【顏東煌】斜拉橋的自適應無應力構(gòu)形控制法
2011-06-17 來源：顏東煌 陳常松 來源：中國橋梁網(wǎng)
1、斜拉橋自適應無應力構(gòu)形控制法概述
斜拉橋由索塔、加勁梁、斜拉索三種基本構(gòu)件組成。其在荷載作用下呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)受力特點，因此，斜拉橋是一種受力比較復雜的組合橋梁結(jié)構(gòu)體系。隨著斜拉橋向超大跨度方向發(fā)展，會出現(xiàn)超高塔、超長索、超柔性加勁梁的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對施工控制提出了更高的要求。
斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(guān)鍵影響因素。由于斜拉橋結(jié)構(gòu)的特殊性，因此在施工過程中將不可避免的面臨著多次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的問題，這就需要一個完善的系統(tǒng)的處理方法對施工進行最優(yōu)控制。施工監(jiān)控就是對橋梁施工過程中結(jié)構(gòu)的受力、變形及穩(wěn)定性進行有效的實時監(jiān)測，使得施工中的結(jié)構(gòu)總是處于安全狀態(tài)，且保證成橋狀態(tài)(包括內(nèi)力和線形狀態(tài))符合設計、規(guī)范的要求。
斜拉橋施工控制方法的發(fā)展經(jīng)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(huán)控制（確定性控制），反饋控制（隨機性控制）和自適應控制。
開環(huán)控制的過程是單向性的，即僅在施工前，根據(jù)理想的成橋狀態(tài)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(jù)結(jié)構(gòu)的反應來改變施工的參數(shù)。例如順推法及無應力狀態(tài)法都屬于開環(huán)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(jù)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(shù)據(jù)，對施工狀態(tài)與理想狀態(tài)之間的誤差進行及時調(diào)整，而調(diào)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(diào)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(chǔ)上，再加上一個系統(tǒng)參數(shù)識別的過程，此時整個控制系統(tǒng)就成為自適應控制系統(tǒng)。當結(jié)構(gòu)測試出的內(nèi)力或者線形狀態(tài)與模型計算結(jié)果不相符且其他過程無誤時，把誤差輸入到參數(shù)識別系統(tǒng)中去調(diào)節(jié)計算模型相應的參數(shù)，使調(diào)整后的模型輸出結(jié)果與實際測量的結(jié)果相一致。在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(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。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(guān)鍵在于正確、全面分析誤差產(chǎn)生的原因，逐步減小理論模型和實際結(jié)構(gòu)間的差別，從而對施工狀態(tài)進行最優(yōu)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(tài)的變化調(diào)整自身誤差的能力。斜拉橋的無應力狀態(tài)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(tài)和成橋狀態(tài)的聯(lián)系，其中單元的無應力長度可理解為：結(jié)構(gòu)體系內(nèi)任意構(gòu)件單元，受荷載變形后單元上兩節(jié)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(jié)點的幾何距離定義為構(gòu)件單元的無應力長度；單元的無應力曲率可理解為：橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受荷載變形后單元上兩節(jié)點的水平位移、豎向位移和轉(zhuǎn)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(chǔ)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(gòu)件單元的無應力曲率。無應力狀態(tài)法的基本觀點為“當結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元的最終無應力長度與無應力曲率一定時，則最終結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)與位移狀態(tài)與結(jié)構(gòu)形成過程無關(guān)”。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(zhì)。
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在計算出斜拉橋各個構(gòu)件無應力構(gòu)形的基礎(chǔ)上，對施工過程中出現(xiàn)的參數(shù)誤差進行識別，通過誤差系統(tǒng)反饋并對各個構(gòu)件無應力構(gòu)形進行修正，從而達到斜拉橋施工的最優(yōu)控制，即斜拉橋自適應無應力構(gòu)形控制法。
2、自適應無應力構(gòu)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(gòu)形控制法的基本思想
自適應系統(tǒng)在工作過程中能不斷地檢測系統(tǒng)參數(shù)和運行指標，根據(jù)參數(shù)或運行指標的變化，改變控制參數(shù)或控制作用，使系統(tǒng)工作于最優(yōu)工作狀態(tài)或接近于最優(yōu)工作狀態(tài)。斜拉橋自適應無應力構(gòu)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(jié)段構(gòu)件無應力時的幾何尺寸和重量等參數(shù)，減少施工時結(jié)構(gòu)剛度和自重等參數(shù)產(chǎn)生的誤差，以結(jié)構(gòu)（主要是主梁）的線型控制為主并校核內(nèi)力，結(jié)構(gòu)線型誤差通過某些簡單實用的措施（如墊片調(diào)整、焊縫寬度調(diào)整）進行調(diào)整，從而既滿足成橋后線型和內(nèi)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(gòu)形控制法在精確計算出斜拉橋各個構(gòu)件無應力構(gòu)形和精確預制各個構(gòu)件（制造構(gòu)形）的基礎(chǔ)上，再對各個構(gòu)件進行現(xiàn)場逐段安裝（安裝構(gòu)形），并對施工節(jié)段中出現(xiàn)的參數(shù)誤差進行不斷地識別和預測，通過誤差系統(tǒng)反饋并對各個構(gòu)件無應力構(gòu)形進行不斷地修正調(diào)整，從而使斜拉橋一直處于最優(yōu)或接近于最優(yōu)施工狀態(tài)。其中無應力構(gòu)形、制造構(gòu)形、安裝構(gòu)形三者之間存在一定的區(qū)別，無應力構(gòu)形指橋梁在無應力狀態(tài)下的構(gòu)形，工廠按此預制構(gòu)件，故也稱為預制構(gòu)形；安裝構(gòu)形指橋梁安裝過程中各新增梁段連成的構(gòu)形。
如果舉例說明懸臂拼裝的鋼箱梁斜拉橋?qū)崿F(xiàn)自適應無應力構(gòu)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(gòu)件的無應力構(gòu)形。
（2）斜拉索和鋼箱梁在工廠里按照無應力構(gòu)形進行精確預制，同時對其出廠質(zhì)量進行嚴格標定。
（3）現(xiàn)場實現(xiàn)斜拉橋各個預制構(gòu)件的精確安裝。通過控制斜拉索的錨頭的伸縮量，來調(diào)整斜拉索的無應力長度；通過調(diào)整焊縫寬度來調(diào)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(diào)整新安裝梁段和前一梁段之間的夾角。
（4）實現(xiàn)下一梁段安裝的自適應調(diào)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(gòu)形的修正量。然后，通過如（3）中的措施現(xiàn)場實施斜拉索和鋼箱梁無應力構(gòu)形的安裝調(diào)整。
（5）如此循環(huán)（3）、（4），一直到所有梁段懸臂拼裝完成。
2.2、自適應無應力構(gòu)形控制法的必要性
斜拉橋向超大跨度方向發(fā)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(gòu)形控制法的發(fā)展。
斜拉橋自適應無應力構(gòu)形控制法研究的必要性：
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（1）施工規(guī)范和設計規(guī)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(guī)范（試行）》（JTJ 027-96）中明確規(guī)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(jié)構(gòu)幾何非線性和材料非線性對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)更加復雜、更加特殊的新問題，且這些問題的出現(xiàn)如得不到及時有效的修正將會對以后的結(jié)構(gòu)誤差控制產(chǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)體系比一般結(jié)構(gòu)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(yōu)質(zhì)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(shù)。斜拉橋的施工中，采用以索力為斜拉索張拉控制參數(shù)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(chǔ)的錨頭拔出量（回縮量）調(diào)整斜拉索時，測試更容易實現(xiàn)，精度更容易保證。斜拉橋自適應無應力構(gòu)形控制法就是精確計算各個施工狀態(tài)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(tǒng)成為加快施工進度、保證工程質(zhì)量的必要條件。自適應無應力構(gòu)形控制法是基于無應力構(gòu)形的計算為基礎(chǔ)的，它在實現(xiàn)鋼箱梁斜拉橋懸拼過程中如鋼箱梁的起吊、斜拉索的調(diào)整與臨時荷載的移動等多工序同步作業(yè)的基礎(chǔ)上按自適應思想有效調(diào)整施工誤差。
2.3、自適應無應力構(gòu)形控制法的可行性
自適應無應力構(gòu)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(gòu)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(jié)段構(gòu)件無應力時的幾何尺寸和重量等參數(shù)，減少施工時結(jié)構(gòu)剛度和自重等參數(shù)產(chǎn)生的誤差，以結(jié)構(gòu)（主要是主梁）的線型控制為主并校核內(nèi)力，結(jié)構(gòu)線型誤差通過某些簡單實用措施（如墊片調(diào)整、焊縫寬度調(diào)整）進行調(diào)整，從而既滿足成橋后線型和內(nèi)力精度控制要求，又簡化施工控制難度、方便施工。
實現(xiàn)自適應無應力構(gòu)形控制法主要基于以下兩個重要認識：
（1）通過在標準環(huán)境中，嚴格控制節(jié)段無應力時的幾何尺寸、重量，確保節(jié)段的剛度和恒載集度與設計參數(shù)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(tài)，當構(gòu)件按無應力長度拼裝且無自重誤差（或誤差很?。r結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)力不作為主要控制對象，將結(jié)構(gòu)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(jié)段構(gòu)件的結(jié)構(gòu)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(jié)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(diào)節(jié)墊片厚度和焊縫寬度來調(diào)整節(jié)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(jié)段自重作用下會消失或大大減小，但此時主梁將產(chǎn)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(diào)整進一步減少。
在以上分析的基礎(chǔ)上，針對鋼斜拉橋?qū)崿F(xiàn)自適應無應力構(gòu)形控制法的可行性可總結(jié)如下：
（1）根據(jù)工廠現(xiàn)有條件，可以實現(xiàn)鋼斜拉橋各個構(gòu)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(shù)誤差。而鋼桁梁或鋼箱在預制工廠里分節(jié)段制作（切割、栓接或焊接），主梁節(jié)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(jù)施工技術(shù)條件，可以保證鋼斜拉橋各個構(gòu)件在現(xiàn)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(jié)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(jù)現(xiàn)場施工調(diào)整手段，可以實現(xiàn)鋼斜拉橋安裝線形的自適應調(diào)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(diào)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(diào)整，如調(diào)整頂?shù)装搴缚p寬度、加墊片、現(xiàn)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(xiàn)鋼斜拉橋各個構(gòu)形的精確計算。
3、無應力構(gòu)形控制法自適應過程實現(xiàn)及前景
無應力構(gòu)形控制法表明，如果按各構(gòu)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(jié)構(gòu)單元按怎樣的先后順序安裝，還原后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形將與原結(jié)構(gòu)一致。但在實際施工中，結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)并不總是與理想狀態(tài)吻合，甚至說結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)很難達到它的理想狀態(tài)，偏離目標的原因很多，包括設計參數(shù)誤差、施工誤差、測量誤差、結(jié)構(gòu)分析模型誤差等。因此需要誤差處理系統(tǒng)對參數(shù)進行識別，并對參數(shù)誤差進行預測，然后，對各構(gòu)件的無應力構(gòu)形進行修正，最后，通過現(xiàn)場措施對各構(gòu)件安裝構(gòu)形進行調(diào)整。這種修正調(diào)整是在每一個施工階段不斷進行的，是一個不斷循環(huán)向前、不斷自適應的過程。
無應力構(gòu)形控制法的自適應過程應至少包括三個方面的內(nèi)容：參數(shù)敏感性分析、無應力構(gòu)形的修正、結(jié)構(gòu)狀態(tài)的調(diào)整。通過參數(shù)敏感性分析識別出主要設計參數(shù)，以便確定主要誤差。通過修正前進分析系統(tǒng)中的參數(shù)誤差，輸出修正后的無應力構(gòu)形。通過參數(shù)預測和現(xiàn)場施工措施，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的調(diào)整。
斜拉橋自適應無應力構(gòu)形控制法綜合體現(xiàn)了自適應控制思想和斜拉橋的無應力狀態(tài)控制法兩者的優(yōu)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(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)形成過程的“靈”，無應力狀態(tài)法則體現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)的“魂”，兩者有機結(jié)合則可以說是形成最終橋梁結(jié)構(gòu)的“靈魂”。大量的實橋建設已經(jīng)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(xù)展現(xiàn)并發(fā)揮出其優(yōu)越性。
