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：橋梁是我國基礎建設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成，其支撐體系由鋼索組成，具有跨越能力大、結構性能好、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構，作為大跨度橋梁主要結構形式之一，其動力特性反映了結構的質量分布和剛度特性。根據(jù)

3、斜拉橋的構成，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，可使梁體內彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結構重量，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，以便掌握全橋結構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，該法由于需要對結構進行精細的網格劃分和離散，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構的真實幾何構造，且板殼單元的有限元列式中往往無面內剛度，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、入附加面內剛度。工程中常用子結構法縮減結構系統(tǒng)的求解規(guī)模，子結構在內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系，從而使得剛性連桿只出現(xiàn)剛體轉動。 </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，一般都是在設計中估計結構的恒載和活載，由此計算出結構的預拱度，在施工過程中只要按時照

7、這個預拱度來施工，施工完成后的結構就基本上能達到設計所要求的線形和內力。這就是所謂的開環(huán)控制。因為施工過程中的控制量，如預拱度、塊件重量、預應力等是單向決定的，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，且對結構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)偏離理想的設計狀態(tài)時，如不加以調整，就會造成結構的線形和內力遠遠偏離設計成橋狀態(tài)，甚至危及安全。對于預應力混凝土斜拉橋，其施工中的精度保證相對較低，且設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、，因此預應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)，進行設計算，得出調整量，糾正偏差。 </p><p><b>　　3、預測控制法 </b></p><p>　　種影響橋梁結構狀態(tài)的因素和施工所要達到的目標后，對結構的每一個施工節(jié)段形成前后的狀態(tài)進行預測，使施工沿著預定的軌道進行，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、對已成結構的狀態(tài)具有不可調整性的橋梁，其施工控制必須采用此種方法。如預應力混凝土連續(xù)剛構橋采用懸臂施工時，其已成節(jié)段的狀態(tài)是無法進行調整的，只能對待施工的節(jié)段狀態(tài)進行調整。預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，其常見的預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控制法 </p><p>　　對于預應力混凝土斜拉橋，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整量，必須在根據(jù)施工中實測到的結構反應修正計算模型中的這些參數(shù)值，以使計算模型與實際結構磨合一段時間后自動適應結構的物理力學規(guī)律。在閉環(huán)反饋控制的基礎上，再加上一個系統(tǒng)參數(shù)識別過程，整個控制系統(tǒng)就成為自適應控制系統(tǒng)。當結構測量的受力狀態(tài)與模型計算結果不

12、相符時，把誤差輸入到參數(shù)識別法中去調節(jié)計算模型的參數(shù)，使模型的輸出結果與實際測量的結果相一致。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構進行控制。這樣，經過幾個工況的反復辨識后，計算模型就基本上與實際結構相一致了，在此基礎上可以對施工狀態(tài)進行更好的控制。 </p><p>　　5、事后調整控制法 </p><p>　　這種方法僅適用于結構內力與線性能夠調整

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

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，使結構的應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、結構剛度、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用與彎矩抵消設計[J]. 湖北經濟學院學報（人文社會科學版），2009，6(9):192-193. </p><p>　　[2]陳德偉，許俊，周宗澤，等.預應力混凝土斜拉橋施工控制新進展[J].同濟大學學報(自然

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