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【顏東煌】斜拉橋的自適應無應力構形控制法
2011-06-17 來源:顏東煌 陳常松 來源:中國橋梁網
 1、斜拉橋自適應無應力構形控制法概述

    斜拉橋由索塔、加勁梁、斜拉索三種基本構件組成。其在荷載作用下呈現出索塔受壓(微小彎矩),加勁梁受彎(稀索體系)和受壓(密索體系),斜拉索受拉的結構受力特點,因此,斜拉橋是一種受力比較復雜的組合橋梁結構體系。隨著斜拉橋向超大跨度方向發展,會出現超高塔、超長索、超柔性加勁梁的結構,這些結構對施工控制提出了更高的要求。

    斜拉橋屬于高次超靜定結構,其施工過程屬于典型的時變過程。因此在其具體的建造過程中,如何完整實現既定的設計意圖將受到諸多復雜因素的干擾,其中設計理念、施工工藝這二者又是其中的關鍵影響因素。由于斜拉橋結構的特殊性,因此在施工過程中將不可避免的面臨著多次結構體系轉換的問題,這就需要一個完善的系統的處理方法對施工進行最優控制。施工監控就是對橋梁施工過程中結構的受力、變形及穩定性進行有效的實時監測,使得施工中的結構總是處于安全狀態,且保證成橋狀態(包括內力和線形狀態)符合設計、規范的要求。

    斜拉橋施工控制方法的發展經歷了從簡單到復雜的過程,從控制思路上可分為以下三種形式:開環控制(確定性控制),反饋控制(隨機性控制)和自適應控制。

    開環控制的過程是單向性的,即僅在施工前,根據理想的成橋狀態求得每個施工階段主梁的位置和對應的拉索索力。在具體的施工過程中,并不根據結構的反應來改變施工的參數。例如順推法及無應力狀態法都屬于開環控制方法,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,他們沒有控制誤差和修正誤差的功能,因此并不需要根據反饋來改變。

    反饋控制實際上是一種閉壞控制,它通過施工控制量的實測數據,對施工狀態與理想狀態之間的誤差進行及時調整,而調整的具體措施和控制量的大小則由誤差反饋計算所決定。對斜拉橋而言,主要控制措施一般就是調整斜拉索的初始安裝索力和改變梁段的預拱度。

    自適應控制則在反饋控制的基礎上,再加上一個系統參數識別的過程,此時整個控制系統就成為自適應控制系統。當結構測試出的內力或者線形狀態與模型計算結果不相符且其他過程無誤時,把誤差輸入到參數識別系統中去調節計算模型相應的參數,使調整后的模型輸出結果與實際測量的結果相一致。在得到修正的計算模型參數后,重新計算各施工階段的理想狀態,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,在無其他誤差因素引入的情況下,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進行更好的控制。因此,該思路被認為是最好的斜拉橋施工控制思想。成功運用該方法關鍵在于正確、全面分析誤差產生的原因,逐步減小理論模型和實際結構間的差別,從而對施工狀態進行最優控制。

    斜拉橋自適應施工控制用來描述斜拉橋按照施工狀態的變化調整自身誤差的能力。斜拉橋的無應力狀態控制法是利用單元的無應力長度和單元的無應力曲率來建立各個施工中間狀態和成橋狀態的聯系,其中單元的無應力長度可理解為:結構體系內任意構件單元,受荷載變形后單元上兩節點之間的幾何距離就是單元的“有應力”長度。假設卸除該單元的軸向力,單元軸向變形恢復,此時單元上兩節點的幾何距離定義為構件單元的無應力長度;單元的無應力曲率可理解為:橋梁結構中,當單元長度足夠細分時,分析計算可僅考慮單元的桿端力,這時單元的變形曲線一定是一個三次曲線。利用結構受荷載變形后單元上兩節點的水平位移、豎向位移和轉角位移可計算單元上任意截面的撓度曲線和曲率,這就是單元的“有應力”曲率,假設在此基礎上卸除該單元的彎矩,則單元的彎曲變形恢復,此時單元撓度曲線和曲率稱之為構件單元的無應力曲率。無應力狀態法的基本觀點為“當結構構件單元的最終無應力長度與無應力曲率一定時,則最終結構的內力狀態與位移狀態與結構形成過程無關”。前者從控制思路上表明施工控制的高級形式,后者從控制原理上揭示了施工控制的力學本質。
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    在計算出斜拉橋各個構件無應力構形的基礎上,對施工過程中出現的參數誤差進行識別,通過誤差系統反饋并對各個構件無應力構形進行修正,從而達到斜拉橋施工的最優控制,即斜拉橋自適應無應力構形控制法。

    2、自適應無應力構形控制法的基本思想、必要性及可行性

    2.1 自適應無應力構形控制法的基本思想

    自適應系統在工作過程中能不斷地檢測系統參數和運行指標,根據參數或運行指標的變化,改變控制參數或控制作用,使系統工作于最優工作狀態或接近于最優工作狀態。斜拉橋自適應無應力構形控制法的基本含義是,對于采用預制拼裝的斜拉橋,通過精確計算并控制節段構件無應力時的幾何尺寸和重量等參數,減少施工時結構剛度和自重等參數產生的誤差,以結構(主要是主梁)的線型控制為主并校核內力,結構線型誤差通過某些簡單實用的措施(如墊片調整、焊縫寬度調整)進行調整,從而既滿足成橋后線型和內力精度控制要求,又簡化施工難度、方便施工。

    斜拉橋自適應無應力構形控制法在精確計算出斜拉橋各個構件無應力構形和精確預制各個構件(制造構形)的基礎上,再對各個構件進行現場逐段安裝(安裝構形),并對施工節段中出現的參數誤差進行不斷地識別和預測,通過誤差系統反饋并對各個構件無應力構形進行不斷地修正調整,從而使斜拉橋一直處于最優或接近于最優施工狀態。其中無應力構形、制造構形、安裝構形三者之間存在一定的區別,無應力構形指橋梁在無應力狀態下的構形,工廠按此預制構件,故也稱為預制構形;安裝構形指橋梁安裝過程中各新增梁段連成的構形。

    如果舉例說明懸臂拼裝的鋼箱梁斜拉橋實現自適應無應力構形控制法的步驟,則可以如下:

    (1)通過正裝計算,精確計算出斜拉橋各個構件的無應力構形。

    (2)斜拉索和鋼箱梁在工廠里按照無應力構形進行精確預制,同時對其出廠質量進行嚴格標定。

    (3)現場實現斜拉橋各個預制構件的精確安裝。通過控制斜拉索的錨頭的伸縮量,來調整斜拉索的無應力長度;通過調整焊縫寬度來調整鋼箱梁的無應力長度;通過橋面吊機的提升和一些臨時措施來調整新安裝梁段和前一梁段之間的夾角。

    (4)實現下一梁段安裝的自適應調整。由于誤差存在的必然性,因此須及時找出誤差來源,并識別出各種誤差的大小,把誤差帶入前進分析模型中,重新進行正裝計算,計算出無應力構形的修正量。然后,通過如(3)中的措施現場實施斜拉索和鋼箱梁無應力構形的安裝調整。

    (5)如此循環(3)、(4),一直到所有梁段懸臂拼裝完成。

    2.2、自適應無應力構形控制法的必要性

    斜拉橋向超大跨度方向發展以及對施工控制提出更高的要求促進斜拉橋自適應無應力構形控制法的發展。

    斜拉橋自適應無應力構形控制法研究的必要性:
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    (1)施工規范和設計規范對斜拉橋施工控制提出明確的要求。我國《公路斜拉橋設計規范(試行)》(JTJ 027-96)中明確規定,對斜拉橋應進行施工控制,對跨徑較大的斜拉橋應計入結構幾何非線性和材料非線性對結構的影響。對于超大跨度斜拉橋的設計和施工,還將面臨比一般斜拉橋結構更加復雜、更加特殊的新問題,且這些問題的出現如得不到及時有效的修正將會對以后的結構誤差控制產生重大的影響,因此亦須有與之相應的控制方法。

    (2)超大跨度斜拉橋的出現對斜拉橋施工控制提出更高的要求。超長斜拉索、超高塔、超長加勁梁的結構體系比一般結構體系更加難以控制。因此需要選擇合適的施工控制方法和確定合適的施工控制精度從而保證斜拉橋施工的優質高效進行。

    (3)超長斜拉索的張拉需要選取更加合理的控制參數。斜拉橋的施工中,采用以索力為斜拉索張拉控制參數存在較大的測試誤差,而采用以斜拉索的無應力長度為基礎的錨頭拔出量(回縮量)調整斜拉索時,測試更容易實現,精度更容易保證。斜拉橋自適應無應力構形控制法就是精確計算各個施工狀態下斜拉索的無應力長度,控制斜拉索張拉延伸量,從而保證施工控制精度。

    (4)采取合理、高效的斜拉橋施工控制系統成為加快施工進度、保證工程質量的必要條件。自適應無應力構形控制法是基于無應力構形的計算為基礎的,它在實現鋼箱梁斜拉橋懸拼過程中如鋼箱梁的起吊、斜拉索的調整與臨時荷載的移動等多工序同步作業的基礎上按自適應思想有效調整施工誤差。

    2.3、自適應無應力構形控制法的可行性

    自適應無應力構形控制法是主要針對鋼斜拉橋施工控制提出的一種實用方法。斜拉橋自適應無應力構形控制法的基本含義就是,對于采用預制拼裝施工的斜拉橋,通過精確計算并控制預制節段構件無應力時的幾何尺寸和重量等參數,減少施工時結構剛度和自重等參數產生的誤差,以結構(主要是主梁)的線型控制為主并校核內力,結構線型誤差通過某些簡單實用措施(如墊片調整、焊縫寬度調整)進行調整,從而既滿足成橋后線型和內力精度控制要求,又簡化施工控制難度、方便施工。

    實現自適應無應力構形控制法主要基于以下兩個重要認識:

    (1)通過在標準環境中,嚴格控制節段無應力時的幾何尺寸、重量,確保節段的剛度和恒載集度與設計參數一致,超大跨度斜拉橋施工過程由于主梁抗彎剛度相對拉索軸向剛度較小,并且拉索索力與主梁自重總處于平衡狀態,當構件按無應力長度拼裝且無自重誤差(或誤差很小)時結構內力的誤差也比較小,并且由于鋼材的容許應力范圍較大,所以施工控制時結構內力不作為主要控制對象,將結構的幾何線型控制作為主要目標,對大跨度斜拉橋的施工精度控制可以通過對每一節段構件的結構尺寸、橋面標高控制達到,而不是通過對拉索張力的控制。

    (2)由于節段剛度誤差較小,當嚴格控制恒載及臨時荷載等因素時,橋梁變形誤差也相應地減小。即使有局部誤差也可通過調節墊片厚度和焊縫寬度來調整節段之間的夾角以進行修正,當有位于大曲線上的主梁線型誤差時,因主梁剛度較拉索剛度小,該誤差在吊裝后也會在節段自重作用下會消失或大大減小,但此時主梁將產生局部附加應力,并且在主梁合龍前大曲線上的線型誤差可通過拉索索力調整進一步減少。

    在以上分析的基礎上,針對鋼斜拉橋實現自適應無應力構形控制法的可行性可總結如下:

    (1)根據工廠現有條件,可以實現鋼斜拉橋各個構件的高精度預制。斜拉索在工廠預制完成后,出場時候還需要對斜拉索的出廠性能指標如無應力索長、每延米索重等做出準確測量,以便修正斜拉索的設計參數誤差。而鋼桁梁或鋼箱在預制工廠里分節段制作(切割、栓接或焊接),主梁節段的尺寸、形狀和重量可以在設計溫度下得到嚴格控制的條件下,其制作精度可以通過一定的措施予以保證,因而其剛度誤差、主梁自重誤差都非常小。
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    (2)根據施工技術條件,可以保證鋼斜拉橋各個構件在現場高精度安裝。對于斜拉索的張拉或放松,可以通過鋼尺精確測量出斜拉索的錨頭延伸量或回縮量。對于懸臂拼裝的鋼箱梁,橋面吊機把鋼箱梁吊到橋面位置,可以通過一定的措施保證鋼箱梁吊裝節段同前已安裝梁段的精確匹配(通過梁段軸線控制和相對夾角),然后進行打馬焊接。

    (3)根據現場施工調整手段,可以實現鋼斜拉橋安裝線形的自適應調整。因為鋼斜拉橋的主梁應力的容許范圍比較大,所以鋼主梁的調整自由度較混凝土主梁大。鋼主梁碰撞時主梁標高、軸線位置、單元長度可以通過一定的措施進行調整,如調整頂底板焊縫寬度、加墊片、現場切割或加拉索墊片等等。

    (4)基于非線性正裝迭代法,可以實現鋼斜拉橋各個構形的精確計算。

    3、無應力構形控制法自適應過程實現及前景

    無應力構形控制法表明,如果按各構件單元原有的無應力長度和無應力曲率恢復斜拉橋,則不論結構單元按怎樣的先后順序安裝,還原后的結構內力和線形將與原結構一致。但在實際施工中,結構的實際狀態并不總是與理想狀態吻合,甚至說結構的實際狀態很難達到它的理想狀態,偏離目標的原因很多,包括設計參數誤差、施工誤差、測量誤差、結構分析模型誤差等。因此需要誤差處理系統對參數進行識別,并對參數誤差進行預測,然后,對各構件的無應力構形進行修正,最后,通過現場措施對各構件安裝構形進行調整。這種修正調整是在每一個施工階段不斷進行的,是一個不斷循環向前、不斷自適應的過程。

    無應力構形控制法的自適應過程應至少包括三個方面的內容:參數敏感性分析、無應力構形的修正、結構狀態的調整。通過參數敏感性分析識別出主要設計參數,以便確定主要誤差。通過修正前進分析系統中的參數誤差,輸出修正后的無應力構形。通過參數預測和現場施工措施,實現對結構狀態的調整。

    斜拉橋自適應無應力構形控制法綜合體現了自適應控制思想和斜拉橋的無應力狀態控制法兩者的優點,但是它又不等于兩者的簡單組合。自適應思想所具有的適應性體現了橋梁結構形成過程的“靈”,無應力狀態法則體現了橋梁結構的“魂”,兩者有機結合則可以說是形成最終橋梁結構的“靈魂”。大量的實橋建設已經驗證了其具有的有效性,并必將在以后的工程實踐過程中繼續展現并發揮出其優越性。

    
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