【斜拉桥原理】斜拉桥自适应无应力构形控制法

2020-11-08 - 斜拉桥

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。

斜拉桥原理

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。

斜拉桥原理

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。

斜拉桥原理

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。

斜拉桥原理

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。

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。

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