1、浅谈斜拉桥动力特性分析和施工控制方法摘要：桥梁是我国基础建设中一个重要的组成部分，其施工有许多的要点以及难点。本文介绍了斜拉桥动力特性和施工控制方法，通过合理的控制方法对我国的斜拉桥施工进行控制。 关键词：斜拉桥；动力特性；施工控制； 中图分类号： U448.27 文献标识码： A 文章编号： 一、斜拉桥进行施工控制的重要性 斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成，是一种桥面体系受压，支撑体系受拉的桥梁，其桥面体系用加劲梁构成，其支撑体系由钢索组成，具有跨越能力大、结构性能好、施工简便、易于维修、造价便宜和外形轻巧美观等优点。它是一种长周期的柔性结构，作为大跨度桥梁主要结构形式之一，其动力特性反映了结
2、构的质量分布和刚度特性。根据斜拉桥的构成，其受力特性可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁，可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。斜拉桥所采用的材料性能、施工方法、立模标高、浇筑程序以及安装索力等都将直接影响成桥的线形和受力，且实际施工状态与最初的设计假定总会存在一定的差异，因此在进行斜拉桥施工时必须对施工全过程进行施工控制，以便掌握全桥结构的实际线性及受力状态。 二、斜拉桥动力特性分析方法 斜拉桥的动力特性分析常采用有限元法，最精确的是采用实体单元法，该法由于需要对结构进行精细的网格划分和离散，因而计算量通常比较大。除此之外，相对简便的处理方法是将斜拉桥主梁离散为梁
3、和板壳，采用梁-壳组合模型来实现斜拉桥的动力特性分析，但该方法对变截面梁和存在中空区域的箱梁难以描述结构的真实几何构造，且板壳单元的有限元列式中往往无面内刚度，在与空间梁单元连接时梁-壳组合模型需通过罚函数为板壳元引入附加面内刚度。工程中常用子结构法缩减结构系统的求解规模，子结构在内部自由度凝聚前可被视为超级单元。 考虑到求解规模，目前斜拉桥动力特性分析仍以杆系有限元为主，难以实现真正的三维空间分析。在有限元模型中将桥塔简化为梁单元的组合；将桥面系采用双主梁模型来模拟，用壳单元建立混凝土桥面板，间距取为原桥面系钢主梁的间距，横梁的间距取为索距；斜拉索用杆单元进行模拟，每根斜拉索为一个索单元，斜
4、拉索锚固点为梁单元的自然节点，斜拉索与主塔和主梁的连接方式是梁单元节点与索节点之间通过刚性连杆相联，两点间为主从约束关系，从而使得刚性连杆只出现刚体转动。 三、斜拉桥施工控制方法 1、斜拉桥施工的开环控制法 对于较简单的斜拉桥，一般都是在设计中估计结构的恒载和活载，由此计算出结构的预拱度，在施工过程中只要按时照这个预拱度来施工，施工完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线形和内力。这就是所谓的开环控制。因为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，并不需要根据反馈来改变。 对于早期的斜拉桥施工，从理论成桥状态通过施工过程的倒退分析，求得每个施工阶段主梁的位置和索力，在施工过
5、程中只要按这样的位置和索力进行安装，理论上即可达到理想的成桥状态。这也是一个施工开环控制过程。在各部件的制造和安装精度很高，且对结构的力学特性完全掌握的情况下，这种方法是可行的、方便的。 2、斜拉桥施工的反馈控制法 当斜拉桥在施工过程中出现施工状态偏离理想的设计状态时，如不加以调整，就会造成结构的线形和内力远远偏离设计成桥状态，甚至危及安全。对于预应力混凝土斜拉桥，其施工中的精度保证相对较低，且设计计算中所采用的各项参数与现场材料的参数存在一定的差距，因此预应力混凝土斜拉桥的施工控制难度较大。反馈控制就是通过施工控制量的实测数据，进行设计算，得出调整量，纠正偏差。 3、预测控制法 种影响桥梁结
6、构状态的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。该法适用于所有类型的桥梁，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。预测控制法是桥梁施工控制的主要方法。其以现代控制理论为基础，其常见的预测方法有卡尔曼滤波法、灰色理论法等。 4、斜拉桥施工的自适应控制法 对于预应力混凝土斜拉桥，施工中每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(主要是混凝土的
7、弹性模量、材料的比重、徐变系数) 的取用等与施工中的实际情况有不一定的差距。要得到比较准确的控制调整量，必须在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。在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。当结构测量的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数识别法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量的结果相一致。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
8、此基础上可以对施工状态进行更好的控制。 5、事后调整控制法 这种方法仅适用于结构内力与线性能够调整的特殊情况。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。由具体情况可分为：在完成每个施工阶段后，若发现结构状态与设计不符，可通过调整斜拉索索力来调整结构的状态，直至满足设计要求后再继续施工，依此类推直至施工完成。在整个桥梁结构形成后，及时检查结构的状态，如果发现与设计不符的情况，则对索力进行一次性调整直至满足设计要求。这种方法理论上虽然可行，但实际操作困难。若对结构内力状态不清楚，操作时易引发安全事故，且最终往往很难达到理想状态。由此
9、可见，事后调整只能算是一个补救措施。 四、斜拉桥施工控制中的误差处理和索力调整方法 不论是采用一次到位法还是分次到位法，施工控制中总是需要对理论计算值与实测值之间的误差进行处理、识别以及根据实际需要对索力进行调整。 1、基于现代控制理论的卡尔曼滤波法 基于现代控制理论的卡尔曼滤波法是一种线性最优随机控制法，它以主梁挠度作为随机状态变量，索力作为控制变量，通过选取索力控制梁端挠度、索塔水平位移为一特定值时，使结构的应变能最小来进行最优终点控制。 2、参数识别、修正法 该法根据控制目标(索力、主梁标高、索塔顶水平位移等) 的实际测量值与施二正理论计算值的误差来修正施工理论计算索力采用的参数(混凝土
10、弹性模量、结构刚度、主梁自重、混凝土徐变系数等)。该方法可通过基于控制论的最小二乘法来实现。另外，还有基于如模糊数学的其他方法。 结束语 施工控制方法在施工中具有非常重要的意义，本文通过对斜拉桥动力特性分析方法以及施工控制方法进行探讨，对我国的斜拉桥施工具有一定的促进作用。 参考文献 1王博. 土木工程课程实践应用与弯矩抵消设计J. 湖北经济学院学报（人文社会科学版） ，2009，6(9):192-193. 2陈德伟，许俊，周宗泽，等.预应力混凝土斜拉桥施工控制新进展J.同济大学学报(自然科学版)，2001，29(1). 3宋雨， 陈东霞. 斜拉桥动力特性分析J. 厦门大学学报(自然科学版)， 2006， 45(1): 56?59. 4王勖成. 有限单元法M. 北京: 清华大学出版社，2003. 5邓聚龙.灰色控制系统M.武汉:华中工学院出版社，2002.
