大跨度桥梁施工控制

优化计算原理
影响方程
调整措施
Z A (S)
受控变量
调整影响函 数
优化目标方程
受控变量
J min f (Z) min f [A(S)]
优化目标
优化目标函数
约束条件
si si max (i 1，2，，r)
zi zi max (i 1，2，，r)
线性优化方法
影响方程 N
Y j
gi Si
▪ 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； ➢ 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；
参数估计计算原理
影响方程
待估计参数
Z A (S)
可测量变量
调整影响函 数
优化目标方程
实际测量值
预计测量值
约束条件
J min f (Z - Z) min f [Z - A(S)]
优化目标
优化目标函数
si si max (i 1，2，，r)
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
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
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
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
自动测量系统
自适应施工控制系统流程
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 测量值－新计算值 <允许误差
yes 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
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
➢ 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
➢ 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
3.最优控制调整量计算
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
自适应施工控制基本原理
施源自文库 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
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
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#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。
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
瓯 江 二 桥 计 算 工 况 表
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
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
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
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
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
误差因素对结果误差的影响
选择测量项目
计算每个工况的设计线型和应力值Yd 确定精度允许值rd
架设过程
第K架设工况 测量值Ym
计算结果误差rk
辨识误差因素
最小二乘法或卡尔曼滤波理论
预测误差因素对以后工况的影响
随机有限元法
以后各工况
yes
精度满足要求
no
误差调整
最优控制理论
K=K+1 no
K<M yes
全桥建成
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
▪ 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
M 为施工总阶段数
4.最优控制理论应用的问题
❖ 离散系统方程
xk x k，k 1 k 1 P U k，k 1 k 1 Wk 1
Zk H k X k Vk
❖控制目标
VN
E
1 2
N
(
x
Tj W
x j
xi
j 1
uTj 1W
u V
j 1
j
1
)
❖问题——控制矩阵Pk, k-1 是不断变化的
系统的维数也在变
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
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
施工 结果 输出
设计与制造过程
Sakai提出的斜拉桥施工控制系统流程
结构架设分析 调查在设计，制造，架设过程中的随机误差因素
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 min f (Z) min f [A(S)]
优化目标
优化目标函数
约束条件
si si max (i 1，2，，r)
zi zi max (i 1，2，，r)
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：
i 1
N
T l
di Si
i 1
优化目标方程
N
j y j
g
i
S i
i1
N
l t l
di
S i
G
i1
max[ j, l]
非线性优化方法
影响方程 N
Y j
gi Si
i 1
优化目标方程
U min 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
参数估计算法
n
J ( Ti Mi (s) M p (s))2 ds S i1
▪ Ti——第i号索力； ▪ Mi (s) ——Ti=1时的结构弯矩； ▪ Mp(s)——恒载作用下的结构弯矩。
杆系有限元程序中的处理方法
▪ 杆端力影响矩阵
{ML}={MLo}+[CL]{T} {MR}={MRo}+[CR]{T} 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
▪ 倒拆法
无法考虑徐变 某些步骤构造上无法实现
▪ 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
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
弹性模量 混凝土超重 索力误差
5.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
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
设计中确定 的施工工序
实际结构
施工结果
开环控制基本原理
2.反馈施工控制基本原理
设计中确定 的施工工序
理想状态 有限元计算模型
e
实际结构
结构状态
控制调整量
控制量反馈计算
反馈控制基本原理
施工 结果 输出
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
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
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