米范围之内， 且斜拉索索力与设计值的误差控制在5%范围之内。b每一施工步骤中的误差控制水平：测量值和控制措施挂篮主梁惯矩（ m4） 参数项目自重集度t/m弹性模量MPa向上向下浇一半砼初值2.55330000.2710.2710.271人工估计2.65300000.20.2711.0计算值2.73421000.180.2530.842.悬臂拼装混凝土斜拉桥施工特点：b主梁每个节段的定位标高受到预制线形的限制，只能通过接缝间的契块调节，余地很

15、小，b全部节段的重量在拼装前可以预先获得，b没有挂篮变形的影响。悬臂拼装混凝土斜拉桥控制对策b由于定位标高可调余地较小，拼装阶段的线形应该作为控制的主要依据，如果标高到达设计值时索力同时达到预计值，说明计算模型与实际结构是吻合的，否则，说明两者之间存在差异，必须对参数进行重新估计。b参数估计的对象主要是主梁的刚度及徐变系数，在估计后重新确定每阶段的张拉索力。b由于没有挂篮刚度及节段重量误差，每节段吊装完成时，标高误差较小，可以通过索力调整来纠正。3.结合梁斜拉桥施工特点：b主梁的线形在钢梁预拼装阶段已经完全确定，现场拼装时节段之间相对位置几乎没有调整的余地，b全部节段的重量在拼装前可以预先获得

16、，b拼装阶段钢梁刚度很小，索力及荷载对标高的影响非常明显，b钢梁的抗拉、抗压能力均较强。结合梁斜拉桥控制对策b在确定施工控制目标时，应充分利用钢梁的抗弯能力使混凝土桥面板承担较大压应力。b由于梁段间相对位置不能调整，某一梁段的误差除影响本节段外，误差的趋势还将影响以后的梁段，因此，拼装阶段的线形是控制的主要目标，必须在下一节段拼装前通过斜拉索索力的调整来纠正已建成梁段的线形误差，而将索力控制在一定误差范围内。结合梁斜拉桥控制对策b参数估计的对象对主要是主梁的刚度，特别是已安装好桥面板但尚未形成结合梁的梁段，此时的刚度实际上是处于裸钢梁与结合梁之间，需要通过参数估计算法来估计。b在参数估计后应重

17、新确定每阶段的张拉索力，如果不进行修正，则在以后每个阶段施工完成时索力与标高均不能同时达到控制目标，从而每次均需要标高调整，这将大大增加施工调索工作量。b由于线形的主要靠索力调整来保证，但是索力调整必须在梁体强度允许的范围之内，因此，必须分析索力误差对主梁应力的影响，确保施工应力控制在允许范围之内。4.悬臂施工混凝土连续梁桥连续梁线形控制与斜拉桥施工控制不同之处b两者的控制目标不完全相同。混凝土连续梁桥由于在悬臂施工阶段是静定结构，合拢过程中如不施加额外的压重，成桥后内力状态一般不会偏离设计值很多，因此连续梁桥施工控制的主要目标是控制主梁的线形。b两者实施控制的手段不相同。对于混凝土连续梁桥，

18、已施工梁段上出现误差时，只能通过张拉预备预应力束调整，而这一调整量是非常有限的，因此，一旦出现线形误差，误差将永远存在，只能通过立模标高消除已施工梁段的残余误差，有时调整需经过几个梁段才能完成。混凝土连续梁桥控制对策b参数估计及对计算模型的修正特别重要，只有与实际施工过程相吻合的计算模型计算出的预报标高才是可实现的，施工结果的误差才能减小。b在进行施工模拟计算时必须充分考虑各种施工因素，特别要正确计算主梁的轴线坐标，同时计算中要计入竖曲线的影响。b由于没有高效的调整措施，必须合理制定施工步骤，使每个步骤的变形量减小，这样即使某个施工步骤产生误差，该误差在总体变形中所占比例就较小。肇庆大桥施工控

19、制 实例b桥梁概况肇庆大桥施工控制 实例b控制思路 自适应控制5.组合体系拱桥控制特点b在施工过程中循环性的工序相当少，且对已施工结构进行调整的措施不多，只能采用开环控制。b施工前对施工过程的充分预计是施工控制成功的关键。b在设计阶段应该对各种施工误差对成桥结果的影响进行分析，制定合适的施工精度要求。几种桥型施工控制特点比较桥梁类型控制思路成桥理想目标施工阶段目标直接受控变量间接受控变量待估计参数理想状态修正内容误差纠正措施悬浇混凝土桥自适应内力及线形内力及线形内力为主线形刚度、自重、徐变系数、挂篮刚度成桥索力、 施工标高及索力索力、立模标高悬拼混凝土桥自适应内力及线形内力及线形内力及线形刚度、徐变系数成桥索力、 施工标高及索力索力、契片钢或结合梁反馈或自适应内力及线形内力及线形线形为主内力结合梁及裸梁刚度成桥、 施工索力索力连续梁自适应内力及线形内力及线形线形刚度、自重、徐变系数、挂篮刚度成桥内力、 施工标高组合拱桥开环内力及线形内力及线形线形五.施工控制中待解决的问题b建立施工控制数据自动测量系统b施工误差对成桥结果误差的影响分析b温度对施工测量数据的影响分析b集测量、分析、控制指令与一体的计算机控制系统