大跨径桥梁施工控制与监测

精选优质文档-倾情为你奉上大跨径桥梁施工控制与监测摘 要：本文介绍了大跨径桥梁施工控制的目的、意义、主要内容及原理，并对各控制理论做出简要分析。关键词：大跨径桥梁；施工控制；控制理论1桥梁施工监控概述1.1桥梁施工监控的目的桥梁施工监测与控制是桥梁施工技术的重要组成部分,它以设计成桥状态为实现目标,在整个施工过程中,通过实时监测桥梁结构的实际状态和环境状况,获得桥梁结构实际状态与理想状态之间的差异(误差),运用现代控制理论,对误差进行识别、调整、预测,使桥梁施工状态最大限度地接近理想状态,从而保证桥梁结构在施工过程中的安全,最终达到桥梁结构成桥状态满足设计和施工规范要求。1.2桥梁施工监控的意义任何桥梁施工,特别是大跨径桥梁的施工,都是一个系统工程。在该系统中,设计图只是目标,而在自开工到竣工整个为实现设计目标而必须经历的过程中,将受到许许多多确定和不确定因素的影响,包括设计计算、桥用材料性能、施工精度、荷载、大气温度等诸多方面在理想状态与实际状态之间存在的差异,施工中如何从各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实的数值,对施工状态进行实时识别(监测)、调整(纠偏)、预测,对设计目标的实现是至关重要的。桥梁施工监控是确保桥梁施工宏观质量的关键。衡量一座桥梁的施工宏观质量标准就是其成桥状态的线形以及受力情况符合设计要求。对于桥梁的下部结构,只要基础埋置深度和尺寸以及墩台尺寸准确就能达到标准要求,且容易检查和控制。而对采用多工序、多阶段施工的桥梁上部结构,要求结构内力和标高的最终状态符合设计要求,就不那么容易了。桥梁施工监控又是桥梁建设的安全保证。为了安全可靠地建好每座桥,施工监控将变得非常重要。因为每种体系的桥梁所采用的施工方法均按预定的程序进行,施工中的每一阶段,结构的内力和变形是可以预计的,同时可通过监测得到各施工阶段结构的实际内力和变形,从而完全可以跟踪掌握施工进程和发展情况。当发现施工过程中监测的实际值与计算值相差过大时,就要进行检查和原因分析,而不能再继续施工,否则,将可能出现事故。桥梁施工监控不仅是桥梁建设中的安全系统,也是桥梁运营中安全性和耐久性的综合检测系统。随着交通事业的发展,荷载等级、交通流量、行车速度等必然提高,还有一些不可预测的自然破坏力也将会危及桥梁的安全,若在建设桥梁时进行了施工控制,并预留长期观测点,将会给桥梁创造终身安全监测的条件,从而给桥梁运营阶段的养护工作提供科学的、可靠的数据,给桥梁安全使用提供可靠保证。1.3桥梁施工监控的内外研究现状分析,发展趋势等早在武汉长江大桥(1957年)和重庆长江大桥施工过程中所做的应力、标高的调整,实际上就是桥梁施工监控的内容。这说明桥梁施工监控是桥梁建设质量控制所必需的,并早已被桥梁建设者所认识系统地实施桥梁施工监控的历史并不长。最早较系统地把工程控制论应用到桥梁施工管理中的国家是日本。桥梁施工监控技术在国外得到了广泛重视。20世纪80年代初,日本修建日野预应力混凝土连续梁桥时,就建立了施工监控所需的应力、挠度等参数的观测系统,并应用计算机对所测参数进行现场处理,然后将分析结果返回到现场进行施工控制。上述方法也是国外传统的施工控制方法。到80年代后期,日本在修建chichby斜拉桥和Yokohama海湾斜拉桥时,成功地利用计算机联网传输技术建立了一个用于拉索索力调整的自动监控系统,实现了施工过程中实测参数与设计值的快速验证比较,对保证施工安全和精度,加快工程进度起到了决定性的作用。该系统主要由自动测量数据采集、精度控制支持和结构计算机分析三部分组成,但由于结构计算分析是借助控制室大型计算机进行的,因此,受通讯电缆架设昂贵费用等因素的影响,使其推广受到限制。此后,日本又研制出一套以现场微机为主要计算分析手段的斜拉桥施工双控系统,这一系统除包含上述提及的三个部分外,还增加了两个数据库,即测量参数和计算参数数据库。此系统的最大特点是在现场完成自动测试、分析和控制全过程,并可进行设计值敏感分析和实际结构行为预测。该系统在1989年建成的Nitchu桥和1991年建成的Tomei一Ashigara桥上实际应用效果良好。我国虽在20世纪50年代就已注意到施工中结构内力和变形的调控(1957年建成的武汉长江大桥在施工过程中就做了应力、标高的调整),但在现代桥梁施工监控技术方面的研究相对起步较晚,然而其发展较迅速。进入80年代以后,随着计算机在桥梁工程中应用的普及和深入,桥梁工作者开始用计算机辅助桥梁施,1982年建成的上海柳湾大桥(主跨200m的斜拉桥)首次根据现代工程控制的基本思想,有效地进行了主梁挠度和索塔水平位移的施工控制。柳湾大桥的控制成功,引起了桥梁界对桥梁施工监控技术研究的高潮。80年代后期,对斜拉桥施工监控技术进行了全面研究,已初步逐渐形成系统。该系统主要依靠现场微机用理想的施工倒退分析程序和考虑混凝土徐变收缩影响的控制分析程序提供每一施工阶段的理想状态计算控制值,在现场将理想状态计算控制值与实测值进行比较分析,并通过对设计参数的识别和拉索索力的优化调整等方法,实现施工作业与控制之间的良性循环,最后达到对主梁挠度和拉索索力实施双控的目的。紧接着又对悬索桥、拱桥、连续刚构桥等的施工监控技术展开了研究与实践,并取得了较好成绩。如上所述,由于国外在桥梁施工监控技术方面的研究和应用起步较早,众多发达国家已将施工监控纳入常规施工管理工作中,监控方法已从人工测量、分析与预报,发展到自动监控、分析预报、调整的计算机自动控制,并已形成了较完善的桥梁施工监控系统。即便如此,国外对桥梁施工监控技术的研究还在继续,这是由于影响桥梁施工的因素太多、太复杂,同时,不断涌现出的、新型的、规模更大的桥梁工程也对桥梁施工监控提出了更高的要求。国内在20实际80年代以后,虽在桥梁施工中已注意到结构应力调整和预拱度的位置,但并为将系统控制概念引入。在以后的研究中,主要集中在斜拉桥上,在90年代中后期,对桥梁施工监控的研究才逐渐在其它桥梁上展开应用。比较起来,我国在该领域还有差距,主要表现在对桥梁施工控制的理论与实践研究还不够、监测手段落后、对影响施工监控的因素研究不透、预测和判断精度不高、还未建立起一套完善的施工监控技术系统和组织管理系统。因此,深入研究桥梁施工监控理论,研制更加合理、实用的控制软件以及更加方便、精确的监测设备,建立完善的桥梁施工监控技术系统和组织管理系统是今后桥梁建设事业发展迫切需要进行的工作。目前,国外除了重视桥梁在施工过程中的监控外,也十分重视桥梁服役状态的监控工作,在桥梁中埋设测点进行长度观测、预报和分析,以随时了解服役桥梁的健康状况,避免突发事件的发生。在这方面国内起步更晚,目前大多数桥梁主要靠目测和荷载试验来了解服役桥梁的情况,对桥梁可能存在的危险因素无法起到预警和避免的作用。但人们己开始认识到对桥梁服役状态进行监控的重要性,比如对上海杨浦大桥、香港青马大桥、江阴长江大桥、重庆大佛寺长江大桥等特大桥己开始进行长期监控工作,但还处于初级阶段,其理论和方法急需进一步研究解决。智能控制是桥梁工程控制(施工控制和服役桥梁控制)的发展趋势。大型桥梁工程,结构复杂、规模巨大,己难以应付一般的手段来监测与控制,必须通过埋设新型传感器(如光纤传感器)和应用先进的信号处理技术,以及建立在线(服役)桥梁专家系统,形成智能控制系统,提高工程控制的科学性、可靠性和可操作性,这是桥梁工程控制的发展方向。2控制理论及方法2.1控制论的发展控制论作为一门技术科学,经历了其产生与发展过程。大体上可分为第一代、第二代、第三代。第一代控制理论称为古典控制理论。古典控制理论是指20世纪60年代以前的一段漫长时间里逐步发展起来的控制理论。在20世纪60年代以前,相对而言,生产技术的水平还计较低,控制对象的结构比较简单,控制的参数比较单一,要求达到的性能指标也不高。因此,古典控制理论所研究的主要对象是具有单输入单输出的单变量系统,而且多数是线性系统,这类系统的数学模型主要采用传递函数,系统的动态性能主要决定于传递函数所对应的零点与极点的分布情况。系统的分析与综合主要采用频率法,它属于频域分析的范畴。古典控制理论常用的数学工具是微分方程、差分方程、傅立叶变换、拉普拉斯变换与Z变换等。第二代控制理论测称为现代控制理论。现代控制理论通常是指20世纪60年底以后迅速发展起来的控制理论。20世纪60年代以后,生产技术水平大幅提高,控制对象的结构也越来越复杂,控制的参数也越来越多,要求达到的性能指标也越来越高。因此,现代控制理论研究的对象主要是多输入多输出的多变量系统。这类系统可能是线性的,也可能是非线性的;可以是定常的,也可以是时变的。系统的数学模型主要采用状态方程,系统的动态性能主要决定于状态方程的解,系统的分析与综合主要采用状态空间分析法,它属于时域分析的范畴。现代控制理论所用的数学工具的范围是极其广泛的,几乎所有的新的数学分支都可以在这里找到用武之地。但对现代控制理论的基础部分而言,主要还是用线性代数、矩阵分析、古典变分法、概率论与随机过程理论等。目前,国外在空间技术、飞行控制系统设计以及工业生产等许多方面都已广泛采用现代控制理论,极大地促进了生产和科学实验的发展,而新技术的发展又不断向控制理论提出新的更高要求,促进现代控制理论不断向前发展。第三代控制理论称为大系统理论。大系统理论通常指20世纪70年代以后的控制理论,在这一段时间生产技术的发展速度是惊人的,特别是电子器件与电子计算机的迅猛发展,使控制理论受到很大冲击,以致不得不引入“大系统”这个新的概念。所谓大系统就是指规模十分庞大的系统。例如一个大型钢铁联合企业、大型电力网、大型通信网、大型交通网、大型土建工程等均可称为大系统。大系统的主要特点是都包含若干子系统。这些子系统通过电子计算机协调工作。采用多级递阶控制以实现多指标综合最优化。2.2现代控制的理论与方法大跨径桥梁的工程控制是现代控制理论与桥梁工程相结合的必然产物,随着桥梁跨径的不断增大以及新材料、新工艺、新施工方法在桥梁工程中的应用,桥梁结构工程控制所涉及的范围越来越广泛。在桥梁结构设计阶段,它可用来控制确定成桥阶段的结构理想状态以及为实现这一目标,桥梁结构在各个施工阶段的结构理想状态,通常称之为设计阶段工程控制或结构理想状态控制;在桥梁结构施工过程中特别是重复性很强的分段施工过程中,它可在各个施工阶段分辨识别结构状态参数,预估实际结构状态,最优控制成桥结构状态,通常称之为施工阶段控制或结构最优状态控制。现代控制理论是在古代理论的基础上发展起来的,而它本身也在不断的向纵深发展,并形成了很多独立的分支。如今,己经很难给现代控制理论定一个确切的界限。但就其最基本的理论与方法而言,大体可归纳如下:1、线性系统理论线性系统理论是现代控制理论最基本的组成部分,也是比较成熟的部分。线性系统理论的研究对象为线性系统,它是用状态方程来描述系统的数学模型。它包括一些奠基性的基本概念,也包括线形控制系统分析与综合的基本方法。由于这些分析、综合系统的方法都是建立在对系统状态方程的分析上,或者说这些方法是研究在由这些状态变量所组成的状态空间中对状态轨迹是如何起作用的,所以这些方法也称为状态空间分析方法。2、系统辨识这是现代控制理论中一个很活跃的分支。所谓系统辨识就是通过观测一个系统或一个过程的输入、输出关系来确定其数学模型的方法。在许多实际系统中,由于根据物理、化学定律推导建立起来的所谓模型一般都比较复杂,用它不便于寻求一个最优控制方案,或者由于没有足够的有关系统及其环境的先验知识,因而无法对其设计一个最优控制,因此,面临的首要问题就是通过试验,量测系统的输入、输出,从中找出一个既简单又能最恰当地描述该系统特征的数学模型, 这样才便于实现最优控制或自适应控制。系统辨识由三个要素:数据、模型类和准则构成。就是按照一个准则在一组模型类中选择一个与数据拟合的最好的模型。系统辨识的内容和步骤包括辨识准备、实验设计、模型类选择与结构参数识别、模型参数估计与验证。系统辨识的基本方法包括最小二乘法、极大似然法。3、最优控制最优控制问题是在已知系统的状态方程、初始条件以及某些约束条件下,寻求一个最优控制向量,使系统的状态或输出在控制向量作用下满足某种最佳准则或使某一指标泛函达到最优值。根据数学模型的不同,最优控制问题可分为确定性的最优控制问题和非确定性的最优控制问题。解决最优控制问题的方法有变分法、庞特里亚金的极大值原理和贝尔曼的动态规划方法等。4、最优估计最优估计也是现代控制理论的一个重要分支。在接收到的信号中总是由有用信号和干扰噪声混合组成,我们希望从接收信号中分离出有用信号,就要用到最优估计,然后数据处理也要用到最优估计。为了实现对随机系统的最优控制,首先就需要求出系统状态的最优估计。解决最优估计的最有效的方法就是Kalman一Buey滤波法。5、自适应控制能够修正自身特性以适应对象和扰动特性变化的控制器称之为自适应控制系统。自适应研究的对象是具有一定程度不确定性的系统。面对客观上存在的各种不确定性,自适应控制系统能在其运行过程中,通过不断地测量系统的输入、状态、输出或性能参数,逐渐了解和掌握对象,然后根据所得的过程信息,按一定的设计方法,做出控制决策去更新控制器的结构、参数或控制作用,以便在某意义下使控制效果达到最优或近似最优。6、模糊控制当被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈祸合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂以及现场测试条件不稳定时,则不可能建立被控对象或过程的精确数学模型。在这种情况下,采用传统的控制方法(包括基于现代控制论的控制方法)进行控制,其效果往往还不如一个有经验的操作人员用手动进行控制的好,模糊控制就是为解决在这种“模糊”状态下控制问题而提出的一种控制方法。7、专家系统控制专家系统是具有大量专门知识和经验,用以解决专门领域特定问题的计算机程序系统。专家系统与传统的计算机程序的区别就在于专家系统主要以知识而不是以数据为处理对象。它所要解决的问题一般没有算法阶,并且往往要在不完全、不精确或不确定的信息基础上进行推断、推理,做出结论。现代控制理论除了以上几大部分外,还有分布参数系统理论、微分对策理论、大系统理论及可靠性理论等。新近发展起来的智能控制和鲁棒控制以及离散事件系统理论,表现出很强的生命力,随着科学技术的发展和学科的互相渗透,会不断地提出新的控制理论。2.3现有主要的桥梁施工控制方法近20年来,桥梁工程界在桥梁施工控制方面有了大量的工程实践,采用的施工控制方法多样。根据控制论思想,桥梁施工控制可分为开环控制、反馈控制和自适应控制三种方法:1.开环控制法对于一些比较简单的桥型,如混凝土简支梁桥和材料特性比较均匀的钢桥,施工过程中的参数比较容易确定,施工荷载和使用荷载也比较简单,施工过程中的随机因素也比较少。因此,一般都是在设计时估计结构可能承受的各种荷载,根据这些荷载计算出结构的预拱度,在施工过程中只要按照这个预拱度施工,施工完成后的结构就基本上能达到所要求的线形和内力。这就是一个开环的施工控制过程,因为施工过程中控制是单向的,并不需要根据结构的反应来改变施工中的预拱度。在各部件的制造和安装精度很高,或者结构安装误差影响不大时,这种方法是可行的、方便的,大部分中小桥采用都是这种方法。2.反馈控制法对于悬臂浇筑的预应力混凝土桥梁,在施工过程中采用理论计算的预拱度来进行挂篮定位,由于混凝土是非均质的弹塑性材料,并且预应力损失由于操作技术的原因,总会出现实际变形和理论变形存在偏差的情况。变形也不会像钢桥那样稳定,而且如果不采取必要的措施,而仍然按照原来计算的预拱度来进行施工,这种误差就会累积,以至于达不到理想线形,同时也会出现合拢困难的情况。这是,再采取开环的控制方法己经不能满足要求,在出现误差之后就必须及时的纠正。在施工过程中,对产生主梁线形偏差的因素跟踪控制,随时纠偏,最终达到理想线形。而纠正的措施和控制量的大小是由误差反馈计算所决定的,这就形成一个闭环反馈控制过程。这种方法的工作量很大,并且有时控制效果也不是很理想。3.自适应控制法对于预应力混凝土桥梁,施工中每一个工况的受力状态达不到设计所确定的理想目标的重要原因是有限元计算模型中的计算参数取值,主要是混凝土的弹性模量、材料的比重、徐变的系数等,与施工中的实际情况有一定的差距。要得到比较准确的控制调整量,必须根据施工中实测到的结构反应修正计算模型中的这些参数值,以使计算模型在与实际结构磨合一段时间后,自动适应结构的物理力学规律。应用现代控制理论中的自适应方法,对施工过程中的标高和内力的实测值与预测值进行比较,对桥梁结构的主要参数进行识别,找出实测值与预测值产生偏差的原因,从而对参数进行修正。在闭环控制的基础上,再加上一个系统辨识过程,整个控制系统就成了自适应控制系统。当结构测量到的受力状态与模型计算结构不相符时,把误差输入到参数辨识算法中去调节计算模型的参数,使模型的输出结构与实际测量的结构相一致,得到修正的计算模型参数后,重新计算各施工阶段.的理想状态,按反馈控制方法对结构进行控制。这样,经过几个工况的反复辨识后,计算模型就基本上与实际结构相一致了,在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。自适应方法的重点在于对影响结构变形和内力的主要设计参数的识别上,而一般只要及时对产生偏差的主要参数进行修正,而实测值与预测值拟合得就非常理想。这就是我国大跨径桥梁施工控制中常采用的方法。但是,当理论变形和实测变形不一致时,自适应控制法认为计算模型存在误差,其实从另一个角度看,这可能是现场操作误差过大引起,如由于模板刚度小而出现了很大的超方误差;预应力张拉时由于油表和伸长量量测存在误差以及施工工艺问题导致预应力过大,从而出现了预应力效应过大或过小;另外还有可能是由于混凝土的弹性模量和理论值存在较大误差所致。当这些情况出现时,采用自适应控制的思路就可能出现负面的影响,结果就会出现迁就施工过程中过失的情况,而仅仅从可能误差较小的计算模型上找原因。2.4施工控制中的主要影响因素大跨径连续刚构桥施工控制的主要目的是使施工实际状态最大限度地与理想设计状态(线形与受力)相吻合。要实现上述目标,就必须全面了解可能使施工状态偏离理论设计状态的所有因素,以便对施工实施有的放矢的有效控制。2.4.1结构参数不论何种桥梁的施工控制,结构参数都是必须考虑的重要因素,结构参数是控制中的结构施工模拟分析的基本资料,其准确性直接影响分析结果的准确性。事实上,实际桥梁结构参数一般是很难与设计所用的结构参数完全吻合,总是存在一定的误差,施工控制中如何恰当地记入这些误差,使结构参数尽量接近桥梁的真实结构参数,是首先需要解决的问题。结构参数主要包括以下内容:1.结构构件截面尺寸任何施工都可能存在截面尺寸误差,验收规范中也允许出现不超过限值的误差,而这种误差将直接导致截面特性误差,从而直接影响结构内力、变形等的分析结果。所以,控制过程中要对结构尺寸进行动态取值和误差分析。2.结构材料弹性模量结构材料弹性模量和结构变形有直接关系。对通常遇到的超静定结构来讲,弹性模量对结构分析结果有一定的影响,但施工成品构件的弹性模量(主要是混凝土结构)总与设计采用值有一定的差别。所以,在施工过程中要根据施工进度做经常性的现场抽样试验,特别要注意混凝土强度波动较大的情况,随时在控制中对弹性模量的取值进行修正。3.材料容重材料容重是产生结构在施工过程中的内力与变形的主要因素,控制中必须计入实际容重与设计取值间可能存在的误差,特别是混凝土材料,不同的集料与不同的钢筋含量都会对容重产生影响,施工控制中必须对其进行准确识别。4.材料热膨胀系数热膨胀系数的准确与否也将对控制产生影响,尤其是钢结构要特别注意。5.施工荷载在所有自架设体系中,都存在施工荷载,这部分临时荷载对受力与变形的影响在控制分析中是不能忽略的,一定要根据实际情况进行取值。6.预加应力预加应力是预应力混凝土结构内力与变形控制考虑的重要结构参数,但预加应力值的大小受很多因素的影响,包括张拉设备、管道摩阻、弹性模量等。控制中要对其取值误差作出合理的估计。2.4.2施工工艺施工控制是为施工服务的,反过来,施工的好坏又直接影响控制目标的实现。除要求施工工艺必须符合控制要求外,在施工控制中必须计入施工条件非理想化带来的构件制作、安装等方面的误差,使施工状态保持在控制中。2.4.3施工监测监测是桥梁施工控制的最基本手段之一。监测包括应力监测、变形监测等。因测量仪器、仪器安装、测量方法、数据采集、环境情况等存在误差,所以,结构监测总是存在误差的。该误差一方面可能造成结构实际参数、状态与设计或控制值吻合较好的假象,也可能造成将本来可能较好的状态调整得更差的情况。所以,保证测量的可靠性对控制极为重要,在控制过程中,除要从测量设备、方法上尽量设法减小测量误差外,在进行控制分析时必须将其计入。2.4.4结构计算分析模型无论采用什么分析方法,总是要对实际桥梁结构进行简化和建立计算模型,这种简化使计算模型与实际情况存在差别,包括各种假设、边界条件处理、模型化的本身精度等,控制中需要在这方面做大量工作,必要时还要进行专门的试验研究,以使计算模型误差所产生的影响减到最低限度。2.4.5温度变化温度变化对桥梁结构的受力与变形影响较大,这种影响随温度的改变而改变,在不同时刻对结构状态(应力、变形)进行量测,其结果是不一样的,如果施工控制中忽略了该项因素,就必然难以得到结构的真实状态数据,从而也难以保证控制的有效性,所以,必须考虑温度变化的影响。温度变化相当复杂,包括季节温差、日照温差、骤变温差、残余温度、不同温度场等,而在原定控制状态中又无法预先知道温度的实际变化情况,所以在控制中是难以考虑的(要考虑也将是很复杂的)。通常都是将控制理想状态定位在某一特定温度下,从而将温度变化对结构的影响相对排除(过滤)。一般是将一天中的温度变化较小的早晨作为控制所需实测数据的采集时间。但对季节温差和桥梁体内的温度残余影响要予以重视。2.4.6材料收缩、徐变对混凝土桥梁结构而言,材料收缩、徐变对结构内力、变形有较大的影响,这主要是由于大跨径连续梁桥施工中混凝土普遍加载龄期小、各阶段龄期相差大等引起的,控制中要予以认真研究,以期采用合理的、符合实际的徐变参数和计算模型。2.4.7施工管理桥梁施工控制的对象就是桥梁施工本身,施工管理好坏直接影响桥梁施工质量、进度等,特别是施工进度,一旦不按计划进行,必然给施工控制带来一定的难度,悬臂施工的大跨径连续梁桥尤为突出,如果梁相对悬臂施工进度存在差别,就必然使两悬臂在合拢前等待不同的时间,从而产生不同的徐变变形,由于徐变变形较难准确估计,所以容易给最终合拢造成困难。2.5结构计算方法连续刚构桥的施工一般采用分阶段逐步完成的施工方法,结构的最终形成,必须经历一个漫长而又复杂的施工过程以及结构体系转换过程,对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析,是桥梁结构施工控制中最基本的内容。桥梁结构施工控制的目的就是确保施工过程中结构的安全,保证桥梁成桥线形及受力状态和变形情况进行预测和监控。因此,必须通过合理的计算方法和理论分析来确定桥梁结构施工过程中每个阶段在受力和变形方面的理想状态,以便控制施工过程中每个阶段的结构行为,使其最终的成桥线形和受力状态满足设计要求。从这个意义上讲,施工控制中的结构计算方法不仅能对整个施工过程进行描述,反映整个施工过程中结构的受力行为,而且还能确定结构各个阶段的理想状态,为施工提供中间目标状态。现阶段施工控制中桥梁结构的计算方法主要包括:前进分析法、倒退分析法和无应力状态计算法降。施工控制中,虽然前进分析法、倒退分析法和无应力状态计算法都能用于各种型式的桥梁结构分析,但是,由于不同型式的桥梁结构所采用的施工方法不同,因而这三种计算方法对于不同型式的桥梁结构分析是有所侧重的。同时,这三种计算方法也有其各自的特点。2.5.1前进分析法前进分析法是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析,它能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程,能算出桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,这不仅可用来指导桥梁设计和施工,而且对桥梁施工控制提供了依据。同时,在前进分析中,能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的影响因素,如结构的非线形问题和混凝土收缩、徐变问题。正因为如此,前进分析法在桥梁结构的计算分析中占有重要的位置,对于大跨径桥梁,要想了解桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,都必须首先进行前进分析。1.前进分析法的特点前进分析法的计算过程严格按照设计施工过程,这种计算方法的特点是:随着施工阶段的推进,结构型式、边界约束、荷载形式在不断地改变,前期结构将发生徐变,其几何位置也在改变,因此,前一阶段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。所以说,前进分析法概念明确,道理显然。(l)桥梁结构在作前进分析之前,必须先制定详细的施工方案,只有按照施工方案确定施工加载顺序进行结构分析,才能得到结构的各个中间阶段和最终成桥阶段的实际变形和受力状态。(2)在结构分析之初,先要确定结构最初的实际状态,即以符合设计的实际施工结果(如跨径、标高等)倒退到施工的第一阶段作为结构前进分析计算的初始状态。(3)本阶段的结构分析必须以前一阶段的计算结果为基础,前一阶段的结构位移是本阶段确定结构轴线的基础,前一个施工阶段结构受力状态是本阶段结构时差、材料非线性计算的基础。(4)对混凝土徐变、收缩等时间效应在各个施工阶段中逐步计入。(5)在施工分析过程中严格计入结构几何非线性效应,本阶段结束时的结构受力状态用本阶段荷载作用下结构受力与以前各阶段结构受力平衡而求得。(6)前进分析法不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果,还为结构刚度、强度验算提供依据,而且可以为施工阶段理想状态的确定、完成桥梁结构施工控制奠定基础。2.前进分析法的不足前进分析法不足之处是:对于连续刚构桥,前进法的桥梁施工标高是以设计标高加预拱度的形式设置的,然而,前进法的应力和挠度计算模型是由设计标高出发的。但为了保证成桥线形能达到设计标高,实际结构是按施工立模标高而不是按设计标高进行施工的,因此实际结构的应力和挠度与模型理论计算值有差别,即模型与桥梁的实际状态不一致。这就必然导致应力和挠度计算及预测的偏差,因此也就不能保证成桥竣工标高恰好为设计标高了。这种理论计算模型与实际结构不符是前进法的突出缺点。2.5.2倒退分析法倒退分析法是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构计算分析。倒退分析的目的就是要获得桥梁结构在各施工阶段理想的安装位置(主要指标高)和理想的受力状态。众所周知,一座大跨度桥梁的设计图,只给出了桥梁结构最终成桥状态的设计线形和设计标高,但是桥梁结构施工中间各状态的标高并没有明确给出,要想得到桥梁结构施工初始状态和施工中间各阶段的理想状态,就要从设计图中给出的最终成桥状态开始,逐步地通过倒退分析来得到施工各中间阶段的理想状态和初始状态。只有按照倒退分析出的桥梁结构各阶段中间状态(主要指标高值)去指导施工,才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。当然,在桥梁结构的施工控制中,除了控制结构的标高和线形之外,同样要控制结构的受力状态,它与线形控制同样重要。正因为倒退分析法有这些特点,所以它能适用于各种桥型结构的安装计算,尤其适用于以悬臂施工为主的大跨度连续梁桥、刚构桥和斜拉桥。1.倒退分析法的特点前进分析可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析,但由于分析中结构节点坐标的改变,最终结构线形可能不完全满足设计线形要求。实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要,线形误差将造成桥梁结构的合拢困难,影响桥梁建成后的美观与营运质量。为了使竣工后的结构保持设计线形,在施工过程中用设置预拱度的方法来实现,而对于分阶段施工的连续梁桥,一般要求给出各个施工阶段结构物控制标高(预抛高),以便最终使结构物满足设计要求。这个问题用前进分析是难以解决的。倒退分析可以解决这一问题,它的基本思想是:假定t=to时刻结构内力分布满足前进分析t。时刻的结果,轴线满足设计线形要求。在此初始状态下,按照前进分析的逆过程,对结构进行倒拆,分析每次拆除一个施工阶段对剩余结构的影响,在一个阶段内分析得到的结构位移、内力状态便是该阶段结构理想的施工状态,所谓结构施工理想状态就是在施工各个阶段结构应有的位置和受力状态,每段的施工理想状态都将控制着全桥的最终形态和受力特性(1)倒退分析时的初始状态必须由前进分析来确定,但初始状态中的各杆件的轴线位置可取设计轴线位置。(2)拆除单元的等效荷载,用被拆单元接缝处的内力反向作用在剩余主体结构接缝处加以模拟。(3)拆除杆件后的结构状态为拆除杆件前的结构状态与被拆杆件等效荷载作用状态的叠加。换言之,本阶段结束时,结构的受力状态用本阶段荷载作用下的结构受力与前一阶段结构受力状态相叠加而得,即认为在这种情况下线性叠加原理成立。(4)被拆构件满足零应力条件,剩余主体结构新出现的接缝面应力等于此阶段对接缝面施加的预加应力,这是正确进行桥梁结构倒退分析的必要条件。2.倒退分析法的不足(l)对于几何非线形十分明显的大跨度桥梁如斜拉桥,尤其象悬索桥,由于缆索的非线形影响,按倒装计算法的结果进行正装施工,桥梁结构将偏离预定的成桥状态(2)原则上讲,倒装计算无法进行混凝土收缩、徐变计算,因为混凝土构件的收缩、徐变与结构的形成历程有密切关系。由于倒装计算的顺序是结构形成的逆过程,所以在倒装分析时,考虑结构的时差效应的影响是有一定困难的。2.3.3无应力状态计算法无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础,将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来,这种方法主要用于大跨度拱桥和悬索桥的施工控制。3结论1.对桥梁施工控制系统的研究。国内主要还停留在比较常规的方法上,深入研究施工控制理论,研制更加合理和适用的控制软件,提高监测的精度和自动化程度以及建立起一套完善的控制理论,是今后桥梁施工控制需进行的工作。2.运用ANSYS等通用软件进行连续梁桥施工仿真还有一定的难度,如何在借用国外通用软件的基础上,进行二次开发,方便地解决桥梁的专业问题是今后的发展方向。3.在影响施工中桥梁结构状态的众多因素中,对温度以及收缩徐变对桥梁结构的影响方面讨论的还不够;国内外的工程实例表明,在环境温度急剧变化时,由于梁体温度的不均匀分布,会产生较大的温度变形和温度应力,甚至会超出材料允许应力,温度应力己被认为是使箱梁产生裂缝的主要原因之一。另一方面,由于温度变化对箱梁标高的影响,也给大跨度预应力连续刚构桥的施工控制和监控带来很大的困难。所以,进一步深入探讨温度变化对箱梁的影响并对出相应的解决措施很有必要。参考文献1范立础.桥梁_工程(上、下册).北京:人民交通出版社,1996年第二版2曾宪武,王永晰.桥梁建设的回顾和展望J.公路.2002(01).3马保林.高墩大跨连续刚构桥.人民交通出版社,20014顾安邦,张永水.桥梁施工监测与控制.机械工业出版社.20055向中富.桥梁施工控制技术.北京:人民交通出版社,20016李国平,刘健.大跨连续梁桥线形最优施工控制的理论与方法.华东公路1992(2)7林智敏.大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工控制研究:硕士学位论文.成都:西南交通大学,2005,5专心-专注-专业