淺談橋梁施工控制

陳利峰

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065200）

1 引言

斜拉橋是一個由主梁、索塔、斜拉索三種基本構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代斜拉橋以其良好的結(jié)構(gòu)性能和跨越能力以及優(yōu)美的建筑造型在現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的地位。因為斜拉橋?qū)俑叽纬o定結(jié)構(gòu)，在施工階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形不斷發(fā)生變化。因此，在斜拉橋的施工過程中，通過對溫度、索力、主梁標高、塔頂位移、線形等施工控制參數(shù)的監(jiān)測，并對每一施工階段進行詳盡的分析和驗算，求得斜拉索的張拉噸位、索力、主梁撓度、塔頂位移以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力等施工控制參數(shù)的理論計算值，且在施工中加以有效的控制，對結(jié)構(gòu)體系計算所采用的參數(shù)進行識別、計算和修正，以消除或減少實際線形和索力等與設計目標值的偏差，以保證斜拉橋在施工過程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形始終處于設計所要求的安全范圍內(nèi)，成橋后的主梁線形符合設計期望，結(jié)構(gòu)本身又處于最優(yōu)的受力狀態(tài)。同時保證斜拉橋施工質(zhì)量和施工安全。斜拉橋施工的這種控制管理過程稱為斜拉橋施工的施工控制。

斜拉橋施工控制最基本的要求是保證施工中的質(zhì)量、安全和結(jié)構(gòu)恒載、內(nèi)力及結(jié)構(gòu)線形符合設計要求。由于斜拉橋結(jié)構(gòu)型式和施工工藝、施工方法有許多，對于具體某一座斜拉橋的施工控制又有它的側(cè)重點。另外，斜拉橋的施工控制也可以對斜拉橋營運中安全性和耐久性進行綜合監(jiān)測。深入分析研究施工控制理論，研制更加合理和實用的控制軟件，提高監(jiān)測的精度和自動化、可視化程度以及建立起一套完善的控制系統(tǒng)，是今后斜拉橋施工控制必須進行的研究工作。

斜拉橋工程，結(jié)構(gòu)復雜，規(guī)模巨大，己難以用一般的手段來監(jiān)測與控制，必須通過埋設新型傳感器和應用先進的信號處理技術(shù)，以及建立在線(服役)斜拉橋?qū)＜蚁到y(tǒng)，形成智能控制系統(tǒng)。從而提高施工控制的科學性、可靠性、可操作性和可視化程度，這將是斜拉橋施工控制的發(fā)展方向。施工控制的內(nèi)容包括幾何控制、應力控制、穩(wěn)定控制、安全控制

圖1 施工控制系統(tǒng)的內(nèi)容

2 斜拉橋施工控制系統(tǒng)

2.1 影響斜拉橋施工控制的因素

斜拉橋施工控制的主要目的是使施工實際狀態(tài)最大限度地與理想設計狀態(tài) (線形與受力)相吻合。要實現(xiàn)上述目標，須全面了解可能使施工狀態(tài)偏離理論設計狀態(tài)的所有因素。影響施工控制的主要因素有以下幾種：結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工工藝、施工監(jiān)測、結(jié)構(gòu)計算分析模型。

2.2 斜拉橋施工過程的主要控制方法

目前斜拉橋施工階段施工控制的主要方法可以歸納為三類:開環(huán)控制、反饋控制和自適應控制。開環(huán)控制也叫事后調(diào)整法。斜拉橋施工的開環(huán)控制方法在工程實踐中一般不采用。反饋控制就是通過施工控制量的實測數(shù)據(jù)，進行計算，得出調(diào)整量，糾正偏差。在閉環(huán)反饋控制的基礎上，加上一個系統(tǒng)參數(shù)識別過程，整個控制系統(tǒng)就成為自適應控制系統(tǒng)。當結(jié)構(gòu)測量的受力狀態(tài)與模型計算結(jié)果不相符時，把誤差輸入到參數(shù)識別法中去調(diào)節(jié)計算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實際測量的結(jié)果相一致。得到修正的計算模型參數(shù)后，重新計算各施工階段的理想狀態(tài)，再按反饋控制方法對結(jié)構(gòu)進行控制。參數(shù)識別的算法有二類:一類是基于誤差最小化的算法，如最小二乘法等;另一類則是基于隨機狀態(tài)估計理論的算法，如普橋梁安全施工的實時應力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遍推廣的卡爾曼濾波法等。

2.3 橋梁施工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

斜拉橋施工控制系統(tǒng)的建立及其功能的確定要根據(jù)不同的工程施工實際分別加以考慮，但不論是哪種類型的斜拉橋的施工控制系統(tǒng)，都必須具備管理與控制的功能，即施工控制系統(tǒng)一般應由施工控制管理與施工現(xiàn)場(微機)控制兩個分系統(tǒng)組成，而分系統(tǒng)又由多個支系統(tǒng)組成。斜拉橋施工現(xiàn)場(微機)控制分系統(tǒng)是施工控制系統(tǒng)的核心，它包含整個施工控制的主要分析過程，具有數(shù)據(jù)比較、當前狀態(tài)把握、誤差分析、參數(shù)識別、前進或倒退仿真分析、未來預測等功能。施工現(xiàn)場(微機)控制分系統(tǒng)包括施工控制分析支系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測與參數(shù)識別支系統(tǒng)、誤差分析與實時跟蹤分析支系統(tǒng)。

3 橋梁施工中的索力調(diào)整

3.1 索力調(diào)整的必要性

在斜拉橋的施工過程中必然會存在各種誤差，其中最主要的有兩種：一種是梁的標高誤差，另一種是斜拉索索力的誤差。目前最常用的方法是通過調(diào)整斜拉索的索力來使誤差保持在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。這種在斜拉橋施工控制過程中斜拉索索力調(diào)整糾偏的過程稱為斜拉橋的索力調(diào)整。

斜拉橋成橋恒載內(nèi)力分布好壞是衡量設計優(yōu)劣的重要標準之一。合理的成橋狀態(tài)當屬塔、梁在恒、活載作用下彎曲應力小且均勻的受力狀態(tài)。在斜拉橋施工階段的施工控制中，通過調(diào)整斜拉索的索力來糾正施工中的偏差是工程中常用的方法之一。對于斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，總能找出一組斜拉索力，它能使結(jié)構(gòu)在確定性荷載作用下，某種反映受力性能的目標達到最優(yōu)。求解這組最優(yōu)索力，就是斜拉橋的索力優(yōu)化。

3.2 索力調(diào)整的方法

主要的索力優(yōu)化的方法有三種，他們分別是斜拉索多次張拉法、卡爾曼濾波法、最大滿足度法。

3.2.1 斜拉索多次張拉法

確定合理的成橋索力，同時又能保證施工中的塔梁受力均勻合理，是目前進行大跨度斜拉橋施工監(jiān)測控制的主要目標。一般在大跨度斜拉橋的施上控制中，可以充分利用斜拉索的“主動受力”的特征，通過多次張拉斜拉索使最終調(diào)索后的成橋索力與合理成橋狀態(tài)的索力相近。

3.2.2 卡爾曼濾波法

在大跨度斜拉橋施工階段的施工控制中，卡爾曼濾波法是一種比較理想的調(diào)整索力的方法。

3.2.3 滿意滿足度法

滿意滿足度法是大跨度斜拉橋施工階段施工控制過程中調(diào)整索力、計算索力調(diào)整量的一種實用方法。該方法定義了目標函數(shù)的最大滿意度和約束的最大滿足度，應用數(shù)學規(guī)劃的理論和方法，求得索力調(diào)整量的滿意滿足解。利用該方法時可根據(jù)施工實際情況給出合適的滿意度函數(shù)、滿足度函數(shù)，從而能得到更符合工程實際的索力調(diào)整成果。

結(jié)束語

總之，在信息科學與橋梁建筑科學之間還有好多可以結(jié)合并提高現(xiàn)行生產(chǎn)效率的課題需要去研究，這也是實際橋梁建設發(fā)展的需要，在以后的研究中應該更進一步解決橋梁施工控制系統(tǒng)的自動化的實現(xiàn)，發(fā)揮信息科學的優(yōu)勢，解決實際中的困難。

[1]肖汝城,項海帆.斜拉橋索力優(yōu)化及其工程應用.計算力學學報,1998,15(1)：118～126

[2]梁鵬,肖汝城,張雪松.斜拉橋索力優(yōu)化實用方法.同濟大學學報,2003,31(11):1270～1274

[3]劉漢順，文武松.蕪湖長江大橋主跨斜拉橋施工監(jiān)控.橋梁建設，2003，（3）：19～21