橋梁施工控制

1、大跨度橋梁施工控制,同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系二○○一年五月,靜定結(jié)構(gòu)——兩者完全分離超靜定結(jié)構(gòu)——兩者間有聯(lián)系,一.施工控制的目的和必要性,施工控制的目的,一.施工控制的目的和必要性,施工控制的必要性大跨度橋梁線剛度較低，相對(duì)變形較大大跨度橋梁施工過程復(fù)雜，較多體系轉(zhuǎn)換大跨度橋梁施工步驟較多，材料、結(jié)構(gòu)尺寸、施工操作誤差的累計(jì)誤差較大斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范中把施工控制作為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的必要措施,二.施工控制的思路,開環(huán)施工控制——適用于

2、簡單橋梁或非循環(huán)式施工橋梁反饋施工控制——適用于結(jié)構(gòu)參數(shù)比較穩(wěn)定的橋梁自適應(yīng)施工控制——適用于循環(huán)式施工橋梁最優(yōu)控制——目前尚不適用于施工控制,1.開環(huán)施工控制基本原理,2.反饋施工控制基本原理,日本橫濱海灣橋控制流程圖,3.自適應(yīng)施工控制基本原理,Sakai提出的斜拉橋施工控制系統(tǒng)流程,4.最優(yōu)控制理論應(yīng)用的問題,離散系統(tǒng)方程,控制目標(biāo),問題——控制矩陣Pk, k-1 是不斷變化的系統(tǒng)的維數(shù)也在變,二.施工控制的思路,開環(huán)施工

3、控制反饋施工控制自適應(yīng)施工控制最優(yōu)控制,結(jié)論： 自適應(yīng)控制是目前適用于循環(huán)施工橋梁最理想的方法，最優(yōu)控制不適用于橋梁,三.自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)要素,1. 確定理想狀態(tài)計(jì)算方法,確定理想狀態(tài)的計(jì)算方法,確定成橋理想狀態(tài)確定施工步驟的控制目標(biāo),確定成橋理想狀態(tài),內(nèi)部靜定結(jié)構(gòu)——連續(xù)梁、拱、吊橋結(jié)構(gòu)尺寸、施工方法確定后內(nèi)力狀態(tài)隨之唯一確定內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)——斜拉橋、組合拱同樣的結(jié)構(gòu)、同樣的施工方法，不同索力（吊桿力）可以獲得不同

4、內(nèi)力狀態(tài)最優(yōu)問題——內(nèi)力最小、應(yīng)力最小、彎曲能量最小、材料最省、造價(jià)最省確定性問題——?jiǎng)傂灾С羞B續(xù)梁,最優(yōu)成橋狀態(tài)確定算法,影響方程,約束條件,優(yōu)化目標(biāo)方程,彎矩最小求斜拉橋最優(yōu)索力,斜索體系是的拉索以未知索力Ti代替；簡化后的平面框架結(jié)構(gòu)中，目標(biāo)函數(shù)為：,Ti——第i號(hào)索力； ——Ti=1時(shí)的結(jié)構(gòu)彎矩；Mp(s)——恒載作用下的結(jié)構(gòu)彎矩。,桿系有限元程序中的處理方法,桿端力影響矩陣{ML}={MLo}+[

5、CL]{T}{MR}={MRo}+[CR]{T}其中：{ML}、{MR}分別是單元在左、右端桿端力向量{MLo}、{MRo}由初始索力引起的桿端力向量{T}是待求的索力修正量[CL]、[CR]就是{T}對(duì){ML}，{MR}的影響矩陣,確定施工目標(biāo)的計(jì)算方法,倒拆法無法考慮徐變某些步驟構(gòu)造上無法實(shí)現(xiàn)倒拆、正裝綜合法疊代不一定能收斂無應(yīng)力狀態(tài)法適用于鋼橋的構(gòu)件預(yù)制不能確定每個(gè)施工階段的狀態(tài)需要多次調(diào)索,確定施工目

6、標(biāo)的計(jì)算方法,簡化做法施工階段斜拉索索力等于節(jié)段重量的一半加施工機(jī)具重量按照上述索力進(jìn)行正裝模擬計(jì)算，局部調(diào)整索力標(biāo)高按模擬計(jì)算結(jié)果設(shè)預(yù)拱度缺點(diǎn)——施工狀態(tài)與成橋理想狀態(tài)脫節(jié),2.施工過程模擬計(jì)算,施工過程模擬計(jì)算,計(jì)算程序——有限元程序我國：平面桿系程序國外：空間計(jì)算程序開始應(yīng)用考慮的因素模擬施工構(gòu)件的安裝及拆除過程各種線形預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉過程不同預(yù)制齡期、加載齡期下構(gòu)件的收縮徐變結(jié)構(gòu)的非線性因素溫度影響,3.

7、最優(yōu)控制調(diào)整量計(jì)算,最優(yōu)控制調(diào)整量計(jì)算,控制目標(biāo)——應(yīng)力、標(biāo)高調(diào)整手段——索力、預(yù)應(yīng)力、標(biāo)高計(jì)算思路——優(yōu)化方法優(yōu)化目標(biāo)——?dú)堄嗾`差最小、能量最小、調(diào)整的功最小約束條件——調(diào)整必須在材料強(qiáng)度允許范圍內(nèi)、殘余誤差在允許范圍內(nèi),優(yōu)化計(jì)算原理,影響方程,約束條件,優(yōu)化目標(biāo)方程,線性優(yōu)化方法,影響方程,優(yōu)化目標(biāo)方程,非線性優(yōu)化方法,影響方程,優(yōu)化目標(biāo)方程,約束條件位移殘差最小索力殘差最小,4.計(jì)算模型參數(shù)估計(jì),計(jì)算模型參數(shù)估計(jì)算

8、法,待估計(jì)參數(shù)——構(gòu)件重量、剛度、徐變系數(shù)、預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算思路——優(yōu)化方法測(cè)量變量——索力、標(biāo)高、應(yīng)力優(yōu)化目標(biāo)——誤差最小約束條件——參數(shù)在物理常識(shí)范圍內(nèi),參數(shù)估計(jì)計(jì)算原理,影響方程,優(yōu)化目標(biāo)方程,約束條件,參數(shù)估計(jì)方法分類,一類是基于誤差最小化的算法，如最小二乘法一類是基于狀態(tài)估計(jì)理論的算法，如擴(kuò)展卡爾曼濾波法存在的問題：參數(shù)的靈敏度不高測(cè)量數(shù)據(jù)不夠,參數(shù)估計(jì)的變量分離,測(cè)量時(shí)刻選定1.掛籃移動(dòng)定位立模前的時(shí)刻；2

9、.掛籃移動(dòng)定位立模后的時(shí)刻；3.節(jié)段混凝土澆筑前的時(shí)刻；4.節(jié)段混凝土澆筑后的時(shí)刻；5.張拉斜拉索前的時(shí)刻；6.張拉斜拉索后的時(shí)刻；,彈性模量,混凝土超重,索力誤差,5.測(cè)量系統(tǒng),待測(cè)量變量,標(biāo)高——激光束、連通管、垂度——激光束索力——隨機(jī)振動(dòng)法應(yīng)力——鋼弦應(yīng)力計(jì),自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)流程,四.不同類型橋梁控制特點(diǎn),自適應(yīng)控制方法、反饋控制方法只適用于有循環(huán)的節(jié)段施工方法即使采用節(jié)段施工，不同橋型也有不同特

10、點(diǎn)，必須采用不同的對(duì)策,1.懸臂澆筑混凝土斜拉橋,施工特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確性較差，而且要等到節(jié)段施工完成后才能確定主梁的剛度較大，節(jié)段的局部變形很小，索力調(diào)整對(duì)局部線形的調(diào)整作用很小調(diào)整范圍受到混凝土應(yīng)力的限制掛籃剛度對(duì)局部變形有較大影響，長掛籃在混凝土澆筑節(jié)段參與結(jié)構(gòu)受力未施工節(jié)段的立模標(biāo)高可以任意確定，與已澆筑梁段無關(guān),懸臂澆筑混凝土斜拉橋控制對(duì)策,1．對(duì)于已建成梁段的線形誤差在一定程度上可以通過斜拉索索力的調(diào)整來糾正，但

11、是，由于主梁剛度較大，不可能通過索力調(diào)整糾正所有誤差。殘余的誤差可以通過下一節(jié)段的立模標(biāo)高來調(diào)整。2．及時(shí)識(shí)別誤差產(chǎn)生的原因，估計(jì)計(jì)算程序參數(shù)的實(shí)際值，主要是混凝土的彈性模量、材料的比重、徐變系數(shù)等，重新計(jì)算未澆筑梁段的預(yù)拱度，修改施工階段索力及相應(yīng)的標(biāo)高目標(biāo)值，避免出現(xiàn)新的誤差。,懸臂澆筑混凝土斜拉橋控制對(duì)策,3．由于立模標(biāo)高可以隨時(shí)調(diào)整，索力值應(yīng)該作為控制的依據(jù)，某節(jié)段標(biāo)高只要控制在允許范圍之內(nèi)即可認(rèn)為滿足要求。如果索力到達(dá)設(shè)計(jì)值

12、時(shí)標(biāo)高同時(shí)達(dá)到預(yù)計(jì)值，說明計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)是吻合的，否則，說明兩者之間存在差異，必須對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新估計(jì)。4．掛籃剛度只影響正在澆筑的梁段標(biāo)高，但由此引起的誤差將永遠(yuǎn)存在于主梁線形中，必須考慮鋼筋骨架對(duì)掛籃剛度的影響。,,自適應(yīng)控制思路在甌江二橋施工控制中的應(yīng)用,工程概況,甌江二橋計(jì)算工況表,控制目標(biāo),控制的最終目標(biāo)是：使成橋后的線形與設(shè)計(jì)線形所有各點(diǎn)的誤差均控制在4厘米范圍之內(nèi)， 且斜拉索索力與設(shè)計(jì)值的誤差控制在5%范圍之內(nèi)。每

13、一施工步驟中的誤差控制水平：斜拉索張拉索力與理論預(yù)報(bào)值的相對(duì)誤差應(yīng)控制 在2%以內(nèi)；掛籃定位標(biāo)高與預(yù)報(bào)標(biāo)高之差控制在1厘米以內(nèi)；斜拉索張拉完后，如梁端測(cè)點(diǎn)標(biāo)高與控制預(yù)報(bào)標(biāo) 高之差超過4厘米，需研究調(diào)整方案，確定索力調(diào)整措施。,觀測(cè)變量為：標(biāo)高、索力、塔頂水平位移、主梁及塔身的局部溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；混凝土徐變系數(shù)和彈性模量測(cè)試試驗(yàn)；在懸臂澆筑之前對(duì)掛籃進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓試驗(yàn)。控制措施：斜拉索的索力及梁段的立模標(biāo)高。,測(cè)量值和控制措施,控

14、制實(shí)施施工初期（0-3#節(jié)段）參數(shù)估計(jì)：自重集度、彈性模量、掛籃剛度調(diào)整預(yù)報(bào)值：每對(duì)斜拉索增加初始索力30噸,施工中期（4-12#節(jié)段）按預(yù)報(bào)值進(jìn)行正常施工,施工后期（12#節(jié)段以后）參數(shù)估計(jì)：自重集度估計(jì)調(diào)整預(yù)報(bào)值：斜拉索索力初始值調(diào)回到設(shè)計(jì)值,控制結(jié)果全橋按照預(yù)計(jì)的目標(biāo)合攏；全橋的線形除少數(shù)節(jié)點(diǎn)外，所有節(jié)點(diǎn)標(biāo)高與設(shè)計(jì)線形的誤差均在4厘米以內(nèi)；除南塔邊跨13、14#索因?yàn)檫吙绾椭锌绨l(fā)生了 不對(duì)稱變形，在施工過程中進(jìn)行

15、了補(bǔ)張拉外，斜拉索均是在節(jié)段施工中張拉到位合攏后只對(duì)兩根索由于上下游索力有較大差異進(jìn)行了很小的補(bǔ)張拉。,2.懸臂拼裝混凝土斜拉橋,施工特點(diǎn)：主梁每個(gè)節(jié)段的定位標(biāo)高受到預(yù)制線形的限制，只能通過接縫間的契塊調(diào)節(jié)，余地很小，全部節(jié)段的重量在拼裝前可以預(yù)先獲得，沒有掛籃變形的影響。,懸臂拼裝混凝土斜拉橋控制對(duì)策,由于定位標(biāo)高可調(diào)余地較小，拼裝階段的線形應(yīng)該作為控制的主要依據(jù)，如果標(biāo)高到達(dá)設(shè)計(jì)值時(shí)索力同時(shí)達(dá)到預(yù)計(jì)值，說明計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)

16、是吻合的，否則，說明兩者之間存在差異，必須對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新估計(jì)。參數(shù)估計(jì)的對(duì)象主要是主梁的剛度及徐變系數(shù)，在估計(jì)后重新確定每階段的張拉索力。由于沒有掛籃剛度及節(jié)段重量誤差，每節(jié)段吊裝完成時(shí)，標(biāo)高誤差較小，可以通過索力調(diào)整來糾正。,3.結(jié)合梁斜拉橋,施工特點(diǎn)：主梁的線形在鋼梁預(yù)拼裝階段已經(jīng)完全確定，現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)節(jié)段之間相對(duì)位置幾乎沒有調(diào)整的余地，全部節(jié)段的重量在拼裝前可以預(yù)先獲得，拼裝階段鋼梁剛度很小，索力及荷載對(duì)標(biāo)高的影響非常明顯

17、，鋼梁的抗拉、抗壓能力均較強(qiáng)。,結(jié)合梁斜拉橋控制對(duì)策,在確定施工控制目標(biāo)時(shí)，應(yīng)充分利用鋼梁的抗彎能力使混凝土橋面板承擔(dān)較大壓應(yīng)力。由于梁段間相對(duì)位置不能調(diào)整，某一梁段的誤差除影響本節(jié)段外，誤差的趨勢(shì)還將影響以后的梁段，因此，拼裝階段的線形是控制的主要目標(biāo)，必須在下一節(jié)段拼裝前通過斜拉索索力的調(diào)整來糾正已建成梁段的線形誤差，而將索力控制在一定誤差范圍內(nèi)。,結(jié)合梁斜拉橋控制對(duì)策,參數(shù)估計(jì)的對(duì)象對(duì)主要是主梁的剛度，特別是已安裝好橋面板但尚

18、未形成結(jié)合梁的梁段，此時(shí)的剛度實(shí)際上是處于裸鋼梁與結(jié)合梁之間，需要通過參數(shù)估計(jì)算法來估計(jì)。在參數(shù)估計(jì)后應(yīng)重新確定每階段的張拉索力，如果不進(jìn)行修正，則在以后每個(gè)階段施工完成時(shí)索力與標(biāo)高均不能同時(shí)達(dá)到控制目標(biāo)，從而每次均需要標(biāo)高調(diào)整，這將大大增加施工調(diào)索工作量。由于線形的主要靠索力調(diào)整來保證，但是索力調(diào)整必須在梁體強(qiáng)度允許的范圍之內(nèi)，因此，必須分析索力誤差對(duì)主梁應(yīng)力的影響，確保施工應(yīng)力控制在允許范圍之內(nèi)。,4.懸臂施工混凝土連續(xù)梁橋,連

19、續(xù)梁線形控制與斜拉橋施工控制不同之處兩者的控制目標(biāo)不完全相同?；炷吝B續(xù)梁橋由于在懸臂施工階段是靜定結(jié)構(gòu)，合攏過程中如不施加額外的壓重，成橋后內(nèi)力狀態(tài)一般不會(huì)偏離設(shè)計(jì)值很多，因此連續(xù)梁橋施工控制的主要目標(biāo)是控制主梁的線形。兩者實(shí)施控制的手段不相同。對(duì)于混凝土連續(xù)梁橋，已施工梁段上出現(xiàn)誤差時(shí)，只能通過張拉預(yù)備預(yù)應(yīng)力束調(diào)整，而這一調(diào)整量是非常有限的，因此，一旦出現(xiàn)線形誤差，誤差將永遠(yuǎn)存在，只能通過立模標(biāo)高消除已施工梁段的殘余誤差，有時(shí)調(diào)

20、整需經(jīng)過幾個(gè)梁段才能完成。,混凝土連續(xù)梁橋控制對(duì)策,參數(shù)估計(jì)及對(duì)計(jì)算模型的修正特別重要，只有與實(shí)際施工過程相吻合的計(jì)算模型計(jì)算出的預(yù)報(bào)標(biāo)高才是可實(shí)現(xiàn)的，施工結(jié)果的誤差才能減小。在進(jìn)行施工模擬計(jì)算時(shí)必須充分考慮各種施工因素，特別要正確計(jì)算主梁的軸線坐標(biāo)，同時(shí)計(jì)算中要計(jì)入豎曲線的影響。由于沒有高效的調(diào)整措施，必須合理制定施工步驟，使每個(gè)步驟的變形量減小，這樣即使某個(gè)施工步驟產(chǎn)生誤差，該誤差在總體變形中所占比例就較小。,肇慶大橋施工控制

21、實(shí)例,橋梁概況87+4X136+87 米六跨連續(xù)梁橋?qū)挘?7米截面：單箱單室大懸臂箱梁橫隔板：只在墩頂設(shè)二道橫隔板墩高：27~34米支座：大噸位盆式橡膠支座,肇慶大橋施工控制 實(shí)例,控制思路自適應(yīng)控制參數(shù)選擇自重集度彈性模量預(yù)應(yīng)力效應(yīng)系數(shù),5.組合體系拱橋控制特點(diǎn),在施工過程中循環(huán)性的工序相當(dāng)少，且對(duì)已施工結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的措施不多，只能采用開環(huán)控制。施工前對(duì)施工過程的充分預(yù)計(jì)是施工控制成功的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該