【颜东煌】斜拉桥的自适应无应力构形控制法
2011-06-17 来源：颜东煌 陈常松 来源：中国桥梁网
1、斜拉桥自适应无应力构形控制法概述
斜拉桥由索塔、加劲梁、斜拉索三种基本构件组成。其在荷载作用下呈现出索塔受压（微小弯矩），加劲梁受弯（稀索体系）和受压（密索体系），斜拉索受拉的结构受力特点，因此，斜拉桥是一种受力比较复杂的组合桥梁结构体系。随着斜拉桥向超大跨度方向发展，会出现超高塔、超长索、超柔性加劲梁的结构，这些结构对施工控制提出了更高的要求。
斜拉桥属于高次超静定结构，其施工过程属于典型的时变过程。因此在其具体的建造过程中，如何完整实现既定的设计意图将受到诸多复杂因素的干扰，其中设计理念、施工工艺这二者又是其中的关键影响因素。由于斜拉桥结构的特殊性，因此在施工过程中将不可避免的面临着多次结构体系转换的问题，这就需要一个完善的系统的处理方法对施工进行最优控制。施工监控就是对桥梁施工过程中结构的受力、变形及稳定性进行有效的实时监测，使得施工中的结构总是处于安全状态，且保证成桥状态(包括内力和线形状态)符合设计、规范的要求。
斜拉桥施工控制方法的发展经历了从简单到复杂的过程，从控制思路上可分为以下三种形式：开环控制（确定性控制），反馈控制（随机性控制）和自适应控制。
开环控制的过程是单向性的，即仅在施工前，根据理想的成桥状态求得每个施工阶段主梁的位置和对应的拉索索力。在具体的施工过程中，并不根据结构的反应来改变施工的参数。例如顺推法及无应力状态法都属于开环控制方法，施工过程中的控制量，如预拱度、块件重量、预应力等是单向决定的，他们没有控制误差和修正误差的功能，因此并不需要根据反馈来改变。
反馈控制实际上是一种闭坏控制，它通过施工控制量的实测数据，对施工状态与理想状态之间的误差进行及时调整，而调整的具体措施和控制量的大小则由误差反馈计算所决定。对斜拉桥而言，主要控制措施一般就是调整斜拉索的初始安装索力和改变梁段的预拱度。
自适应控制则在反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别的过程，此时整个控制系统就成为自适应控制系统。当结构测试出的内力或者线形状态与模型计算结果不相符且其他过程无误时，把误差输入到参数识别系统中去调节计算模型相应的参数，使调整后的模型输出结果与实际测量的结果相一致。在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，在无其他误差因素引入的情况下，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。因此，该思路被认为是最好的斜拉桥施工控制思想。成功运用该方法关键在于正确、全面分析误差产生的原因，逐步减小理论模型和实际结构间的差别，从而对施工状态进行最优控制。
斜拉桥自适应施工控制用来描述斜拉桥按照施工状态的变化调整自身误差的能力。斜拉桥的无应力状态控制法是利用单元的无应力长度和单元的无应力曲率来建立各个施工中间状态和成桥状态的联系，其中单元的无应力长度可理解为：结构体系内任意构件单元，受荷载变形后单元上两节点之间的几何距离就是单元的“有应力”长度。假设卸除该单元的轴向力，单元轴向变形恢复，此时单元上两节点的几何距离定义为构件单元的无应力长度；单元的无应力曲率可理解为：桥梁结构中，当单元长度足够细分时，分析计算可仅考虑单元的杆端力，这时单元的变形曲线一定是一个三次曲线。利用结构受荷载变形后单元上两节点的水平位移、竖向位移和转角位移可计算单元上任意截面的挠度曲线和曲率，这就是单元的“有应力”曲率，假设在此基础上卸除该单元的弯矩，则单元的弯曲变形恢复，此时单元挠度曲线和曲率称之为构件单元的无应力曲率。无应力状态法的基本观点为“当结构构件单元的最终无应力长度与无应力曲率一定时，则最终结构的内力状态与位移状态与结构形成过程无关”。前者从控制思路上表明施工控制的高级形式，后者从控制原理上揭示了施工控制的力学本质。
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在计算出斜拉桥各个构件无应力构形的基础上，对施工过程中出现的参数误差进行识别，通过误差系统反馈并对各个构件无应力构形进行修正，从而达到斜拉桥施工的最优控制，即斜拉桥自适应无应力构形控制法。
2、自适应无应力构形控制法的基本思想、必要性及可行性
2.1 自适应无应力构形控制法的基本思想
自适应系统在工作过程中能不断地检测系统参数和运行指标，根据参数或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，使系统工作于最优工作状态或接近于最优工作状态。斜拉桥自适应无应力构形控制法的基本含义是，对于采用预制拼装的斜拉桥，通过精确计算并控制节段构件无应力时的几何尺寸和重量等参数，减少施工时结构刚度和自重等参数产生的误差，以结构（主要是主梁）的线型控制为主并校核内力，结构线型误差通过某些简单实用的措施（如垫片调整、焊缝宽度调整）进行调整，从而既满足成桥后线型和内力精度控制要求，又简化施工难度、方便施工。
斜拉桥自适应无应力构形控制法在精确计算出斜拉桥各个构件无应力构形和精确预制各个构件（制造构形）的基础上，再对各个构件进行现场逐段安装（安装构形），并对施工节段中出现的参数误差进行不断地识别和预测，通过误差系统反馈并对各个构件无应力构形进行不断地修正调整，从而使斜拉桥一直处于最优或接近于最优施工状态。其中无应力构形、制造构形、安装构形三者之间存在一定的区别，无应力构形指桥梁在无应力状态下的构形，工厂按此预制构件，故也称为预制构形；安装构形指桥梁安装过程中各新增梁段连成的构形。
如果举例说明悬臂拼装的钢箱梁斜拉桥实现自适应无应力构形控制法的步骤，则可以如下：
（1）通过正装计算，精确计算出斜拉桥各个构件的无应力构形。
（2）斜拉索和钢箱梁在工厂里按照无应力构形进行精确预制，同时对其出厂质量进行严格标定。
（3）现场实现斜拉桥各个预制构件的精确安装。通过控制斜拉索的锚头的伸缩量，来调整斜拉索的无应力长度；通过调整焊缝宽度来调整钢箱梁的无应力长度；通过桥面吊机的提升和一些临时措施来调整新安装梁段和前一梁段之间的夹角。
（4）实现下一梁段安装的自适应调整。由于误差存在的必然性，因此须及时找出误差来源，并识别出各种误差的大小，把误差带入前进分析模型中，重新进行正装计算，计算出无应力构形的修正量。然后，通过如（3）中的措施现场实施斜拉索和钢箱梁无应力构形的安装调整。
（5）如此循环（3）、（4），一直到所有梁段悬臂拼装完成。
2.2、自适应无应力构形控制法的必要性
斜拉桥向超大跨度方向发展以及对施工控制提出更高的要求促进斜拉桥自适应无应力构形控制法的发展。
斜拉桥自适应无应力构形控制法研究的必要性：
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（1）施工规范和设计规范对斜拉桥施工控制提出明确的要求。我国《公路斜拉桥设计规范（试行）》（JTJ 027-96）中明确规定，对斜拉桥应进行施工控制，对跨径较大的斜拉桥应计入结构几何非线性和材料非线性对结构的影响。对于超大跨度斜拉桥的设计和施工，还将面临比一般斜拉桥结构更加复杂、更加特殊的新问题，且这些问题的出现如得不到及时有效的修正将会对以后的结构误差控制产生重大的影响，因此亦须有与之相应的控制方法。
（2）超大跨度斜拉桥的出现对斜拉桥施工控制提出更高的要求。超长斜拉索、超高塔、超长加劲梁的结构体系比一般结构体系更加难以控制。因此需要选择合适的施工控制方法和确定合适的施工控制精度从而保证斜拉桥施工的优质高效进行。
（3）超长斜拉索的张拉需要选取更加合理的控制参数。斜拉桥的施工中，采用以索力为斜拉索张拉控制参数存在较大的测试误差，而采用以斜拉索的无应力长度为基础的锚头拔出量（回缩量）调整斜拉索时，测试更容易实现，精度更容易保证。斜拉桥自适应无应力构形控制法就是精确计算各个施工状态下斜拉索的无应力长度，控制斜拉索张拉延伸量，从而保证施工控制精度。
（4）采取合理、高效的斜拉桥施工控制系统成为加快施工进度、保证工程质量的必要条件。自适应无应力构形控制法是基于无应力构形的计算为基础的，它在实现钢箱梁斜拉桥悬拼过程中如钢箱梁的起吊、斜拉索的调整与临时荷载的移动等多工序同步作业的基础上按自适应思想有效调整施工误差。
2.3、自适应无应力构形控制法的可行性
自适应无应力构形控制法是主要针对钢斜拉桥施工控制提出的一种实用方法。斜拉桥自适应无应力构形控制法的基本含义就是，对于采用预制拼装施工的斜拉桥，通过精确计算并控制预制节段构件无应力时的几何尺寸和重量等参数，减少施工时结构刚度和自重等参数产生的误差，以结构（主要是主梁）的线型控制为主并校核内力，结构线型误差通过某些简单实用措施（如垫片调整、焊缝宽度调整）进行调整，从而既满足成桥后线型和内力精度控制要求，又简化施工控制难度、方便施工。
实现自适应无应力构形控制法主要基于以下两个重要认识：
（1）通过在标准环境中，严格控制节段无应力时的几何尺寸、重量，确保节段的刚度和恒载集度与设计参数一致，超大跨度斜拉桥施工过程由于主梁抗弯刚度相对拉索轴向刚度较小，并且拉索索力与主梁自重总处于平衡状态，当构件按无应力长度拼装且无自重误差（或误差很小）时结构内力的误差也比较小，并且由于钢材的容许应力范围较大，所以施工控制时结构内力不作为主要控制对象，将结构的几何线型控制作为主要目标，对大跨度斜拉桥的施工精度控制可以通过对每一节段构件的结构尺寸、桥面标高控制达到，而不是通过对拉索张力的控制。
（2）由于节段刚度误差较小，当严格控制恒载及临时荷载等因素时，桥梁变形误差也相应地减小。即使有局部误差也可通过调节垫片厚度和焊缝宽度来调整节段之间的夹角以进行修正，当有位于大曲线上的主梁线型误差时，因主梁刚度较拉索刚度小，该误差在吊装后也会在节段自重作用下会消失或大大减小，但此时主梁将产生局部附加应力，并且在主梁合龙前大曲线上的线型误差可通过拉索索力调整进一步减少。
在以上分析的基础上，针对钢斜拉桥实现自适应无应力构形控制法的可行性可总结如下：
（1）根据工厂现有条件，可以实现钢斜拉桥各个构件的高精度预制。斜拉索在工厂预制完成后，出场时候还需要对斜拉索的出厂性能指标如无应力索长、每延米索重等做出准确测量，以便修正斜拉索的设计参数误差。而钢桁梁或钢箱在预制工厂里分节段制作（切割、栓接或焊接），主梁节段的尺寸、形状和重量可以在设计温度下得到严格控制的条件下，其制作精度可以通过一定的措施予以保证，因而其刚度误差、主梁自重误差都非常小。
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（2）根据施工技术条件，可以保证钢斜拉桥各个构件在现场高精度安装。对于斜拉索的张拉或放松，可以通过钢尺精确测量出斜拉索的锚头延伸量或回缩量。对于悬臂拼装的钢箱梁，桥面吊机把钢箱梁吊到桥面位置，可以通过一定的措施保证钢箱梁吊装节段同前已安装梁段的精确匹配（通过梁段轴线控制和相对夹角），然后进行打马焊接。
（3）根据现场施工调整手段，可以实现钢斜拉桥安装线形的自适应调整。因为钢斜拉桥的主梁应力的容许范围比较大，所以钢主梁的调整自由度较混凝土主梁大。钢主梁碰撞时主梁标高、轴线位置、单元长度可以通过一定的措施进行调整，如调整顶底板焊缝宽度、加垫片、现场切割或加拉索垫片等等。
（4）基于非线性正装迭代法，可以实现钢斜拉桥各个构形的精确计算。
3、无应力构形控制法自适应过程实现及前景
无应力构形控制法表明，如果按各构件单元原有的无应力长度和无应力曲率恢复斜拉桥，则不论结构单元按怎样的先后顺序安装，还原后的结构内力和线形将与原结构一致。但在实际施工中，结构的实际状态并不总是与理想状态吻合，甚至说结构的实际状态很难达到它的理想状态，偏离目标的原因很多，包括设计参数误差、施工误差、测量误差、结构分析模型误差等。因此需要误差处理系统对参数进行识别，并对参数误差进行预测，然后，对各构件的无应力构形进行修正，最后，通过现场措施对各构件安装构形进行调整。这种修正调整是在每一个施工阶段不断进行的，是一个不断循环向前、不断自适应的过程。
无应力构形控制法的自适应过程应至少包括三个方面的内容：参数敏感性分析、无应力构形的修正、结构状态的调整。通过参数敏感性分析识别出主要设计参数，以便确定主要误差。通过修正前进分析系统中的参数误差，输出修正后的无应力构形。通过参数预测和现场施工措施，实现对结构状态的调整。
斜拉桥自适应无应力构形控制法综合体现了自适应控制思想和斜拉桥的无应力状态控制法两者的优点，但是它又不等于两者的简单组合。自适应思想所具有的适应性体现了桥梁结构形成过程的“灵”，无应力状态法则体现了桥梁结构的“魂”，两者有机结合则可以说是形成最终桥梁结构的“灵魂”。大量的实桥建设已经验证了其具有的有效性，并必将在以后的工程实践过程中继续展现并发挥出其优越性。
