大跨桥梁施工控制

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
计算结果
有限元计算模型
施工理 +
参数调节
施工
e
结果
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
• 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ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
约束条件
优化目标函数
调整措施
Z A (S)
受控变量
调整影响函数
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：
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
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
计算结果 有限元计算模型
施工理 +
参数调节
施工
e
结果
想状态 -
控制量输入
实测结果
输出
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
Sakai
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
j yj
gi
S i
i1
N
ltl
di
S i
G
i1
maxj,[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
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、
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
控制量输入
实测结果
输出
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
1. 确定理想状态计算方法
参数估计算法
修改理想状态
计算结果 有限元计算模型
施工理 +
参数调节
施工
e
结果
想状态 -
控制量输入
实测结果
输出
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
确定理想状态的计算方法
确定成桥理想状态
设计与制造过程
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
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
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
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
计算结果 有限元计算模型
施工理 +
参数调节
施工
e
结果
想状态 -
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
提
出
的
施工 斜
结果 拉
输出
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
x kk ， k 1 x k 1 P k ， k 1 U k 1 W k 1
ZkHkXkVk
控制目标
V NE 1 2jN 1(xT jW jxxiuT j1W jV 1uj1)
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
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
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
no
误差调整
最优控制理论
K=K+1 no
K<M yes
全桥建成
M 为施工总阶段数
架设过程
2.反馈施工控制基本原理
理想状态
设计中确定 的施工工序
有限元计算模型
施工
e
结果
输出
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
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
想状态 -
控制量输入
实测结果
输出
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
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