大跨径桥梁施工控制与监测Word下载.docx
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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
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