1、2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞2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 线形状态线形状态施工控制的目的监测结构的安全性，保证施工精度监测结构的安全性，保证施工精度2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞3l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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞4l理论计算确定控制目标成桥时的理想控制目标值每个施工步骤中的分步控制目标值 成桥及施工过程中各目
2、标值的精度标准 l施工现场跟踪实际操作保证目标的实现获得结构行为的实测值 对实际结构进行调整 调整施工阶段控制目标值 2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞5成桥理想状态施工控制目标值误差标准施工和结构状态监测是否误差满足误差标准误差原因辨识调整结构状态后续施工步骤调整施工控制目标2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞6l开环施工控制适用于简单桥梁或非循环式施工桥梁l反馈施工控制适用于结构参数比较稳定的桥梁l自适应施工控制适用于循环式施工桥梁l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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞7实际结构设计中确定的施工工序施
3、工结果开环控制基本原理2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞8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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞9 是 否 需 要 调 整审 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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞10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
4、入2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞11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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞1211111 kkkkkkkkWUPxx，kkkkVXHZ l离散系统方程 N
5、jjVjTjixjTjNuWuxWxEV1111)(21Pk,k-1 2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞13l开环施工控制l反馈施工控制l自适应施工控制l最优控制2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞14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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞15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2023-5-26同
6、济大学桥梁工程系 石雪飞16l计算程序有限元方法我国：平面杆系程序国外：空间计算程序开始应用l考虑的因素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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞17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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞18l确定成桥理想状态l确定施工步骤的控制目标2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞19l内部静定结构连续梁、拱、吊桥结构尺
7、寸、施工方法确定后内力状态随之唯一确定l内部超静定结构斜拉桥、组合拱同样的结构、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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞20(S)ZA索力向量待优化变量影响函数)21(maxrissii，)21(maxrizzii，A(S)min(Z)minffJ待优化变量优化目标优化目标函数2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞21l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：SnipiidssMsMTJ12)()(Ti第i号索力；T
8、i=1时的结构弯矩；Mp(s)恒载作用下的结构弯矩。)(sMi2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞22l倒拆法l无法考虑徐变l某些步骤构造上无法实现l考虑施工过程的影响矩阵法l适用于混凝土桥，有时迭代不收敛l无应力状态法l适用于钢桥的构件预制l不能确定每个施工阶段的状态l需要多次调索2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞23l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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞24l成桥线形l空缆线形l计算起始线形l由于大变形几何非线
9、性，只能正装叠代2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞25l随机误差传递法 l可靠度反问题方法 l目前状态：经验法2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞26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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞27l控制目标应力、标高l调整手段索力、预应力、标高l计算思路优化方法l优化目标残余误差最小、能量最小、调整的功最小l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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞28(S)Z
10、A调整措施受控变量调整影响函数)21(maxrissii，)21(maxrizzii，A(S)min(Z)minffJ受控变量优化目标优化目标函数2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞29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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞30l待估计参数构件重量、刚度、徐变系数、预应力损失l计算思路优化方法l测量变量索力、标高、应力l优化目标误差最小l约束条件参数在物理常识范围内2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞31(S)ZA待估
11、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)21(maxrissii，2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞32l一类是基于误差最小化的算法，如一类是基于误差最小化的算法，如最小二乘法最小二乘法l一类是基于状态估计理论的算法，一类是基于状态估计理论的算法，如扩展卡尔曼滤波法如扩展卡尔曼滤波法l存在的问题：存在的问题：参数的灵敏度不高参数的灵敏度不高测量数据不够测量数据不够2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞33l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；
12、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；2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞34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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞35l标高激光束、连通管、GPS、全站仪l垂度激光束、全站仪l索力随机振动、磁通量法、光纤光栅l应力钢弦应变计、差阻应变计、光纤光栅2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞362023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞37自适应施工控制系统流程 yes no yes n
13、o 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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞38l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l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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞39施工特点：l结构参数的准确
14、性较差，而且要等到节段施工完成后才能确定l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l调整范围受到混凝土应力的限制l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l未施工节段的立模标高可以任意确定，与已浇筑梁段无关2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞40l立模标高设计成桥位置施工中的位移累计值（反向）l1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。l2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
15、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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞41l3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。l4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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞42l工程概况2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪
16、飞43工况说 明工况说 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11 1#斜拉
17、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、后期装饰施工138 通车后三年 瓯
18、江二桥施工控制模拟计算工况2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞44l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。l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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞452023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞46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
19、值2.55330000.2710.2710.271人工估计2.65300000.20.2711.0计算值2.73421000.180.2530.842023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞472023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞48施工特点：l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，l全部节段的重量在拼装前可以预先获得，l没有挂篮变形的影响。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞49l各节段预制长度由无应力状态法确定，索力由施工阶段内力状态不超标确定。l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
20、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。l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。l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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞50施工特点：l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，l全部节段的重量在拼装前可以预先获得，l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，l钢梁的抗拉、抗压能力均较强。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞51l在确定施工
21、控制目标时，一般使用无应力状态法。l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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞52l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。l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。l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
22、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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞53施工特点：l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，l全部节段的重量在拼装前可以预先获得，l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，l钢梁的抗拉、抗压能力均较强。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞54l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。l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
23、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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞55l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。l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。l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
24、施工应力控制在允许范围之内。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞56连续梁线形控制与斜拉桥施工控制不同之处l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。l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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞57l立模标
25、高设计成桥位置施工中的位移累计值（反向）l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。l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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞58l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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞59l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l施工控制只能控制总体线形，局部
26、线形取决于挂篮的施工误差l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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞60l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。l施工前对施工过程的充分预计是施工控制成功的关键。l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。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞61l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。l正确计算大位移是控制的关键。l施工前对施工过程的充分预计。2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞62l计算流程从
27、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l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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞631.施工的对策l制订合理的控制目标设计方案的鲁棒性线形的鲁棒性内力的鲁棒性2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞642.制订合理的施工阶段控制标准l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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞653.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2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞664.充分考虑结构的非线性因素几何非线性是主要因素l大位移l索的垂度材料非线性是次要因素2023-5-26同济大学桥梁工程系 石雪飞675.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无线遥控的实现
