大跨度桥梁施工控制

一.施工控制的目的和必要性 施工控制的目的 使桥梁建成时达到设计确定的 内力状态 线形状态 静定结构——两者完全分离 超静定结构——两者间有联系

一.施工控制的目的和必要性 施工控制的必要性 大跨度桥梁线刚度较低，相对变形较大 大跨度桥梁施工过程复杂，较多体系转换 大跨度桥梁施工步骤较多，材料、结构尺寸、施工操作误差的累计误差较大 斜拉桥设计规范中把施工控制作为实现设计目标的必要措施

二.施工控制的思路 开环施工控制——适用于简单桥梁或非循环式施工桥梁 反馈施工控制——适用于结构参数比较稳定的桥梁 自适应施工控制——适用于循环式施工桥梁 目前尚没有一种算法可直接用于施工控制，控制方法只是一种思路的应用 我们

1.开环施工控制基本原理

2.反馈施工控制基本原理

日本横滨海湾桥控制流程图

3.自适应施工控制基本原理

Sakai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 离散系统方程 控制目标 问题——控制矩阵Pk, k-1 是不断变化的

二.施工控制的思路 开环施工控制 反馈施工控制 自适应施工控制 最优控制 结论： 自适应控制是目前适用于循环施工桥梁最理想的方法，最优控制不适用于桥梁

三.自适应施工控制系统要素

1. 确定理想状态计算方法

确定理想状态的计算方法 确定成桥理想状态 确定施工步骤的控制目标

确定成桥理想状态 内部静定结构——连续梁、拱、吊桥 内部超静定结构——斜拉桥、组合拱 结构尺寸、施工方法确定后内力状态随之唯一确定 同样的结构、同样的施工方法，不同索力（吊杆力）可以获得不同内力状态 最优问题——内力最小、应力最小、弯曲能量最小、材料最省、造价最省 确定性问题——刚性支承连续梁

最优成桥状态确定算法 影响方程 优化目标方程 约束条件

弯矩最小求斜拉桥最优索力 斜索体系是的拉索以未知索力Ti代替；简化后的平面框架结构中，目标函数为： Ti——第i号索力； Mp(s)——恒载作用下的结构弯矩。

确定施工目标的计算方法 倒拆法 考虑施工过程的影响矩阵法 无应力状态法 无法考虑徐变 某些步骤构造上无法实现 适用于混凝土桥，有时迭代不收敛 适用于钢桥的构件预制 不能确定每个施工阶段的状态 需要多次调索

确定施工目标的计算方法 简化做法 施工阶段斜拉索索力等于节段重量的一半加施工机具重量 按照上述索力进行正装模拟计算，局部调整索力 标高按模拟计算结果设预拱度 缺点——施工状态与成桥理想状态脱节

2.施工过程模拟计算

施工过程模拟计算 计算程序——有限元程序 考虑的因素 我国：平面杆系程序 国外：空间计算程序开始应用 模拟施工构件的安装及拆除过程 各种线形预应力钢筋的张拉过程 不同预制龄期、加载龄期下构件的收缩徐变 结构的非线性因素 温度影响

3.最优控制调整量计算

最优控制调整量计算 控制目标——应力、标高 调整手段——索力、预应力、标高 计算思路——优化方法 优化目标——残余误差最小、能量最小、调整的功最小 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 优化目标方程 约束条件

4.计算模型参数估计

计算模型参数估计算法 待估计参数——构件重量、刚度、徐变系数、预应力损失 计算思路——优化方法 测量变量——索力、标高、应力 优化目标——误差最小 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 优化目标方程 约束条件

参数估计方法分类 一类是基于误差最小化的算法，如最小二乘法 一类是基于状态估计理论的算法，如扩展卡尔曼滤波法 存在的问题： 参数的灵敏度不高 测量数据不够

参数估计的变量分离 测量时刻选定 1.挂篮移动定位立模前的时刻； 2.挂篮移动定位立模后的时刻； 3.节段混凝土浇筑前的时刻； 弹性模量 4.节段混凝土浇筑后的时刻； 5.张拉斜拉索前的时刻； 6.张拉斜拉索后的时刻； 弹性模量 混凝土超重 索力误差

5.测量系统

待测量变量 标高—激光束、连通管、GPS、全站仪 垂度—激光束、全站仪 索力—随机振动、磁通量法、光纤光栅 应力—钢弦应力计、光纤光栅

自动测量系统

自适应施工控制系统流程

四.不同类型桥梁控制特点 自适应控制方法、反馈控制方法只适用于有循环的节段施工方法 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： 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 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 调整范围受到混凝土应力的限制 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 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 1．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。 2．及时识别误差产生的原因，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 3．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。 4．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 工程概况

控制目标 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。 每一施工步骤中的误差控制水平： 斜拉索张拉索力与理论预报值的相对误差应控制 在2%以内； 挂篮定位标高与预报标高之差控制在1厘米以内； 斜拉索张拉完后，如梁端测点标高与控制预报标 高之差超过4厘米，需研究调整方案，确定索力调整措施。

测量值和控制措施 观测变量为：标高、索力、塔顶水平位移、主梁及塔身的局部温度场和应力场；混凝土徐变系数和弹性模量测试试验；在悬臂浇筑之前对挂篮进行了现场预压试验。 控制措施：斜拉索的索力及梁段的立模标高。

控制实施 施工初期（0-3#节段） 施工中期（4-12#节段） 施工后期（12#节段以后） 参数估计：自重集度、弹性模量、挂篮刚度 调整预报值：每对斜拉索增加初始索力30吨 施工中期（4-12#节段） 按预报值进行正常施工 施工后期（12#节段以后） 参数估计：自重集度估计 调整预报值：斜拉索索力初始值调回到设计值

控制结果 全桥按照预计的目标合拢； 全桥的线形除少数节点外，所有节点标高与设计线形的误差均在4厘米以内； 除南塔边跨13、14#索因为边跨和中跨发生了 不对称变形，在施工过程中进行了补张拉外，斜拉索均是在节段施工中张拉到位 合拢后只对两根索由于上下游索力有较大差异进行了很小的补张拉。

2.悬臂拼装混凝土斜拉桥 施工特点： 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，余地很小， 全部节段的重量在拼装前可以预先获得， 没有挂篮变形的影响。

悬臂拼装混凝土斜拉桥控制对策 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。 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。 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.大跨度钢斜拉桥 施工特点： 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， 全部节段的重量在拼装前可以预先获得， 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， 钢梁的抗拉、抗压能力均较强。

大跨度钢斜拉桥控制对策 在确定施工控制目标时，一般使用无应力状态法。 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。

大跨度钢斜拉桥控制对策 参数估计的对象对主要是主梁的刚度，需要通过参数估计算法来估计。 在参数估计后应重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。 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.结合梁斜拉桥 施工特点： 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， 全部节段的重量在拼装前可以预先获得， 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， 钢梁的抗拉、抗压能力均较强。

结合梁斜拉桥控制对策 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。 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 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。 在参数估计后应重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。 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。

6.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 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。 两者实施控制的手段不相同。对于混凝土连续梁桥，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 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。 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。

混凝土连续梁桥控制对策 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。

混凝土连续梁桥注意事项 必须在施工前制定好全桥得的施工方案，在执行过程中不能随意改变 施工控制只能控制总体线形，局部线形取决于挂篮的施工误差 必须对已经建好的梁段进行全程测量才能保证参数估计的准确性

7.组合体系拱桥控制特点 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。 施工前对施工过程的充分预计是施工控制成功的关键。 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。

8.悬索桥施工控制特点 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。 正确计算大位移是控制的关键。 施工前对施工过程的充分预计。

悬索桥施工控制特点 计算流程 控制必须考虑的问题 从成桥状态坐标开始计算施工变形 重新计算起始坐标，计算施工变形 反复修改起始坐标，直到成桥达到设计线形 控制必须考虑的问题 大位移影响 水平位移影响 主梁的应力不超限 吊杆长度的准确性 主缆长度准确性

几种桥型施工控制特点比较

五.施工控制中的问题 施工的对策 施工阶段的控制项—— 制订合理的控制目标——设计方案的鲁棒性 主梁线形？ 内力状态？ 线形的鲁棒性 内力的鲁棒性

制订合理的施工阶段控制标准 施工的鲁棒性分析 施工阶段误差对成桥状态的影响 确定施工阶段调整的准则

建立施工控制数据自动测量系统 如何消除温度测量误差？ 如何消除风力对测量的影响？ 比较可靠的索力测量方法

充分考虑结构的非线性因素 几何非线性是主要因素 大位移 索的垂度 材料非线性是次要因素

集测量、分析、控制指令与一体的计算机控制系统 系统的集成 系统的可视化