淺談橋梁施工控制

陳利峰

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065200）

1 引言

斜拉橋是一個(gè)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?yàn)樾崩瓨驅(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(guò)程中，通過(guò)對(duì)溫度、索力、主梁標(biāo)高、塔頂位移、線形等施工控制參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并對(duì)每一施工階段進(jìn)行詳盡的分析和驗(yàn)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(jì)算值，且在施工中加以有效的控制，對(duì)結(jié)構(gòu)體系計(jì)算所采用的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算和修正，以消除或減少實(shí)際線形和索力等與設(shè)計(jì)目標(biāo)值的偏差，以保證斜拉橋在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形始終處于設(shè)計(jì)所要求的安全范圍內(nèi)，成橋后的主梁線形符合設(shè)計(jì)期望，結(jié)構(gòu)本身又處于最優(yōu)的受力狀態(tài)。同時(shí)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(guò)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(shè)計(jì)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(duì)于具體某一座斜拉橋的施工控制又有它的側(cè)重點(diǎn)。另外，斜拉橋的施工控制也可以對(duì)斜拉橋營(yíng)運(yùn)中安全性和耐久性進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。深入分析研究施工控制理論，研制更加合理和實(shí)用的控制軟件，提高監(jiān)測(cè)的精度和自動(dòng)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(jìn)行的研究工作。

斜拉橋工程，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模巨大，己難以用一般的手段來(lái)監(jiān)測(cè)與控制，必須通過(guò)埋設(shè)新型傳感器和應(yīng)用先進(jìn)的信號(hào)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(xué)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(yīng)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(shí)際狀態(tài)最大限度地與理想設(shè)計(jì)狀態(tài) (線形與受力)相吻合。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，須全面了解可能使施工狀態(tài)偏離理論設(shè)計(jì)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(cè)、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型。

2.2 斜拉橋施工過(guò)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(kāi)環(huán)控制、反饋控制和自適應(yīng)控制。開(kāi)環(huán)控制也叫事后調(diào)整法。斜拉橋施工的開(kāi)環(huán)控制方法在工程實(shí)踐中一般不采用。反饋控制就是通過(guò)施工控制量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，得出調(diào)整量，糾正偏差。在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別過(guò)程，整個(gè)控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)測(cè)量的受力狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果不相符時(shí)，把誤差輸入到參數(shù)識(shí)別法中去調(diào)節(jié)計(jì)算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果相一致。得到修正的計(jì)算模型參數(shù)后，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)，再按反饋控制方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。參數(shù)識(shí)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(jī)狀態(tài)估計(jì)理論的算法，如普橋梁安全施工的實(shí)時(shí)應(yīng)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(shí)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(yīng)由施工控制管理與施工現(xiàn)場(chǎng)(微機(jī))控制兩個(gè)分系統(tǒng)組成，而分系統(tǒng)又由多個(gè)支系統(tǒng)組成。斜拉橋施工現(xiàn)場(chǎng)(微機(jī))控制分系統(tǒng)是施工控制系統(tǒng)的核心，它包含整個(gè)施工控制的主要分析過(guò)程，具有數(shù)據(jù)比較、當(dāng)前狀態(tài)把握、誤差分析、參數(shù)識(shí)別、前進(jìn)或倒退仿真分析、未來(lái)預(yù)測(cè)等功能。施工現(xiàn)場(chǎng)(微機(jī))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(cè)與參數(shù)識(shí)別支系統(tǒng)、誤差分析與實(shí)時(shí)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(guò)程中必然會(huì)存在各種誤差，其中最主要的有兩種：一種是梁的標(biāo)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(guò)調(diào)整斜拉索的索力來(lái)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(guò)程中斜拉索索力調(diào)整糾偏的過(guò)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(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。合理的成橋狀態(tài)當(dāng)屬塔、梁在恒、活載作用下彎曲應(yīng)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(guò)調(diào)整斜拉索的索力來(lái)糾正施工中的偏差是工程中常用的方法之一。對(duì)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(biāo)達(dá)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(shí)又能保證施工中的塔梁受力均勻合理，是目前進(jìn)行大跨度斜拉橋施工監(jiān)測(cè)控制的主要目標(biāo)。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(dòng)受力”的特征，通過(guò)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(guò)程中調(diào)整索力、計(jì)算索力調(diào)整量的一種實(shí)用方法。該方法定義了目標(biāo)函數(shù)的最大滿意度和約束的最大滿足度，應(yīng)用數(shù)學(xué)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(shí)可根據(jù)施工實(shí)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(shí)際的索力調(diào)整成果。

結(jié)束語(yǔ)

總之，在信息科學(xué)與橋梁建筑科學(xué)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(shí)際橋梁建設(shè)發(fā)展的需要，在以后的研究中應(yīng)該更進(jìn)一步解決橋梁施工控制系統(tǒng)的自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，發(fā)揮信息科學(xué)的優(yōu)勢(shì)，解決實(shí)際中的困難。

[1]肖汝城,項(xiàng)海帆.斜拉橋索力優(yōu)化及其工程應(yīng)用.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),1998,15(1)：118～126

[2]梁鵬,肖汝城,張雪松.斜拉橋索力優(yōu)化實(shí)用方法.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(11):1270～1274

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