淺談斜拉橋動力特性分析和施工控制方法

1、<p>　　淺談斜拉橋動力特性分析和施工控制方法</p><p>　　摘要：橋梁是我國基礎(chǔ)建設(shè)中一個重要的組成部分，其施工有許多的要點以及難點。本文介紹了斜拉橋動力特性和施工控制方法，通過合理的控制方法對我國的斜拉橋施工進行控制。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：斜拉橋；動力特性；施工控制； </p><p>　　中圖分類號： U448.27 文獻標識碼：

2、A 文章編號： </p><p>　　一、斜拉橋進行施工控制的重要性 </p><p>　　斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成，是一種橋面體系受壓，支撐體系受拉的橋梁，其橋面體系用加勁梁構(gòu)成，其支撐體系由鋼索組成，具有跨越能力大、結(jié)構(gòu)性能好、施工簡便、易于維修、造價便宜和外形輕巧美觀等優(yōu)點。它是一種長周期的柔性結(jié)構(gòu)，作為大跨度橋梁主要結(jié)構(gòu)形式之一，其動力特性反映了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和剛度特性。根據(jù)

3、斜拉橋的構(gòu)成，其受力特性可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁，可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了材料。斜拉橋所采用的材料性能、施工方法、立模標高、澆筑程序以及安裝索力等都將直接影響成橋的線形和受力，且實際施工狀態(tài)與最初的設(shè)計假定總會存在一定的差異，因此在進行斜拉橋施工時必須對施工全過程進行施工控制，以便掌握全橋結(jié)構(gòu)的實際線性及受力狀態(tài)。 </p><p>　　二、斜拉橋動力特性分析方法

4、</p><p>　　斜拉橋的動力特性分析常采用有限元法，最精確的是采用實體單元法，該法由于需要對結(jié)構(gòu)進行精細的網(wǎng)格劃分和離散，因而計算量通常比較大。除此之外，相對簡便的處理方法是將斜拉橋主梁離散為梁和板殼，采用梁-殼組合模型來實現(xiàn)斜拉橋的動力特性分析，但該方法對變截面梁和存在中空區(qū)域的箱梁難以描述結(jié)構(gòu)的真實幾何構(gòu)造，且板殼單元的有限元列式中往往無面內(nèi)剛度，在與空間梁單元連接時梁-殼組合模型需通過罰函數(shù)為板殼元引

5、入附加面內(nèi)剛度。工程中常用子結(jié)構(gòu)法縮減結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的求解規(guī)模，子結(jié)構(gòu)在內(nèi)部自由度凝聚前可被視為超級單元。 </p><p>　　考慮到求解規(guī)模，目前斜拉橋動力特性分析仍以桿系有限元為主，難以實現(xiàn)真正的三維空間分析。在有限元模型中將橋塔簡化為梁單元的組合；將橋面系采用雙主梁模型來模擬，用殼單元建立混凝土橋面板，間距取為原橋面系鋼主梁的間距，橫梁的間距取為索距；斜拉索用桿單元進行模擬，每根斜拉索為一個索單元，斜拉索錨固點

6、為梁單元的自然節(jié)點，斜拉索與主塔和主梁的連接方式是梁單元節(jié)點與索節(jié)點之間通過剛性連桿相聯(lián)，兩點間為主從約束關(guān)系，從而使得剛性連桿只出現(xiàn)剛體轉(zhuǎn)動。 </p><p>　　三、斜拉橋施工控制方法 </p><p>　　1、斜拉橋施工的開環(huán)控制法 </p><p>　　對于較簡單的斜拉橋，一般都是在設(shè)計中估計結(jié)構(gòu)的恒載和活載，由此計算出結(jié)構(gòu)的預(yù)拱度，在施工過程中只要按時照

7、這個預(yù)拱度來施工，施工完成后的結(jié)構(gòu)就基本上能達到設(shè)計所要求的線形和內(nèi)力。這就是所謂的開環(huán)控制。因為施工過程中的控制量，如預(yù)拱度、塊件重量、預(yù)應(yīng)力等是單向決定的，并不需要根據(jù)反饋來改變。 </p><p>　　對于早期的斜拉橋施工，從理論成橋狀態(tài)通過施工過程的倒退分析，求得每個施工階段主梁的位置和索力，在施工過程中只要按這樣的位置和索力進行安裝，理論上即可達到理想的成橋狀態(tài)。這也是一個施工開環(huán)控制過程。在各部件的制

8、造和安裝精度很高，且對結(jié)構(gòu)的力學特性完全掌握的情況下，這種方法是可行的、方便的。 </p><p>　　2、斜拉橋施工的反饋控制法 </p><p>　　當斜拉橋在施工過程中出現(xiàn)施工狀態(tài)偏離理想的設(shè)計狀態(tài)時，如不加以調(diào)整，就會造成結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力遠遠偏離設(shè)計成橋狀態(tài)，甚至危及安全。對于預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，其施工中的精度保證相對較低，且設(shè)計計算中所采用的各項參數(shù)與現(xiàn)場材料的參數(shù)存在一定的差距

9、，因此預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的施工控制難度較大。反饋控制就是通過施工控制量的實測數(shù)據(jù)，進行設(shè)計算，得出調(diào)整量，糾正偏差。 </p><p><b>　　3、預(yù)測控制法 </b></p><p>　　種影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的因素和施工所要達到的目標后，對結(jié)構(gòu)的每一個施工節(jié)段形成前后的狀態(tài)進行預(yù)測，使施工沿著預(yù)定的軌道進行，直至施工階段順利完成的方法。該法適用于所有類型的橋梁，

10、對已成結(jié)構(gòu)的狀態(tài)具有不可調(diào)整性的橋梁，其施工控制必須采用此種方法。如預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋采用懸臂施工時，其已成節(jié)段的狀態(tài)是無法進行調(diào)整的，只能對待施工的節(jié)段狀態(tài)進行調(diào)整。預(yù)測控制法是橋梁施工控制的主要方法。其以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，其常見的預(yù)測方法有卡爾曼濾波法、灰色理論法等。 </p><p>　　4、斜拉橋施工的自適應(yīng)控制法 </p><p>　　對于預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，施工中每個工況

11、的受力狀態(tài)達不到設(shè)計所確定的理想目標的重要原因是有限元計算模型中的計算參數(shù)(主要是混凝土的彈性模量、材料的比重、徐變系數(shù)) 的取用等與施工中的實際情況有不一定的差距。要得到比較準確的控制調(diào)整量，必須在根據(jù)施工中實測到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正計算模型中的這些參數(shù)值，以使計算模型與實際結(jié)構(gòu)磨合一段時間后自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學規(guī)律。在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再加上一個系統(tǒng)參數(shù)識別過程，整個控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)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

12、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)，按反饋控制方法對結(jié)構(gòu)進行控制。這樣，經(jīng)過幾個工況的反復(fù)辨識后，計算模型就基本上與實際結(jié)構(gòu)相一致了，在此基礎(chǔ)上可以對施工狀態(tài)進行更好的控制。 </p><p>　　5、事后調(diào)整控制法 </p><p>　　這種方法僅適用于結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線性能夠調(diào)整

13、的特殊情況。在施工過程中，當發(fā)現(xiàn)已成結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設(shè)計要求不符時，可以通過一定補救措施對其進行調(diào)整，使之達到設(shè)計要求的方法。由具體情況可分為：①在完成每個施工階段后，若發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設(shè)計不符，可通過調(diào)整斜拉索索力來調(diào)整結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，直至滿足設(shè)計要求后再繼續(xù)施工，依此類推直至施工完成。②在整個橋梁結(jié)構(gòu)形成后，及時檢查結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)與設(shè)計不符的情況，則對索力進行一次性調(diào)整直至滿足設(shè)計要求。這種方法理論上雖然可行，但實際操作困難。若對結(jié)構(gòu)內(nèi)力

14、狀態(tài)不清楚，操作時易引發(fā)安全事故，且最終往往很難達到理想狀態(tài)。由此可見，事后調(diào)整只能算是一個補救措施。 </p><p>　　四、斜拉橋施工控制中的誤差處理和索力調(diào)整方法 </p><p>　　不論是采用一次到位法還是分次到位法，施工控制中總是需要對理論計算值與實測值之間的誤差進行處理、識別以及根據(jù)實際需要對索力進行調(diào)整。 </p><p>　　1、基于現(xiàn)代控制理論

15、的卡爾曼濾波法 </p><p>　　基于現(xiàn)代控制理論的卡爾曼濾波法是一種線性最優(yōu)隨機控制法，它以主梁撓度作為隨機狀態(tài)變量，索力作為控制變量，通過選取索力控制梁端撓度、索塔水平位移為一特定值時，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能最小來進行最優(yōu)終點控制。 </p><p>　　2、參數(shù)識別、修正法 </p><p>　　該法根據(jù)控制目標(索力、主梁標高、索塔頂水平位移等) 的實際測量值與

16、施二正理論計算值的誤差來修正施工理論計算索力采用的參數(shù)(混凝土彈性模量、結(jié)構(gòu)剛度、主梁自重、混凝土徐變系數(shù)等)。該方法可通過基于控制論的最小二乘法來實現(xiàn)。另外，還有基于如模糊數(shù)學的其他方法。 </p><p><b>　　結(jié)束語 </b></p><p>　　施工控制方法在施工中具有非常重要的意義，本文通過對斜拉橋動力特性分析方法以及施工控制方法進行探討，對我國的斜拉

17、橋施工具有一定的促進作用。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]王博. 土木工程課程實踐應(yīng)用與彎矩抵消設(shè)計[J]. 湖北經(jīng)濟學院學報（人文社會科學版），2009，6(9):192-193. </p><p>　　[2]陳德偉，許俊，周宗澤，等.預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工控制新進展[J].同濟大學學報(自然

18、科學版)，2001，29(1). </p><p>　　[3]宋雨， 陳東霞. 斜拉橋動力特性分析[J]. 廈門大學學報(自然科學版)， 2006， 45(1): 56?59. </p><p>　　[4]王勖成. 有限單元法[M]. 北京: 清華大學出版社，2003. </p><p>　　[5]鄧聚龍.灰色控制系統(tǒng)[M].武漢:華中工學院出版社，2002.