zAAA大跨度桥梁施工控制

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
日本横滨海湾桥控制流程图
审查荷载分布 控制项的测量
设置控制目标值 确定和计算误差值
是否需要调整 最优楔片调整量计算
楔片调整
3.自适应施工控制基本原理
参数估计算法
修改理想状态
施工理 + 想状态
控制量输入
参数调节
计算结果 有限元计算模型
e
实际结构
实测结果
控制调整量 控制量反馈计算
自适应施工控制基本原理
优化计算原理
影响方程 sisima(ix1，2，，r)
优化目标方s程i simax(i 1， 2， ，r)
zi zimax(i 1， 2， ，r)
约束条件
调整措施
Z A (S)
受控变量
调整影响函数
线性优化方法
影响方程
N
Yj gi Si i1
N
Tl di Si i1
优化目标方程
N
j yj
ZkHkXkVk
控制目标
V NE 1 2jN 1(xT jW jxxiuT j1W jV 1uj1)
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
参数估计算法
修改理想状态
施工理 + 想状态
控制量输入
参数调节
计算结果 有限元计算模型
e
实际结构
实测结果
控制调整量 控制量反馈计算
自适应施工控制基本原理
施工 结果 输出
1. 确定理想状态计算方法
参数估计算法
修改理想状态
施工理 + 想状态
控制量输入
参数调节
计算结果 有限元计算模型
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。
3.最优控制调整量计算
审查荷载分布 控制项的测量
设置控制目标值 确定和计算误差值
是否需要调整 最优楔片调整量计算
楔片调整
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
自适应控制思路在瓯江二桥 施工控制中的应用
工程概况
审查荷载分布 控制项的测量
设置控制目标值 确定和计算误差值
是否需要调整 最优楔片调整量计算
楔片调整
瓯江二桥施工控制模拟计算工况
工况 1 2
塔3 及4 0# 5 块6 施7 工8
9 10 11 12 2# 13 节 14 段 15 施 16 工 17 18 19
施工 结果 输出
Sakai
参数估计算法
修改理想状态
提 计算结果 出
有限元计算模型
的
理+
参数调节
斜 拉e
态 -
制量输入
实际结构
桥 实测结果 施
工 控
制
控制调整量
系
控制量反馈计算
统
流
程
自适应施工控制基本原理
4.最优控制理论应用的问题
离散系统方程
x kk ， k 1 x k 1 P k ， k 1 U k 1 W k 1
2.施工过程模拟计算
参数估计算法
修改理想状态
施工理 + 想状态
控制量输入
参数调节
计算结果 有限元计算模型
e
实际结构
实测结果
控制调整量
控制量反馈计算
自适应施工控制基本原理
施工 结果 输出
施工过程模拟计算
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
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
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。
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：
n
J ( TiM i(s)M p(s)2)ds S i1
Ti——第i号索力； M i (s) ——Ti=1时的结构弯矩； 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
– 无法考虑徐变 – 某些步骤构造上无法实现
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
gi
S i
i1
N
ltl
di
S iΒιβλιοθήκη Gi1maxj,[l]
非线性优化方法
影响方程
N
Yj gi Si i1
优化目标方程
U mi n索力调整的功
约束条件
位移残差最小 索力残差最小
4.计算模型参数估计
测量数据库
计算数据库
数据处理模块
预报索力标高 yes
测量值－计算值 <允 许 误 差
no
预报索力标高 yes
No Image
约束条件
待估计参数
Z A (S)
可测量变量
调整影响函数
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； 弹性模量 • 2.挂篮移动定位立模后的时刻；
e
实际结构
实测结果
控制调整量 控制量反馈计算
自适应施工控制基本原理
施工 结果 输出
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
• 结构尺寸、施工方法确定后内力状态随 之唯一确定
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
说明 桩、墩、塔、0#块施工完毕 张拉纵向预应力筋 第1次支架浇筑1#节段 张拉纵向预应力筋 第2次支架浇筑1#节段 张拉纵向预应力筋 第3次支架浇筑1#节段 张拉纵向预应力筋 浇筑上塔柱混凝土 拆临时支撑 1#斜拉索张拉 移动挂蓝 2#斜拉索第1次张拉 浇筑2#节段混凝土前1/2 2#斜拉索第2次张拉 浇筑2#节段混凝土后1/2 张拉纵向预应力筋 换单元，转移锚点 2#斜拉索最终张拉
工况 116
14# 117 节 118 段 119 施 120 工 121
122 123 124 边 125 跨 126 合 127 拢 128 129 130 中 131 跨 132 合 133 拢 134
说明 移动挂蓝 15#斜拉索第1次张拉 浇筑15#节段混凝土前1/2 15#斜拉索第2次张拉 浇筑15#节段混凝土后1/2 张拉纵向预应力筋 换单元，转移锚点 15#斜拉索最终张拉 移动挂蓝 浇筑15A#节段混凝土 张拉预应力筋 中跨挂篮退3米 边跨合拢 张拉边跨后期预应力束 边跨压重 拆多余三个挂篮 中跨压重 去除压重，合拢段参加工作 张拉合拢段预应力束
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。
倒拆、正装综合法
– 叠代不一定能收敛
无应力状态法
– 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
• 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）
• 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
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
是否需要调整
最优楔片调整量计算
施工中期（4-12#节段）
• 按预报值进行正常施工
楔片调整
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
3#至15# 按2#节段施工步骤循环 节段施工
135 拆除合拢挂篮 136 安装0#垂直索、拆除临时锚固 137 桥面铺装、后期装饰施工 138 通车后三年
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：
• 3.节段混凝土浇筑前的时刻； 混凝土超重 • 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；
索力误差
5.测量系统
审查荷载分布 控制项的测量
设置控制目标值 确定和计算误差值
是否需要调整 最优楔片调整量计算
楔片调整
待测量变量
标高——激光束、连通管、 垂度——激光束 索力——随机振动法 应力——钢弦应力计
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
实际测量值
预计测量值
Jminf (Z-Z)minf [Z-A(S)]
优化目标
优化目标函数
优化目标方程
测量值－新计算值 <允 许 误 差
no
已建成索的索力调整
预报索力标高 yes
将来的应力 <允 许 应 力
no
根据新目标预报索力及标高
参数识别模块 设计参数的误差识辨
模拟计 算模块
施工阶段 模拟计算
的新 计参 算数 值下
新目标下 的计算值
未施工节段的新目标值 索力和模板标高调整控制
调整量计算模块
斜拉桥自适应施工控制系统流程
• 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
索力向量
Z A (S)
待优化变量
影响函数
优化目标方程
待优化变量
J minf (Z)minf [A(S)]
优化目标
优化目标函数
约束条件
调整措施
Z A (S)
受控变量
调整影响函数
自动测量系统
参数估计算法
修改理想状态
施工理 + 想状态
控制量输入
参数调节
计算结果 有限元计算模型
e
实测结果 实际结构
控制调整量 控制量反馈计算
自适应施工控制基本原理
自 适 应 施工 施 结果 工 输出 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