龍文兵—成子河大橋施工監(jiān)控開題報告

1、 華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院2013屆 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 論文題目：成子河大橋施工監(jiān)控分析 學(xué)號： U200916071 學(xué)生姓名： 龍文兵 指導(dǎo)教師： 胡雋 院（系）專業(yè)： 土木工程與力學(xué)學(xué)院 道路橋梁與渡河工程專業(yè)0903班 道橋系橋梁工程教研室1 課題來源、目的、意義國內(nèi)外基本研究概況1.1課題來源工程起點位于泗陽縣城淮海西路與西安路平交口附近，終點與南岸老S325（南外環(huán)線）對接，西安路大橋由主橋、兩岸引橋、兩岸接線組成，其中主橋約273.5米，北岸引橋約540米，南岸引橋約300米，橋頭引道約1377米。主橋為( 60.65+ 152+ 60.65) m 三跨連續(xù)鋼

2、桁系桿拱橋，邊、中跨跨度比為0. 4。主桁由兩片鋼桁架組成，桁寬26.7 m。兩片主桁的外側(cè)各有3.9m懸臂托架支撐人行道，橋面總寬32.5m。兩側(cè)邊跨為變高度桁梁，中跨為鋼桁系桿拱。主橋采用的鋼桁系桿拱橋為結(jié)構(gòu)自平衡體系，拱肋產(chǎn)生的推力由橋面板內(nèi)鋼箱系桿平衡，不產(chǎn)生外部水平推力。前期工作配套費用及建安費合計約3.4億元，建安費約2.89億元。本人選擇胡雋老師作為畢業(yè)設(shè)計導(dǎo)師，在老師的推薦下選擇此項目作為畢業(yè)設(shè)計課題。1.2施工監(jiān)控的目的、意義成子河大橋橋是跨越成子河的重點工程，該橋的建成對于該市的經(jīng)濟發(fā)展具有十分重大的意義，為了確保橋梁在建造過程中避免出現(xiàn)橋梁垮塌等重大責(zé)任事故，確保橋梁工程

3、質(zhì)量，較好的實現(xiàn)設(shè)計意圖，特對此大橋提出施工監(jiān)控。施工監(jiān)控包括施工監(jiān)測和控制。施工監(jiān)測的目的就是在全橋上部結(jié)構(gòu)施工過程中，通過監(jiān)測主拱、系桿和吊桿的應(yīng)力及變形，來達到及時了解結(jié)構(gòu)實際行為的目的；通過施工過程中對溫度、應(yīng)力、線型、混凝土材料的彈性模量等的監(jiān)測，對橋梁結(jié)構(gòu)體系計算所采用的參數(shù)進行識別、計算和修正，糾正實際線型和內(nèi)力與設(shè)計目標(biāo)值的偏差，確保結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)受力合理，為大橋安全、順利建成提供技術(shù)保障。施工控制的目的是為了在全橋施工完成后，主拱結(jié)構(gòu)的線型、系桿及橋面系的線型達到設(shè)計理想的線型，并使主拱和系桿的內(nèi)力分布與設(shè)計理想的內(nèi)力狀態(tài)一致。澆拱肋線型一旦形成，很難調(diào)整。因此對該橋

4、施工過程進行有效的控制，保證其成橋內(nèi)力和線型，是該橋成功建設(shè)的一個關(guān)鍵。因此，對橋梁施工過程的位移、應(yīng)力和溫度進行有效的監(jiān)測并采取行之有效的調(diào)控措施是保證其順利成功修建的必要條件之一。 1.3.1施工監(jiān)控國內(nèi)基本研究情況我國工程師雖在早時也注意到施工中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的調(diào)控,如1957年建成的武漢長江大橋在施工過程中就做了應(yīng)力、標(biāo)高的調(diào)整，但真正把施工監(jiān)控理論系統(tǒng)的運用到工程建設(shè)中的時間較晚。雖然起步較晚，但國內(nèi)施工監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展十分迅速，特別是進入80年代后，隨著計算機在橋梁工程中應(yīng)用的普及和深入,橋梁工作者開始運用計算機輔助橋梁施工。1982年建成的上海柳港大橋首次根據(jù)現(xiàn)代工程控制的基本思想

5、,有效地進行了主梁撓度和索塔水平位移的施工控制。柳港大橋的控制成功,引起了橋梁界對橋梁施工監(jiān)控技術(shù)研究的高潮。隨著近幾年我國幾座大跨徑懸索橋的修建成功,國內(nèi)在懸索橋施工控制技術(shù)研究方面也有了較大的進步。交通部公路研究所和西安公路交通大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了灰色預(yù)測控制法,并成功地運用于虎門懸索橋的施工控制。該方法主要根據(jù)灰色預(yù)測控制理論對懸索橋的施工過程進行預(yù)測控制。依照懸索橋的施工架設(shè)特點,把施工控制分為兩個階段進行預(yù)測控制:施工控制的第一階段為主纜架設(shè)階段,這一階段要求確保成纜線形達到成橋期望的施工標(biāo)高;施工控制的第二階段為加勁梁吊裝階段,這一階段施工控制的任務(wù)是保證成橋線性達到設(shè)計要求。交通部第二

6、公路工程局在廈門海滄大橋懸索橋上部結(jié)構(gòu)線性施工監(jiān)控方面采用灰色預(yù)測控制取得了良好的效果。后來,交通部公路研究所在虎門大橋的施工控制中運用了卡爾曼濾波法來濾除主纜架設(shè)階段和鋼箱梁吊裝階段出現(xiàn)的施工誤差。 1.3.2 國外施工監(jiān)控基本研究狀況 橋梁施工控制概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，第一座現(xiàn)代斜拉橋Stromsund橋施工時，建設(shè)者就如何使索力和標(biāo)高達到設(shè)計要求的問題進行了研究，這也是傳統(tǒng)意義上的施工控制。1958年修建TheodonNess斜拉橋時，建設(shè)者首次提出了采用“倒退分析”的方法計算出各施工階段結(jié)構(gòu)的標(biāo)高和初始索力,該方法在1978年竣工的美國P-K橋中也得到了應(yīng)用。后來，加拿大在修

7、建安納西斯橋時，也采用了同樣的施工控制技術(shù)。由此可以看出，施工監(jiān)控最初始的對象是斜拉橋。 雖然橋梁施工監(jiān)控的概念起源于歐美，但真正系統(tǒng)的把施工監(jiān)控理論運用到橋梁施工管理中的是日本。早在20世紀(jì)80年代初，日本修建日野預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋時,就建立了施工控制所需的應(yīng)力、撓度等參數(shù)的觀測系統(tǒng),并應(yīng)用計算機對所測參數(shù)進行現(xiàn)場處理,然后將處理后的實測參數(shù)送回控制室進行結(jié)構(gòu)計算分析,最后將分析結(jié)果返回到現(xiàn)場進行施工控制。上述方法也是國外傳統(tǒng)的施工監(jiān)控方法。到80年代后期,日本修建Chichby斜拉橋和Yokohama海灣斜拉橋時,成功地利用計算機聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)建立了一個用于拉索索力、主梁標(biāo)高、主梁傾角、塔

8、垂直度調(diào)整的自動監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了施工過程中實測參數(shù)與設(shè)計值的快速驗證比較,它對保證施工安全和精度,加快施工速度起到了決定性的作用。但由于受系統(tǒng)建設(shè)費用昂貴等因素的影響,該系統(tǒng)沒有得到推廣。此后,日本又研制了一個以現(xiàn)場微機為主要計算分析手段的斜拉橋施工雙控系統(tǒng)(精度控制系統(tǒng)),它包括自動測量數(shù)據(jù)采集、控制預(yù)報系統(tǒng)、誤差分析系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)計算機分析四個系統(tǒng)和測量參數(shù)、計算參數(shù)兩個數(shù)據(jù)庫。此系統(tǒng)的最大特點是在現(xiàn)場完成自動測試、分析和控制調(diào)整全過程,并可進行設(shè)計敏感分析、參數(shù)識別和實際結(jié)構(gòu)行為預(yù)測。該系統(tǒng)在成的1989年建成的Nitchu橋和1991年建成的Tomel-Ashigara橋以及1993年建成

9、的Rainbow橋上實際應(yīng)用效果良好。在橋梁監(jiān)控技術(shù)方面,韓國橋梁工程師也做了相當(dāng)多的研究,而且取得了一定的成果。他們開發(fā)了一個疊合梁斜拉橋的施工控制系統(tǒng),該系統(tǒng)共有五個模塊:主結(jié)構(gòu)分析模塊、動態(tài)分析模塊、測量和糾正誤差模塊以及兩個前后處理模塊,從而實現(xiàn)了線形、位移、彎矩、剪力及索力的可視化計算。從目前所查閱的資料可以看出,國外橋梁的施工監(jiān)控主要是圍繞大跨度斜拉橋、懸索橋連續(xù)剛構(gòu)橋進行的,而針對鋼管混凝土拱橋的施工監(jiān)控技術(shù)幾乎就沒有涉及,這可能是由于這種類型的橋在國外修建較少的緣故。由于國外在橋梁施工監(jiān)控技術(shù)方面的研究和應(yīng)用起步較早,眾多發(fā)達國家已將施工控制納入常規(guī)施工管理工作中,控制方法已從

10、人工測量、分析與預(yù)報,發(fā)展到自動控制、分析預(yù)報、調(diào)整的計算機自動控制,并已形成了較完善的橋梁施工控制系統(tǒng)。即便如此國外對橋梁施工控制技術(shù)的研究還在繼續(xù),這是由于影響橋梁施工的因素太多、太復(fù)雜,同時,不斷涌現(xiàn)的、新型的、規(guī)模(跨徑)更大的橋梁工程也對橋梁施工控制提出了更高的要求。2 預(yù)計達到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、完成課題的方案及主要措施2.1預(yù)期目標(biāo)(1)了解和學(xué)習(xí)目前國內(nèi)外施工監(jiān)控分析研究的方法和理論，全面鞏固自己所學(xué)的有關(guān)橋梁設(shè)計的知識，拓展知識視野，培養(yǎng)思維能力；(2)學(xué)會使用MIDAS/CIVIL軟件建橋梁模型，提高自己的計算能力和分析能力；(3)通過畢業(yè)設(shè)計（論文）來鍛煉自己獨立的學(xué)

11、習(xí)能力;2.2關(guān)鍵理論和技術(shù)2.2.1 監(jiān)控的目標(biāo)狀態(tài)橋梁結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)狀態(tài)是指橋梁結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范要求和設(shè)計具體要求，達到特定性能指標(biāo)最優(yōu)條件下各個施工階段期望實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)(幾何線型和內(nèi)力狀態(tài))，是施工控制期望達到的理想目標(biāo)。具體包括：（1）控制橋梁線型，控制主要構(gòu)件的內(nèi)力，保證工程內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)良；（2）預(yù)知并及時發(fā)現(xiàn)施工中的失誤，以予糾正，避免發(fā)生重大責(zé)任和技術(shù)事故，確保橋梁建造安全。（3）提供成橋的力學(xué)參數(shù)報告，為橋梁今后的養(yǎng)護提供數(shù)據(jù)資料基于以上橋梁施工監(jiān)控的目的和意義，須對拱橋的施工過程進行監(jiān)控。其任務(wù)就是要根據(jù)橋梁施工全過程中實際發(fā)生的各種影響橋梁內(nèi)力與變形的參數(shù)，結(jié)合施工過程中測得的

12、各階段吊桿張力、主拱肋內(nèi)力與變形數(shù)據(jù)，隨時分析各施工階段中主梁內(nèi)力和變形與設(shè)計預(yù)期值的差異并找出原因，提出修正對策，以確保在全橋建成以后橋梁的內(nèi)力和外形曲線與設(shè)計值相符合。2.2.2 監(jiān)控原則及控制措施施工監(jiān)控的內(nèi)容是校核設(shè)計和施工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對成橋目標(biāo)進行有效的控制。對施工各狀態(tài)控制數(shù)據(jù)實測值與理論值進行比較分析，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)識別和調(diào)整，修正在施工過程中各種影響成橋目標(biāo)的參數(shù)誤差對其的影響，對成橋狀態(tài)進行預(yù)測與反饋控制分析，通過對結(jié)構(gòu)線型及內(nèi)力（應(yīng)力）進行監(jiān)測，以分析、預(yù)測和防止施工中出現(xiàn)過大位移和應(yīng)力對橋梁產(chǎn)生安全隱患，確保施工朝預(yù)定目標(biāo)順利進行。大跨度復(fù)式提籃拱橋在拱肋現(xiàn)澆階段

13、，確保拱軸線型和順、正確是第一位的，施工時以拱肋標(biāo)高控制為主，成拱后，吊桿張拉時，以索力控制為主。同時，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求的前提下，還應(yīng)密切關(guān)注控制截面的應(yīng)力發(fā)展，確保結(jié)構(gòu)的安全。橋梁的施工控制是一個預(yù)告量測識別修正預(yù)告的循環(huán)過程。施工控制的要求首先是確保施工中結(jié)構(gòu)的安全，其次是保證結(jié)構(gòu)的內(nèi)力合理和外型美觀。為了達到上述目的，就要求在一套完整的、足夠精度的控制系統(tǒng)來測量撓度、索力和應(yīng)力等，以便將拱橋的施工控制與成橋理想狀態(tài)相溝通。此外，為了盡量避免施工過程中不必要的吊桿和系梁的多次張拉，除了要求控制系統(tǒng)具有常規(guī)的結(jié)構(gòu)分析等基本功能外，還要求該系統(tǒng)應(yīng)有根據(jù)橋施工特點，在施工現(xiàn)場具備消除設(shè)計與實

14、際不一致的自適應(yīng)能力，并及時提供標(biāo)高和索力的修正值，借助計算機強大的計算能力和信息處理能力，來實現(xiàn)施工控制。2.2.3 監(jiān)控方法早在 1943 年，美國數(shù)學(xué)家維納.羅森呂特與華格羅一起發(fā)表了最早的一篇有關(guān)控制論的文章：行為，目的和目的論，它是控制論的最初雛形78，1948 年，維納出版了專著控制論，標(biāo)志著控制論這門新興學(xué)科的正式形成，1954 年，我國科學(xué)家錢學(xué)森出版了工程控制論，第一次把控制論應(yīng)用于工程實踐中，以提高工程技術(shù)中的自動控制水平。工程控制論形成的初期，首先應(yīng)用于導(dǎo)彈、航天、核能技術(shù)等對控制技術(shù)要求十分精確的尖端技術(shù)領(lǐng)域，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，社會的進步，經(jīng)濟系統(tǒng)工程和社會系統(tǒng)工程也渴望

15、控制論的加盟。這樣，控制論得到了更為廣泛的發(fā)展應(yīng)用，而工程控制論應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)還是近二十年來的事，其中日本工程師們在把工程控制論應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中的施工管理中做出了不可磨滅的貢獻。目前，國內(nèi)外常用的施工控制方法從控制思路上可以分為三種形式：開環(huán)控制、反饋控制和自適應(yīng)控制。自適應(yīng)的控制方法能全面考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和設(shè)計目標(biāo)，在閉環(huán)反饋的基礎(chǔ)上，再加上一個系統(tǒng)辨識過程，整個控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)測量到的受力狀態(tài)與模型計算結(jié)果不相符時，把誤差輸入到參數(shù)識別算法中去調(diào)解計算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實際測量到的結(jié)果相一致，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

16、態(tài)，按照反饋控制方法對結(jié)構(gòu)進行控制。這樣，經(jīng)過幾個工況的反復(fù)辨識后，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。參數(shù)誤差識別過程是自適應(yīng)控制的關(guān)鍵，其任務(wù)就是根據(jù)對控制目標(biāo)的測量值與計算值之間的誤差反算施工過程模擬計算中選用的參數(shù)，如混凝土的彈性模量以及徐變系數(shù)等。使結(jié)構(gòu)計算模型和實際結(jié)構(gòu)經(jīng)過一段時間后自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律，減小理論值與實測值偏差。該橋主要采用支架現(xiàn)澆施工，橋面系和拱肋形成后，受后續(xù)工序（如吊桿張力）和材料后續(xù)變形（如混凝土收縮、徐變）影響很大，因此施工控制采用預(yù)先控制和反饋控制相結(jié)合的方法進行控制，施工前通過試驗室試驗材料性能和結(jié)構(gòu)有限元

17、分析，盡可能較精確的預(yù)測結(jié)構(gòu)在各個施工階段的變形和內(nèi)力，通過提供合理的橋面系和拱肋的立模標(biāo)高，對橋面系和拱肋的線型進行控制。在吊桿的張拉階段，通過施工過程中理論數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的偏差，對數(shù)據(jù)分析和處理（結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)識別），調(diào)整后續(xù)施工工序、進行反饋控制，最終達到控制橋梁內(nèi)力和線型的目的。以橋梁應(yīng)力和和線型控制為主，索力控制為輔的原則，對全橋各重點部位進行全面監(jiān)控，掌握橋梁結(jié)構(gòu)在各施工過程中的受力狀態(tài)，嚴(yán)格控制各施工階段各控制部位的應(yīng)力，確保施工過程中的結(jié)構(gòu)安全。2.3完成課題的方案及主要措施 1）查找國內(nèi)外相關(guān)文獻并認真研讀； 2）利用MIDAS/CIVIL進行建模計算分析； 3）與導(dǎo)師見面答疑，向?qū)W長請教； 4）寫畢設(shè)日志，記錄自己的所想所做所感；3 課題研究進展計劃1設(shè)計總周數(shù)16周，其中安排2天為畢業(yè)答辯。2具體安排如下：序號周次計劃任務(wù)11布置任務(wù)并收集資料22外文翻譯33、4閱讀文獻，繼續(xù)外文翻譯45、6學(xué)習(xí)midas/civil，完成翻譯57完成開題報告68、9、10建立midas模型711數(shù)據(jù)分析812、13整理成果，撰寫論文主題914 寫中英文摘要，編制目錄，完成論文1015、16 做好答辯準(zhǔn)備工作、答辯4 主要參考文獻 1宋勤.重慶市綦江縣虹橋特大事故垮塌事故的原因和教訓(xùn)J.施工技術(shù)，1999,2鐘軼峰.中承式系桿拱橋有限元分析與施工監(jiān)控.重慶：重慶大學(xué)