| 标题 | 双拱塔斜拉桥施工控制 |
| 范文 | 范宇新 曾德荣 【摘要】荔波官塘大桥为双圆环独塔斜拉桥，其结构复杂，施工监控难度大。本文介绍了该桥的仿真计算，现场实测，参数识别，索力调整等内容，简单阐述了卡尔曼滤波法在施工控制中的运用，并给出了该桥施工控制所取得的有关成果。 【关键词】斜拉桥；施工控制；索力 1. 工程概况 （1）荔波县官塘大桥位处荔波县城区东面，樟江大桥下游800m官塘大道上，是连接荔波县城时来坝片区与老城区的重要桥梁。桥长180m，桥梁起点桩号K0+030.5，终点桩号K0+210.5。跨径布置为85+85m双拱式独塔双索面PC双主梁式斜拉桥（无引桥）。桥梁设计等级为公路-Ⅰ级，桥面总宽32m，双向四车道。 （2）主梁采用C55混凝土，为实体双主梁截面。全桥采用等高度截面，截面高度均为2.24m（主梁中心线处）。标准截面纵向每隔8m设一道横隔板。桥面划分为8个施工梁段，标准节段长8m，合龙段长2m，采用后支点挂篮悬浇施工。主塔为Q345D级钢结构，截面轮廓尺寸为3200×2500mm（横桥向×顺桥向），钢箱壁厚J0-J2段为40mm，其余段均为30mm。钢塔施工采用节段悬臂拼装。全桥共设置2×9根水平索和4×9根斜拉索。桥梁的总体布置见图1。 图1桥梁立面布置图2. 斜拉桥施工控制的一般方法 2.1事后调整控制法。事后调整控制法是指在施工过程中，当发现已成结构状态与设计要求不符时，可以通过一定补救措施对其进行调整，使之达到设计要求的方法。但是这种方法仅适用于那些结构内力与线性能够调整的特殊情况，斜拉桥可算是其中的一种。 2.2预测控制法。预测控制法是指在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标后，对结构的每一个施工节段形成前后的状态进行预测，使施工沿着预定的轨道进行，直至施工阶段顺利完成的方法。这种方法适用于所有类型的桥梁，那些对已成结构的状态具有不可调整性的桥梁，其施工控制必须采用此种方法。如预应力混凝土连续刚构桥采用悬臂施工时，其已成节段的状态是无法进行调整的，只能对待施工的节段状态进行调整。由此可见，预测控制法是桥梁施工控制的主要方法。 2.3根据官塘大桥结构和施工方法的特点，本桥采用事后调整法和预测控制法相结合，遵循“预测——施工——实测——对比——调整——预测”的方法系统的对其进行施工控制。 3. 施工控制的工作内容 3.1官塘大桥施工控制的工作内容主要有一下四点。 （1）施工过程的仿真计算，目的是得到施工过程中全桥的理论数据。 （2）施工过程的现场监测，目的是得到施工过程中全桥的实测数据。 （3）施工过程的参数识别，在（1）和（2）所获取的数据的基础上即可对大桥的有关参数进行识别得到每一施工阶段的标高和索力。 （4）施工过程的索力调整。 图2全桥模型图3.2施工过程的仿真计算。 （1）官塘大桥的仿真计算采用的是Midas-Civil结构计算软件建立的有限元模型，主要是依据设计院所提供的图纸，并在适当的地方进行了必要的简化。在建模过程中，考虑到划分网格的便利和以后观察结果的需要对模型的块体进行了合理的划 （2）将结构划分为183个平面梁单元， 217个节点。其中主梁96个单元，塔座6个单元，主塔48 个单元，斜拉索27个单元用拉索单元模拟，桥墩6个单元。塔座与桥墩固结。挂篮利用软件中的挂篮系统模拟，每套挂篮划分为2个单元。在原已有结构分析计算的基础上，采用三维实体单元对结构的细节进行了真实的模拟按照施工和设计所确定的施工工序以及设计所提供的基本参数，对施工过程进行了实时仿真计算，由此得到相对详精确、详尽和可靠的分析结果和控制数据。 3.3施工过程的现场监测。为了随时掌握在施工过程中的主梁和索塔的实际应力、位移、斜拉索的索力，检验和指导结构计算，就必须在施工的过程中埋置应力传感器、拉索中的拉力传感器，设置位移观测点。但在考虑这些元件的布设位置时，同时注意到今后全桥测试也能够应用。索力、应力、温度和位移观测一般应同时进行，即是说每次都要将所有的可测点进行观测，并且是定时（在温度相对稳定的时刻，即如日出之前的早晨7点～9点，进行测试）测量，形成一套完整的观测资料。 3.4施工过程的参数识别。由于设计时所采用的许多设计参数，如材料的弹性模量、结构自重、混凝土收缩徐变参数等与实际工程中所表现出来的参数不完全一致，以及施工中存在的各种误差都会导致施工过程中主梁标高、斜拉索索力偏离设计目标，而且会随着斜拉索悬臂的不断延伸而逐渐累积，如果不加以及时有效的控制和调整，最终会造成合拢困难，影响成桥后的内力和线形。为消除因设计参数取值的不确切所引起的施工中设计与实际的不一致性，在施工过程中应采用最小二乘法和自适应卡尔曼滤波法对这些参数进行识别和调整。 4.1卡尔曼滤波法。本工程采用卡尔曼滤波法进行偏差的处理和索力调整。卡尔曼滤波法类似一次张拉法，但当前阶段的张拉力不是原来的计算索力，而是根据变位的实测数值经过滤波和反馈控制计算后给出的索力修正值。它把梁的扰度X看作随机状态矢量，索力U作为外加控制矢量，通过适当的选择索力以控制最后梁端或塔顶位置达到某一指定值δ。因此，它对位置的控制是绝对的，对于索力的控制则是在满足设计位置的基础上，以结构内能为最小条件下的最优。 4.2索力测试。测试方法。 本桥采用微振法对索力进行实测，该法测试速度快、设备简单，综合误差可控制在5%以下。 微振法是通过测定拉索的自振频率，由下式计算索力： T=4W1gl2〔fn1n〕2=4W1gl2F2 式中： T——索力（N） W——单位索长的重量（Kg/m） fn——索的第n阶自振频率（Hz） l——索的计算长度（m） n——索自振频率阶数 g——重力加速度（9.81m/s2） F——索自振基频 由于待测斜拉索数量多、索力大、并有多种规格， 因此拟采用微振法（也称弦振法）进行测试， 以满足对现场索力测定快速、准确的要求。 4.3索力对比分析。 （1）本桥的仿真计算采用的是Midas-Civil结构计算软件建立的有限元模型，以设计成桥索力为合理成桥索力的目标值，用倒拆——正装迭代法反复调试确定初始张拉索力，最终计算成桥索力与设计索力如表1、表2。 （2）经过一次调索后实测索力与设计索力见表3、表4。 （3）索力最大差值发生在水平索上游侧Z4，大于设计索力225KN，偏大4.64%，小于设计要求5%的容许偏差值。 5. 结论 （1）针对官塘大桥的施工工艺，以有限元理论为基础，应用土木工程专用的结构分析与优化设计软件MIDAS-Civil建立全桥模拟分析模型。并对斜拉桥施工控制的分析方法进行了一定阐述。 （2）运用事后调整法和预测控制法相结合，遵循“预测——施工——实测——对比——调整——预测” 的方法，把仿真计算、施工、测量、参数识别、误差修正有机的结合起来，有效的控制索力和标高及主梁应力，并能及时的修正各阶段的误差，避免误差积累最终获得了较好的结构内力状态和主梁线形。 参考文献 [1]向中富.桥梁施工控制技术（第1版）[M].北京：人民交通出版社，2001. [2]陈湛荣.混凝土斜拉桥仿真计算与施工控制[硕士学位论文].重庆交通大学，2008. [3]徐君兰.大跨径桥梁施工控制[M].人民交通. [4]邵旭东.桥梁工程（第1版）[M]. 北京：人民交通出版社，2001. [5]王成发.斜拉桥成桥索力的探讨及施工过程分析[硕士学位论文].长安大学，2008. 【摘要】荔波官塘大桥为双圆环独塔斜拉桥，其结构复杂，施工监控难度大。本文介绍了该桥的仿真计算，现场实测，参数识别，索力调整等内容，简单阐述了卡尔曼滤波法在施工控制中的运用，并给出了该桥施工控制所取得的有关成果。 【关键词】斜拉桥；施工控制；索力 1. 工程概况 （1）荔波县官塘大桥位处荔波县城区东面，樟江大桥下游800m官塘大道上，是连接荔波县城时来坝片区与老城区的重要桥梁。桥长180m，桥梁起点桩号K0+030.5，终点桩号K0+210.5。跨径布置为85+85m双拱式独塔双索面PC双主梁式斜拉桥（无引桥）。桥梁设计等级为公路-Ⅰ级，桥面总宽32m，双向四车道。 （2）主梁采用C55混凝土，为实体双主梁截面。全桥采用等高度截面，截面高度均为2.24m（主梁中心线处）。标准截面纵向每隔8m设一道横隔板。桥面划分为8个施工梁段，标准节段长8m，合龙段长2m，采用后支点挂篮悬浇施工。主塔为Q345D级钢结构，截面轮廓尺寸为3200×2500mm（横桥向×顺桥向），钢箱壁厚J0-J2段为40mm，其余段均为30mm。钢塔施工采用节段悬臂拼装。全桥共设置2×9根水平索和4×9根斜拉索。桥梁的总体布置见图1。 图1桥梁立面布置图2. 斜拉桥施工控制的一般方法 2.1事后调整控制法。事后调整控制法是指在施工过程中，当发现已成结构状态与设计要求不符时，可以通过一定补救措施对其进行调整，使之达到设计要求的方法。但是这种方法仅适用于那些结构内力与线性能够调整的特殊情况，斜拉桥可算是其中的一种。 2.2预测控制法。预测控制法是指在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标后，对结构的每一个施工节段形成前后的状态进行预测，使施工沿着预定的轨道进行，直至施工阶段顺利完成的方法。这种方法适用于所有类型的桥梁，那些对已成结构的状态具有不可调整性的桥梁，其施工控制必须采用此种方法。如预应力混凝土连续刚构桥采用悬臂施工时，其已成节段的状态是无法进行调整的，只能对待施工的节段状态进行调整。由此可见，预测控制法是桥梁施工控制的主要方法。 2.3根据官塘大桥结构和施工方法的特点，本桥采用事后调整法和预测控制法相结合，遵循“预测——施工——实测——对比——调整——预测”的方法系统的对其进行施工控制。 3. 施工控制的工作内容 3.1官塘大桥施工控制的工作内容主要有一下四点。 （1）施工过程的仿真计算，目的是得到施工过程中全桥的理论数据。 （2）施工过程的现场监测，目的是得到施工过程中全桥的实测数据。 （3）施工过程的参数识别，在（1）和（2）所获取的数据的基础上即可对大桥的有关参数进行识别得到每一施工阶段的标高和索力。 （4）施工过程的索力调整。 图2全桥模型图3.2施工过程的仿真计算。 （1）官塘大桥的仿真计算采用的是Midas-Civil结构计算软件建立的有限元模型，主要是依据设计院所提供的图纸，并在适当的地方进行了必要的简化。在建模过程中，考虑到划分网格的便利和以后观察结果的需要对模型的块体进行了合理的划 （2）将结构划分为183个平面梁单元， 217个节点。其中主梁96个单元，塔座6个单元，主塔48 个单元，斜拉索27个单元用拉索单元模拟，桥墩6个单元。塔座与桥墩固结。挂篮利用软件中的挂篮系统模拟，每套挂篮划分为2个单元。在原已有结构分析计算的基础上，采用三维实体单元对结构的细节进行了真实的模拟按照施工和设计所确定的施工工序以及设计所提供的基本参数，对施工过程进行了实时仿真计算，由此得到相对详精确、详尽和可靠的分析结果和控制数据。 3.3施工过程的现场监测。为了随时掌握在施工过程中的主梁和索塔的实际应力、位移、斜拉索的索力，检验和指导结构计算，就必须在施工的过程中埋置应力传感器、拉索中的拉力传感器，设置位移观测点。但在考虑这些元件的布设位置时，同时注意到今后全桥测试也能够应用。索力、应力、温度和位移观测一般应同时进行，即是说每次都要将所有的可测点进行观测，并且是定时（在温度相对稳定的时刻，即如日出之前的早晨7点～9点，进行测试）测量，形成一套完整的观测资料。 3.4施工过程的参数识别。由于设计时所采用的许多设计参数，如材料的弹性模量、结构自重、混凝土收缩徐变参数等与实际工程中所表现出来的参数不完全一致，以及施工中存在的各种误差都会导致施工过程中主梁标高、斜拉索索力偏离设计目标，而且会随着斜拉索悬臂的不断延伸而逐渐累积，如果不加以及时有效的控制和调整，最终会造成合拢困难，影响成桥后的内力和线形。为消除因设计参数取值的不确切所引起的施工中设计与实际的不一致性，在施工过程中应采用最小二乘法和自适应卡尔曼滤波法对这些参数进行识别和调整。 4.1卡尔曼滤波法。本工程采用卡尔曼滤波法进行偏差的处理和索力调整。卡尔曼滤波法类似一次张拉法，但当前阶段的张拉力不是原来的计算索力，而是根据变位的实测数值经过滤波和反馈控制计算后给出的索力修正值。它把梁的扰度X看作随机状态矢量，索力U作为外加控制矢量，通过适当的选择索力以控制最后梁端或塔顶位置达到某一指定值δ。因此，它对位置的控制是绝对的，对于索力的控制则是在满足设计位置的基础上，以结构内能为最小条件下的最优。 4.2索力测试。测试方法。 本桥采用微振法对索力进行实测，该法测试速度快、设备简单，综合误差可控制在5%以下。 微振法是通过测定拉索的自振频率，由下式计算索力： T=4W1gl2〔fn1n〕2=4W1gl2F2 式中： T——索力（N） W——单位索长的重量（Kg/m） fn——索的第n阶自振频率（Hz） l——索的计算长度（m） n——索自振频率阶数 g——重力加速度（9.81m/s2） F——索自振基频 由于待测斜拉索数量多、索力大、并有多种规格， 因此拟采用微振法（也称弦振法）进行测试， 以满足对现场索力测定快速、准确的要求。 4.3索力对比分析。 （1）本桥的仿真计算采用的是Midas-Civil结构计算软件建立的有限元模型，以设计成桥索力为合理成桥索力的目标值，用倒拆——正装迭代法反复调试确定初始张拉索力，最终计算成桥索力与设计索力如表1、表2。 （2）经过一次调索后实测索力与设计索力见表3、表4。 （3）索力最大差值发生在水平索上游侧Z4，大于设计索力225KN，偏大4.64%，小于设计要求5%的容许偏差值。 5. 结论 （1）针对官塘大桥的施工工艺，以有限元理论为基础，应用土木工程专用的结构分析与优化设计软件MIDAS-Civil建立全桥模拟分析模型。并对斜拉桥施工控制的分析方法进行了一定阐述。 （2）运用事后调整法和预测控制法相结合，遵循“预测——施工——实测——对比——调整——预测” 的方法，把仿真计算、施工、测量、参数识别、误差修正有机的结合起来，有效的控制索力和标高及主梁应力，并能及时的修正各阶段的误差，避免误差积累最终获得了较好的结构内力状态和主梁线形。 参考文献 [1]向中富.桥梁施工控制技术（第1版）[M].北京：人民交通出版社，2001. [2]陈湛荣.混凝土斜拉桥仿真计算与施工控制[硕士学位论文].重庆交通大学，2008. [3]徐君兰.大跨径桥梁施工控制[M].人民交通. [4]邵旭东.桥梁工程（第1版）[M]. 北京：人民交通出版社，2001. [5]王成发.斜拉桥成桥索力的探讨及施工过程分析[硕士学位论文].长安大学，2008. 【摘要】荔波官塘大桥为双圆环独塔斜拉桥，其结构复杂，施工监控难度大。本文介绍了该桥的仿真计算，现场实测，参数识别，索力调整等内容，简单阐述了卡尔曼滤波法在施工控制中的运用，并给出了该桥施工控制所取得的有关成果。 【关键词】斜拉桥；施工控制；索力 1. 工程概况 （1）荔波县官塘大桥位处荔波县城区东面，樟江大桥下游800m官塘大道上，是连接荔波县城时来坝片区与老城区的重要桥梁。桥长180m，桥梁起点桩号K0+030.5，终点桩号K0+210.5。跨径布置为85+85m双拱式独塔双索面PC双主梁式斜拉桥（无引桥）。桥梁设计等级为公路-Ⅰ级，桥面总宽32m，双向四车道。 （2）主梁采用C55混凝土，为实体双主梁截面。全桥采用等高度截面，截面高度均为2.24m（主梁中心线处）。标准截面纵向每隔8m设一道横隔板。桥面划分为8个施工梁段，标准节段长8m，合龙段长2m，采用后支点挂篮悬浇施工。主塔为Q345D级钢结构，截面轮廓尺寸为3200×2500mm（横桥向×顺桥向），钢箱壁厚J0-J2段为40mm，其余段均为30mm。钢塔施工采用节段悬臂拼装。全桥共设置2×9根水平索和4×9根斜拉索。桥梁的总体布置见图1。 图1桥梁立面布置图2. 斜拉桥施工控制的一般方法 2.1事后调整控制法。事后调整控制法是指在施工过程中，当发现已成结构状态与设计要求不符时，可以通过一定补救措施对其进行调整，使之达到设计要求的方法。但是这种方法仅适用于那些结构内力与线性能够调整的特殊情况，斜拉桥可算是其中的一种。 2.2预测控制法。预测控制法是指在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标后，对结构的每一个施工节段形成前后的状态进行预测，使施工沿着预定的轨道进行，直至施工阶段顺利完成的方法。这种方法适用于所有类型的桥梁，那些对已成结构的状态具有不可调整性的桥梁，其施工控制必须采用此种方法。如预应力混凝土连续刚构桥采用悬臂施工时，其已成节段的状态是无法进行调整的，只能对待施工的节段状态进行调整。由此可见，预测控制法是桥梁施工控制的主要方法。 2.3根据官塘大桥结构和施工方法的特点，本桥采用事后调整法和预测控制法相结合，遵循“预测——施工——实测——对比——调整——预测”的方法系统的对其进行施工控制。 3. 施工控制的工作内容 3.1官塘大桥施工控制的工作内容主要有一下四点。 （1）施工过程的仿真计算，目的是得到施工过程中全桥的理论数据。 （2）施工过程的现场监测，目的是得到施工过程中全桥的实测数据。 （3）施工过程的参数识别，在（1）和（2）所获取的数据的基础上即可对大桥的有关参数进行识别得到每一施工阶段的标高和索力。 （4）施工过程的索力调整。 图2全桥模型图3.2施工过程的仿真计算。 （1）官塘大桥的仿真计算采用的是Midas-Civil结构计算软件建立的有限元模型，主要是依据设计院所提供的图纸，并在适当的地方进行了必要的简化。在建模过程中，考虑到划分网格的便利和以后观察结果的需要对模型的块体进行了合理的划 （2）将结构划分为183个平面梁单元， 217个节点。其中主梁96个单元，塔座6个单元，主塔48 个单元，斜拉索27个单元用拉索单元模拟，桥墩6个单元。塔座与桥墩固结。挂篮利用软件中的挂篮系统模拟，每套挂篮划分为2个单元。在原已有结构分析计算的基础上，采用三维实体单元对结构的细节进行了真实的模拟按照施工和设计所确定的施工工序以及设计所提供的基本参数，对施工过程进行了实时仿真计算，由此得到相对详精确、详尽和可靠的分析结果和控制数据。 3.3施工过程的现场监测。为了随时掌握在施工过程中的主梁和索塔的实际应力、位移、斜拉索的索力，检验和指导结构计算，就必须在施工的过程中埋置应力传感器、拉索中的拉力传感器，设置位移观测点。但在考虑这些元件的布设位置时，同时注意到今后全桥测试也能够应用。索力、应力、温度和位移观测一般应同时进行，即是说每次都要将所有的可测点进行观测，并且是定时（在温度相对稳定的时刻，即如日出之前的早晨7点～9点，进行测试）测量，形成一套完整的观测资料。 3.4施工过程的参数识别。由于设计时所采用的许多设计参数，如材料的弹性模量、结构自重、混凝土收缩徐变参数等与实际工程中所表现出来的参数不完全一致，以及施工中存在的各种误差都会导致施工过程中主梁标高、斜拉索索力偏离设计目标，而且会随着斜拉索悬臂的不断延伸而逐渐累积，如果不加以及时有效的控制和调整，最终会造成合拢困难，影响成桥后的内力和线形。为消除因设计参数取值的不确切所引起的施工中设计与实际的不一致性，在施工过程中应采用最小二乘法和自适应卡尔曼滤波法对这些参数进行识别和调整。 4.1卡尔曼滤波法。本工程采用卡尔曼滤波法进行偏差的处理和索力调整。卡尔曼滤波法类似一次张拉法，但当前阶段的张拉力不是原来的计算索力，而是根据变位的实测数值经过滤波和反馈控制计算后给出的索力修正值。它把梁的扰度X看作随机状态矢量，索力U作为外加控制矢量，通过适当的选择索力以控制最后梁端或塔顶位置达到某一指定值δ。因此，它对位置的控制是绝对的，对于索力的控制则是在满足设计位置的基础上，以结构内能为最小条件下的最优。 4.2索力测试。测试方法。 本桥采用微振法对索力进行实测，该法测试速度快、设备简单，综合误差可控制在5%以下。 微振法是通过测定拉索的自振频率，由下式计算索力： T=4W1gl2〔fn1n〕2=4W1gl2F2 式中： T——索力（N） W——单位索长的重量（Kg/m） fn——索的第n阶自振频率（Hz） l——索的计算长度（m） n——索自振频率阶数 g——重力加速度（9.81m/s2） F——索自振基频 由于待测斜拉索数量多、索力大、并有多种规格， 因此拟采用微振法（也称弦振法）进行测试， 以满足对现场索力测定快速、准确的要求。 4.3索力对比分析。 （1）本桥的仿真计算采用的是Midas-Civil结构计算软件建立的有限元模型，以设计成桥索力为合理成桥索力的目标值，用倒拆——正装迭代法反复调试确定初始张拉索力，最终计算成桥索力与设计索力如表1、表2。 （2）经过一次调索后实测索力与设计索力见表3、表4。 （3）索力最大差值发生在水平索上游侧Z4，大于设计索力225KN，偏大4.64%，小于设计要求5%的容许偏差值。 5. 结论 （1）针对官塘大桥的施工工艺，以有限元理论为基础，应用土木工程专用的结构分析与优化设计软件MIDAS-Civil建立全桥模拟分析模型。并对斜拉桥施工控制的分析方法进行了一定阐述。 （2）运用事后调整法和预测控制法相结合，遵循“预测——施工——实测——对比——调整——预测” 的方法，把仿真计算、施工、测量、参数识别、误差修正有机的结合起来，有效的控制索力和标高及主梁应力，并能及时的修正各阶段的误差，避免误差积累最终获得了较好的结构内力状态和主梁线形。 参考文献 [1]向中富.桥梁施工控制技术（第1版）[M].北京：人民交通出版社，2001. [2]陈湛荣.混凝土斜拉桥仿真计算与施工控制[硕士学位论文].重庆交通大学，2008. [3]徐君兰.大跨径桥梁施工控制[M].人民交通. [4]邵旭东.桥梁工程（第1版）[M]. 北京：人民交通出版社，2001. [5]王成发.斜拉桥成桥索力的探讨及施工过程分析[硕士学位论文].长安大学，2008. |
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