第一章 绪论
1.1 大跨径斜拉桥概述及发展
斜拉桥结构的核心是塔柱，斜拉索拉塔柱，塔柱受弯，如果索在塔柱两侧对称布置，那么两侧拉力平衡，其受力主要变成竖直向下的力，这样受力最合理。塔柱把竖向力全部传给桥墩。其次重要的是缆索，缆索只能受轴向拉力，拉着桥面主梁。再有就是桥面主梁，承载车辆、行人，其受索拉着，也是受弯构件。其受力一是桥面车辆荷载，另外就是沿索方向的索拉力。斜拉桥是最古老的桥型之一，据有关资料现实，这种构想可能在 17 世纪就有了。固然斜拉桥这种桥型早在 17 世纪就有，可是直到上世纪中叶，斜拉桥在世界各国才获得普及，这主要是由于 1800 年到 1900 年期间，英国和德国的两座斜拉桥相继倒塌，正是由于这两次倒塌的影响促进了未来斜拉桥的发展。其中一座是德国尼恩堡（Nienburg）旁边的一个小城市，横跨萨尔河（Saale-River）的斜拉桥，另一座是横跨特威德河（Tweed-River）的斜拉桥，在英国的德瑞波夫-阿比（Dryburgh-Abbey）。因为当时的技术文献所限，所以大多数科学家、工程师认为倒塌是由于超载引起的。法国的一位工程师在通过实际的调查分析后，得出一种错误理论，他得出悬索桥受力比斜拉桥优越的理论[1]，导致在很长一段时间内斜拉桥这种桥型不被采用，使其发展变得十分迟缓[2]。直到 1938 年，德国工程师迪辛格尔（F.Dischinger）在研究一座铁路悬索桥时察觉，将高强钢索作为斜缆代替传统拉索可在高应力状态下，这种方法使桥梁的刚度很大的提高。随时在 1955年，由于技术队进步，迪辛格尔设计并建成了现代斜拉桥历史上第一座钢斜拉桥--瑞典斯特姆斯（Stromsund），开拓了现代斜拉桥的先河。1955 年世界上第一座现代斜拉桥通车，从那开始，斜拉桥的发展如日方升，成为大热趋势。在全球，斜拉桥从 20 世纪 70 年代开始迅猛发展，截止到今天，国内外已建成大大小小各类斜拉桥 300 余座，遍布大部分国家和地区[3,4]。
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1.2 斜拉桥施工控制的方法
斜拉桥属高次超静定结构，成桥后的线性与内力情况与施工时采用的何种方法以及何种安装顺序是有紧密联系的，而且结构的线形和内力会随着施工时结构的体系和荷载不断的变化而变化。为了保障斜拉桥的质量，成桥后主梁线形和内力需满足设计目标，要对斜拉桥每一个施工节段进行计算、分析以及验算等，求出斜拉索的张拉力、主梁竖向位移、索塔横向位移以及结构的应力和内力等理论参数，在施工过程中加以控制。目前斜拉桥施工控制常用的方法有三种，分别是开环控制法、闭环反馈控制法和自适应控制法[14,15]。开环控制法：在跨径小、结构简单的斜拉桥中，恒载和活载通常经验都是设计中估算的，先采用估算这个值带入模型中验算迭代，找到合理的恒载和活载，用这个恒载和活载计算出结构的预拱度，按照这个预拱度来实际施工，施工后的成桥结构一般能满足设计的目标，这就是开环控制法。从理论上来讲，使用开环控制法进行施工控制，成桥状态是可以达到设计理论状态。由于控制量在施工中都是单向决定的，比如：预拱度、预应力、块件尺寸智和质量等，所以不需要通过反馈校核来修正。在斜拉桥早期施工时，通过理论成桥状态进行施工过程的倒推分析，求出主梁的标高和索力在每个施工阶段中，只要按照这种标高和索力进行实际的施工，从理论上来讲，成桥状态可以达到设计理论状态，这就是一个施工开环控制过程。假如各个部件的质量和尺寸制作的精良，安装精确度高，这种方法是可行的，方便的。但实际施工中很难保证各个部件的质量和尺寸制作的精良，安装精确度高，或多或少出现偏差，并且开环控制法在小跨径斜拉桥中便于估算恒载和活载，但在大跨径的斜拉桥中是很难去估算的，所以开环控制法不是很适用于大跨径斜拉桥中。
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第二章 大跨径斜拉桥反馈控制基本理论
2.1 斜拉桥反馈控制概述
斜拉桥的施工直接影响着成桥安全，如果在施工过程中发现当前状态出现与理想状态误差较大时，会出现结构的线形和内力与所设计的状态不匹配的问题，需对施工进行有效地调整。由于预应力混凝土斜拉桥在施工过程中，其计算涉及的多个参数与施工现场的参数间差值不可控，所以预应力混凝土斜拉桥的控制难度较高。反馈控制利用现场实测数据通过设计的计算模型对误差值和调整量进行计算，能够阶段性地对施工误差进行分析和调整，保证施工的精度。斜拉桥的反馈控制机制如图 2-1。斜拉桥施工过程中，随着施工的前进，荷载会越来越多的加到结构上，而且施工到了某一阶段时需要还进行体系转换。因此，结构的线形与内力在不同的施工阶段中是大相径庭。又由于每一节段的施工好坏会影响成桥状态，这种影响是很大的，因此每个施工节段都需要对当前施工阶段的拉索索力值、主梁预拱度以及索塔的偏位等参数进行计算分析。只有做好对这些参数的分析，才能有效地控制施工，最终使成桥状态达到设计期望。早在 30 多年前，桥梁施工中开始应用反馈控制反馈调整施工状态。自 1980年以来，运用反馈控制来进行桥梁分段施工开始在全球范围内展露头角，首当其冲的便属于日本。在文献[17]中，K.Maeda 等日本桥梁专家，开始将反馈控制原理运用到施工控制中。反馈控制中主要针对主梁的标高、倾角、桥塔垂直度以及斜拉索索力进行控制，达到阶段性修正施工误差的目的。文献[18]中，P.R.Toylor在加大那安纳西斯桥（Annacis Bridge）的施工过程中进行了施工和测量的误差分析，并针对分析出的误差源进行调整，实现施工控制。日本在 90 年代出采用了类似反馈控制的一种方法控制在神户的一座斜拉桥的施工中使用，运用计算机对成桥状态进行预测分析，进行实际结构模拟、最优控制计算等[19]；在 96 年时，日本科学家们进行一种反馈控制，在混凝土桥梁施工控制中[20]。20 世纪 80 年代，我国桥梁学者林元培先生在上海柳港混凝土斜拉桥施工控制中首次采用反馈控制，并将卡尔曼滤波法应用到斜拉桥的施工控制[21]；1986 年，葛耀君在天津永和大桥的施工控制中，提出了基于反馈控制的理想倒退分析、反馈控制和实时向前分析的施工控制系统[22]；1994 年，马骉在南浦大桥的施工中采用基于反馈测量的施工控制[23]。2003 年，李乔、卜一之等在重庆马桑溪大桥和沙溪庙大桥的施工控制中采用了反馈控制[24,25]。
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2.2 斜拉桥反馈控制的重要性和原则
不仅设计的合理与否密切关系着大跨径斜拉桥的成桥线形和内力状态的合理与否，而且科学的施工方法也密切关系这成桥线形和内力的合理与否。目前桥梁结构施工的难题是桥梁施工过程中如何通过控制使最终成桥达到设计理论目标。并且，桥梁尤其是大跨径桥梁运营状态的出发点和进行长期的检测的原始依据就是施工控制的结果。随着科技的进步，中华民族伟大复兴，采用混凝土桥梁来代替过往的钢桥，更经济、更合理，同时也为祖国在修建更多可以横跨江河湖泊的大跨径桥梁提供了更好的选择。目前，我国桥梁施工，特别是混凝土桥梁施工方法是采用自架设体系法，即将桥梁上部结构施工是分节段或分层进行的，在桥梁达到一定 长度后，可采取是将已浇节段或已浇层作为支撑进行施工，直到成桥。换句说法也就是在没有支撑的情况下依靠自身结构进行的平衡进行施工。自架设体系施工法，既可以保证桥梁建成后的通航需求，又经济合理。如果要顺利的完成安全可靠的桥梁，必须要有施工控制，这是必不可少的。
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第三章 基于影响矩阵法的反馈控制..............18
3.1 反馈控制流程设计.........18
3.2 现场监测............19
3.2.1 索塔线形测量......19
3.2.2 主梁线形测量......20
3.2.3 索力测试..............20
3.2.4 温度测试..............21
3.2.5 应力测试..............22
3.2.6 结构参数测试......23
3.3 误差分析............23
3.4 建立反馈预测系统.........26
3.5 本章小结............36
第四章 大跨径混凝土斜拉桥工程实例..........37
4.1 工程概况............37
4.2 建立有限元模型.............43
4.3 反馈控制的实际应用.....49
4.4 本章小结............64
第五章 结论与展望................66
5.1 结论.......66
5.2 展望.......67
第四章 大跨径混凝土斜拉桥工程实例
本文的研究内容主要是依托于四川省达州市金南大桥（主跨 300m 的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥）的监控工作。根据金南大桥的结构形式、施工方法和现场施工情况，将本文的一些理论研究运用到金南大桥的施工监控工作中，由此来验证理论分析的准确性。
4.1 工程概况
主桥采用（150+300+150）m=600m；结构形式采用双塔、双索面、密索、对称扇形布置、预应力混凝土倒梯形断面主梁、塔梁分离的漂浮体系结构。为提高主梁刚度、改善结构动力特性，两岸各设一辅助吨，辅助吨距交界墩 75m。桥型布置图如图 4.1 所示。主梁采用 C55 混凝土，采用预应力混凝土分离式倒梯形断面，梁中心高 3m，顶板厚 0.25m，三角箱型的底部宽 2.5m，侧腹板厚 0.25m，竖腹板厚 0.35m，箱梁全款 31.5m，桥面设计 2%的双向横坡，由箱梁顶板形成。主梁标准断面图如图4.2 所示。索塔采用“H”形索塔，索塔截面采用空心薄壁箱型截面。上索塔和下索塔分别采用 C50 混凝土和 C40 混凝土。上塔柱顺桥向宽 6.2m、横桥向宽 4 m；中塔柱横桥向宽 4 m、下塔柱横桥向宽度由 5.85m 渐变到 8.5 m，顺桥向宽度由中塔柱顶 6.2 m 渐变到下塔柱底部 10 m。上塔柱高 44.571m，中塔柱高 43.379 m，下塔柱高 22.4 m。上塔柱内壁四周设置内衬钢板，上塔柱内设置j 15.24 高强低松弛钢绞线环向预应力。
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结论
本文以影响矩阵法为基础，对施工中的斜拉桥进行反馈控制。对斜拉桥在施工中产生的误差进行分析与调整，对当前施工节段进行反馈校正，并且建立预测系统，对一下施工节段进行预测。本文以四川达州金南大桥工程为依托工程，结合金南大桥的施工特点，通过对金南大桥进行以影响矩阵法为基础进行控制，研究的主要成果及结论如下：
1. 将本文提出一种新的反馈控制方法——基于影响矩阵法的反馈控制。相比于基于灰色理论和基于卡尔曼滤波法的反馈控制，基于影响矩阵法的反馈控制能对误差进行判断，并且更准确地对施工中的误差能进行调整和预测。首先灰色理论法和卡尔曼滤波都没有判断误差是否需要调整，便直接去修正，如果误差不影响最终的成桥状态，会给实际施工带来不必要的麻烦。其次灰色理论法和卡尔曼滤波都是一种概率思想来解决误差。前者是在收集一定样本的情况下进行预测的，预测的精度与样本的收集量有密切联系。该法虽可对误差进行修正，但工作计算量较大，而且修正精度有限；后者是通过改变斜拉索的索力不断修正施工过程中产生的主梁线形误差。显然，这种方法不仅增大了施工的工作量，而且不断的改变斜拉索索力，对主梁的内力造成不利影响，不断增加累计误差。而基于影响矩阵法的反馈控制的核心是影响矩阵，它是不随着施工误差变化而变化的，是由结构自身参数决定的。基于影响矩阵法的反馈控制不是通过概率的思想来解决问题，而是能准确的对施工误差判断修正预测。
2. 本文所提出的基于影响矩阵法的反馈控制系统的重点有两方面，一是在施工中出现误差，如何判断误差是否需要调整；二是如何调整误差并预测下一阶段的立模标高和索力。本文解决这两个要点是通过影响矩阵来计算出当前施工节段在存在误差时继续按设计修建的成桥状态，并与合理成桥状态进行比较，判定是否需要调整，当需要调整时，运用影响矩阵法对已经产生误差的结构进行调索并预测下一阶段立模标高和索力。辅以 Matlab 和 Midas civil 等软件计算分析。
3. 本文采用有限元软件 Midas civil 2013 对依托大跨径斜拉桥工程进行模拟，根据其实际的施工图纸和施工方法等对成桥状态及运营阶段状态进行比较真实的模拟，进行静力非线性分析，为大跨径斜拉桥的有限元程序模拟方法提供了比较有参考价值的方法。
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参考文献（略）