大跨度焊接钢箱梁斜拉桥施工控制技术研究及应用

维普资讯 http://www.cqvip.com １４　桥梁建设　２００２年第５期　文章编号：１００３—４７２２（２００２）０５—００１４—０５　大跨度焊接钢箱梁斜拉桥施工　控制技术研究及应用　何　畏，唐　亮，强士中，崔　冰　（西南交通大学土木工程学院，四川成都６１００３１）　摘　要：大跨度焊接钢箱梁斜拉桥的施工控制技术具有控制目标多元性、调控手段局限性、温　度效应影响显著性等特点。针对这些特点采用神经网络控制技术，应用施工现场模拟温度场、施工　实时仿真控制计算、施工过程应力预警监控等技术手段，在南京长江第二大桥南汊斜拉桥的施工控　制实施中实现了不进行索力调整过程而完成多元目标监控任务并且主梁合龙精度达到国际领先水　平的控制结果。　关键词：斜拉桥；钢箱梁；焊接；施工控制　中图分类号：Ｕ４４８．２７　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｌａｒｇｅ　Ｓｐａｎ　Ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｗｅｌｄｅｄ　Ｓｔｅｅｌ　ＢＯＸ　Ｇｉｒｄｅｒ　ＨＥ　Ｗｅｉ，ＴＡＮＧ　Ｌｉａｎｇ，ＱＩＡＮＧ　Ｓｈｉ。ｚｈｏｎｇ，ＣＵＩ　Ｂｉｎｇ　（Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　ＵｎＩ、ｒｅｒｓｉｔｙ．Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｓｐａｎ　ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ｗｅｌｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｓｏｍｅ　ｎｏｔａｂｌｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ　ｔａｒｇｅｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｌｉｍｉｔｅｄ　ｍｅａｎｓ　ｉｎ　ａｄｊ　ｕｓｔｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｏｔａｂｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｎｅｒｖａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｌｏ—　ｃａｔｅ．ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｄｍｏｎｉ—　ｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｓｕｃｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｂｙ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｓｕｃｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ　Ｒｉｖｅｒ　２ｎｄ　Ｂｒｉｄｇｅ，ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔａｒｇｅｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｆｏｒｃｅ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｓｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｌｏｓｕｒｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｔｔａｉｎｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ；ｓｔｅｅｌ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ；ｗｅｌｄｉｎｇ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　１　大跨度焊接钢箱梁斜拉桥及其施工控制研究　三位的日本多多罗大桥（主跨８９０　ｍ）、法国诺曼底　概况　大桥（主跨８５６　ｍ）、中国南京长江二桥（主跨６２８　随着我国经济和技术的发展，加之斜拉桥合理　ｍ）的主跨主梁结构均采用钢箱梁形式。　的结构形式，我国修建了大量的斜拉桥。由于斜拉　由于斜拉桥为高次超静定结构，在其修建过程　桥结构的受力特点，在跨度大于５００　ｍ以上的斜拉　中不可避免地存在对施工质量产生影响的各类误　桥中通常采用钢主梁形式。世界斜拉桥主跨跨度前　差，很难做到施工结果与设计预期的完全一致。并　收稿日期：２００２—０３—０４　作者筒介：何畏（１９７２一），男，讲师，１９９３年毕业于西南交通大学桥梁专业，工学学士，１　９９６年毕业于西南交通大学桥隧专业，工学硕士．现　为西南交通大学桥梁结构专业在职博士生。　维普资讯 http://www.cqvip.com 大跨度焊接钢箱梁斜拉桥施工控制技术研究及应用　何畏．唐亮．强士中，崔　冰　１５　且这些误差如不加以控制和调整会对施工质量带来　许多不利的影响，严重时会危及结构安全和运营效　果。随着斜拉桥的跨度增加，施工误差的影响程度　更加明显。研究和应用钢主梁斜拉桥施工控制技术　中的线形测量技术、应力测试技术、索力测试技术、　温度测试及分析技术、误差分析及调整手段、现代控　制理论应用等内容具有极现实的工程意义。　国内外学者及工程技术人员对斜拉桥的施工控　焊接钢箱梁斜拉桥主梁施工中．与混凝土斜拉　桥的立模标高的实现相比，钢箱梁的拼装不能象混　凝土梁段浇筑那样实现主梁梁段连接处无应力转角　和悬臂端标高的较大调整。特别是转角误差对标高　误差具有很大的累积性影响效应，因此，钢箱梁斜拉　桥的线形控制实际较混凝土主梁斜拉桥的线形控制　操作难度大。　（４）施工控制中温度效应影响显著性　制进行了许多研究，提出了如：卡尔曼滤波法、最小　二乘误差控制法、无应力状态控制法、自适应控制法　等许多实用控制方法。这些方法的实质都是基于对　施工反馈数据的误差分析，通过计算和施工手段对　结构的目标状态和施工的实施状态进行控制调整，　达到对施工误差进行控制的目的。施工控制的方法　大跨度钢箱梁斜拉桥在施工中存在着环境温　度、构件温度场分布状况差异等因素对施工过程和　施工计算分析的显著影响。对关键施工工序施工时　间进行限制也是控制温度效应对施工精度影响幅度　的常用手段。焊接钢箱梁斜拉桥主跨合龙阶段必须　进行连续的温度观测和梁长测定，才能确定合理的　合龙时机和恰当的合龙段梁长。　２．２　大跨度钢箱梁斜拉桥施工控制技术体系　必需与各类斜拉桥设计施工的特点相结合才能在确　保结构安全及施工便捷的前提下切实可靠地实现控　制的目标。由于目前国内大多数斜拉桥的施工控制　斜拉桥的施工控制是一个系统工程．由其相应　的施工控制技术体系和施工控制组织体系构成。斜　拉桥施工控制的技术体系应当和斜拉桥的设计和施　工等方面的具体特点相结合来确立。图１为一个典　型的斜拉桥施工控制技术体系组成说明（该体系在　都是针对混凝土斜拉桥进行的，其相应的控制方法　也是针对｝昆凝土梁的施工特点提出来的；目前国内　已建成的大跨度钢箱梁斜拉桥中汕头岩石大桥和武　汉白沙洲长江大桥均采用全栓接结构的分离双箱式　钢主梁；因此，对于大跨度的焊接钢箱梁斜拉桥施工　控制积累的经验较少。　南京长江第二大桥南汊斜拉桥的施工控制中已成功　应用）。　桥梁的施工控制是与桥梁设计、施工及监理密切　２　大跨度焊接钢箱梁斜拉桥施工控制关键技术　联系的。从信息论的观点看，桥梁的施工控制过程是　一２．１　大跨度焊接钢箱梁斜拉桥施工控制特点　大跨度钢箱梁斜拉桥的施工控制与常规的ＰＣ　梁斜拉桥施工控制技术相比较，二者间存在许多的　类似点，但大跨度钢箱梁斜拉桥在施工控制中有许　多不同的特点，归纳起来包括如下几点：　（１）误差来源多样性　个信息采集、信息分析处理和信息反馈的过程。通　过实时测量体系和现场测试体系，可以采集到桥梁施　工过程中的各类所关心的数据信息。借助桥梁施工　控制的计算分析体系，对采集的数据信息进行分析。　尤其是对施工中各类结构响应数据（如变形、内力、应　力、温度场）的分析，可以对施工误差做出评价，并根　据需要来研究制定出精度控制和误差调整的具体措　斜拉桥的施工过程中误差的产生因素很多，主　要可以分为计算误差、量测误差、施工操作误差等几　大类。对于焊接钢箱梁，还存在焊缝收缩产生的施　工状态误差。对此类误差的产生及误差影响的消除　调整是施工控制分析的重点。　（２）施工控制目标多元性　对于焊接钢箱梁斜拉桥，施工误差的产生原因　是多样的，相对应的施工控制时的控制目标也呈现　施。最后以施工控制指令的形式为桥梁的施工提供　反馈信息。在施工控制计算和误差分析中，通过对施　工容许误差度指标数据体系、施工反馈数据（尤其是　应力监测数据）、施工控制目标值数据的分析确立施　工状态的应力预警体系（图１虚框内所示）是斜拉桥　安全、快捷和优质施工的重要保障。　２．３神经网络控制理论的应用　２．３．１人工神经网络的特点　人工神经网络的基本思想是从仿生学的角度对　多样性特点。主要的控制目标包括：线形类目标、内　力类目标、焊接类目标、施工类目标等。上述控制目　标存在着相互影响、相互制约的关系，在控制时也必　须有重点地加以区分对待。　（３）施工控制调整手段局限性　人脑的神经系统进行模拟，使机器具有人脑那样的　感知、学习和推理等智能。对于斜拉桥施工控制而　言，由于控制系统存在求解的非线性和不确定性特　维普资讯 http://www.cqvip.com １６　桥梁建设　２００２年第５期　Ｉ　施工体系　设ｆ设　移动吊机．吊装钢箱粱节段　计　计　图ｊ变　匹配吊装梁段　纸ｌ更　粱段接缝焊接　张拉斜拉索　监理体系　设计体系　实时测量体系　现场测试体系　施工控制计算体　主粱标高Ｉ施工时间ｆ主粱应力　Ⅱ　匝　混凝土容重、弹模　Ｔ．　索容重、弹模　主粱轴线　环境温度索塔应力　块件重量、尺寸　索塔偏位ｌ主粱温度ｌ斜拉索索力　施工荷载　施工实测数据Ｉ　ｌ　Ｉ　Ｉ现场测试参数Ｉ｛实际目标真值Ｉｊ理论目标真值　参数识别、修正卜——∈———　理论施工误差　修正量计算卜——　误差状态分析卜　实际施工误差　．　际　下阶段的控制指令数据　ｌ容许误差指标体系　拼装标高、轴线偏位、张拉索力　施工控制体系　图１　焊接钢箱梁斜拉桥施工控制技术体系　点，因此可以利用神经网络系统的能够充分逼近任　意复杂的非线性关系、能够学习与适应不确定性系　统的动态特性、可以采用并行分布处理方法进行快　速求解等特点进行控制。　２．３．２神经元模型　神经元是人脑的最基本单元，它能对接收到的信　息进行处理。人脑神经元抽象化后得到一种人工神　图２人工神经元模型　经元如图２所示，称之为ＭｃＣｕｌｌｏｃｋ－－Ｐｉｔｔｓ模型＿】］。　连接强度，构成施工控制的神经网络系统。每一神　在焊接钢箱梁斜拉桥的施工控制应用中，施工　经元接收到相关神经元的输入信号，通过活化函数　控制的各类参数和控制目标均可以模拟为单独的人　的运算得到其状态改变的效应输出。　工神经元结构。主要的神经元包括：线形类神经元、　２．３．３神经元模型的学习规则　内力类神经元、焊接类神经元、温度参数类神经元、　学习是神经网络的主要特征，学习规则是修正　计算参数类神经元等。　神经元之间连接强度的算法，使获得的知识结构适　各个神经元间存在着相互的连接关系和不同的　应周围环境的变化。　维普资讯 http://www.cqvip.com 大跨度焊接钢箱梁斜拉桥施工控制技术研究及应用　何畏，唐亮，强士中，崔冰　１７　在斜拉桥的施工控制中，各个神经元的连接强度　的确定也存在着一个学习过程和工作过程。许多神经　元间的连接强度存在确定的幅度，其学习过程是无监　督过程。但有一些神经元间的连接强度需要通过有监　垫　星堑　堑亘塑墨　南塔　一一一一一一一一一一一～　１　督的学习过程来获知。具有代表性的一个例子是关于　焊缝收缩量对主梁标高间的影响关系确定问题。　２．３．４　ＢＰ神经网络模型　ＢＰ（Ｂａｃｋ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）神经网络是误差反向传　播神经网络的简称。ＢＰ网络学习算法的基本思想　是最小二乘法学习算法。网络的学习过程是一种误　Ｉ　ｒ　钢箱粱温度测点布置　ｊｌ　主＼竺　度／、位　，粱　ｌ顶板温度抽样测点　差边向后传播边修正权系数的过程。　在大跨度钢箱梁斜拉桥施工控制应用中，建立　ＢＰ如图３所示神经网络，利用ＢＰ网络的学习规则　和算法对神经元的连接强度进行学习训练。　计算参数　主梁线形　＼　／　／—、　主粱轴线　＼　／　／—、　主梁应力　＼　／　焊缝收缩量　／—、　索塔应力　＼　／　索塔偏位　／—、　、、——／　斜拉索索力　＼　／　隐含层　输出层　图３焊接钢箱梁斜拉桥施工控制的ＢＰ网络模型　应用神经网络进行内模控制需要建立内模模型　（正模型）和控制器模型（逆模型）两个神经网络模型。　２．４施工控制模拟温度场　图４为斜拉桥施工控制模拟温度场的示意。模　拟温度场由以下内容组成：　（１）在索塔处主梁附近设置环境温度测站，对　施工各控制工序的现场环境温度进行测试。　（２）选择主梁、索塔构件控制断面设置构件温　度场测试断面（与应力测试相结合），安装测温元件。　斜拉索温度常用试索放置于施工现场进行测试。由　构件温度场的测点温度测试数据形成结构构件离散　温度场。　（３）常用点温计（接触式或红外式）对结构未布　置测温元件的抽样断面及温度场测试断面特征点　（如顶板中点）进行温度测试。　（４）按抽样断面和温度场测试断面的特，怔点温　度数据关系将构件的离散断面温度场插值成结构的　整体模拟温度场。　（５）将模拟温度场的数据代入施工控制实时计　。曼一山～…丑二：　。　图４施工控制模拟温度场　算以修正施工测试数据或提供修正温度影响后的控　制目标数据。　３在南京二桥南汉斜拉桥中的应用　３．１工程概况　南京长江第二大桥跨越长江主航道的南汉大桥　是一座双塔双索面五跨连续的钢箱梁斜拉桥，主跨　跨径６２８　ＦＦＩ，边跨２４６．５　ＦＦＩ＋５８．５　ＦＦＩ。南汊斜拉桥　混凝土索塔采用上塔柱平行分离式的倒Ｙ形索塔。　索塔全高１９５．４１　ＦＦＩ。南汉桥主梁采用扁平闭口流　线型钢箱梁，高３．５　ｍ，总宽３７．２　ｍ（包括风嘴），采　用正交异性钢桥面。钢箱梁预制标准节段长１５　ＦＦＩ。　设计最大吊重２　７００　ｋＮ，节间除顶板Ｕ肋采用栓接　外，其余以全焊连接。斜拉索采用空间双索面扇形　索布置，每个索面２０对斜拉索，全桥共８０对（１６０　根）索，采用半平行钢丝斜拉索，最大索长３３３．８　ＦＦＩ。　南汉桥钢箱梁采用悬臂吊装方法施工，平均６　ｄ　完成１组梁段施工，吊装共用历经８个月时间。钢　箱梁标准梁段悬臂吊装的施工顺序为：钢箱梁梁段　起吊到位一调整梁段标高，完成钢箱梁精匹配一进　行钢箱梁环缝焊接、Ｕ形加劲肋嵌补段连接一进行　斜拉索挂索和第１次张拉一吊机前移到位一进行斜　拉索第２次张拉一吊装下一梁段。　３．２南汉斜拉桥的施工控制　南京长江二桥南汉斜拉桥的施工控制中通过建　立完善的施工控制体系，以主梁应力监控预警机制　为保障，确定合理的施工容许误差度，实现了控制线　形平顺、保证焊接要求、消除调索过程及减少施工周　期等多元控制目标。施工控制中针对大跨度焊接钢　箱梁的设计和施工特点，应用神经网络控制理论处　理多元控制目标的问题，应用模拟温度场技术减少　温度效应对施工控制的影响。　维普资讯 http://www.cqvip.com １８　桥梁建设　２００２年第５期　南汉桥施工控制实时计算由中交公路规划设计　行索力调整过程。　院和西南交通大学两套独立计算体系来共同完成，以　确保控制目标值的可靠性。线形测量的时间均安排　４结论及建议　在夜晚与施工同步进行以消除日照、温差影响。索力　从大跨度焊接钢箱梁施工控制技术研究及其在　采用频谱法测定，并用斜拉索张拉阶段压力传感器的　南京长江二桥南汊斜拉桥的应用中可以得到以下几　数据进行标定。在标准梁段施工循环的阶段对悬臂　点结论和建议：　端５～６对斜拉索索力进行测定．对关键工序如边、中　（１）大跨度斜拉桥的施工中进行相应的施工控　跨合龙前后、体系转换前后进行索力通测。根据索塔　制研究是对其施工安全、可靠进行的重要保障，是提　的结构及受力特点，在索塔下横梁上、下的塔柱断面　高施工质量的重要技术手段。　设置应力测点，采用混凝土内预埋钢弦计进行测量。　（２）悬臂吊装的大跨度钢箱梁斜拉桥施工控制　根据施工中主梁的受力情况，结合成桥动、静试验及　特点与混凝土主梁斜拉桥施工控制相比较存在控制　结构的长效观测，全桥布置ｌ１个主梁应力测试断面，　目标多样性、控制手段局限性、受温度影响显著性等　共１４４个应力测点，对施工中主梁应力进行监控。钢　较显著的差异。　梁应力测试元件采用表面钢弦应变计，所选元件能同　（３）人工神经网络的控制技术应用于大跨度桥　时测量出测点处的钢梁温度，形成测试断面的温度场　梁的施工控制中具有较为显著的优点，特别是对存　数据。南京二桥南汉桥的施工控制原则是以线形正　在多元目标控制和存在多因素（确切的和不确切的）　确为第一位，尽量做到索力、连接段焊缝宽度等多元　误差来源的施工环境中。　目标的控制结果在容许误差度以下。　（４）随着特大跨度钢斜拉桥的设计和修建，施　在南汊桥中跨合龙前，合龙段两边的标高相对　工中影响控制精度的温度效应分析理论和计算程序　误差为５　ｍｍ，轴线相对误差为０．３　ｍｍ，经简单调　应能进一步提高，以实现用模拟温度场的测试数据　整后主梁标高误差完全消除，确保了主梁合龙的顺　进行各施工阶段温度仿真分析。　利进行，主梁的合龙精度达到国际领先水平。在主　跨合龙并解除塔下临时约束后，主梁线形平顺，主梁　参　考　文　献：　应力水平在设计要求的范围内，斜拉索索力相对误　［１：袁曾任．人工神经元网络及其应用［Ｍ：．北京：清华大　差在±１０　以内，从而能够实现不对斜拉索索力进　学出版社，１９９９．　书　讯　桥梁工程检测工作是保证桥梁质量极其重要的手段之一，《桥梁工程检测手册》一书全面系统　地介绍了桥梁工程检测工作，具有较强的实用性与可指导性。本书由人民交通出版社出版发行，自　出版发行以来，深受广大读者的欢迎与好评。本书作者阵容强大，既有相当的理论水平，又有丰富　的实践经验。本书共计ｌｌ８万字，１６开本，精装，定价７８．Ｏ０元。　需购者可致电垂询人民交通出版社发行部（ＯｌＯ一６４２０３９６４），或北京兴通交通书店（ＯｌＯ一　６４２２７７８０）。