橋梁施工監測控制理論及工程應用2019年度研究進展

高玉峰，楊永清，蒲黔輝，李曉斌

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

橋梁結構施工控制理論方法與技術是中國橋梁工程研究應用較早領域之一，理論研究趨于成熟并轉向創新技術應用，針對不同工程條件的應用研究持續開展。筆者以近兩年公開發表的有關核心期刊文獻成果以及近兩年學位論文研究熱點為基礎，結合團隊開展的研究和工程應用實踐，對該領域的發展動態進行簡要回顧和展望。

橋梁施工過程監測控制理論與技術研究的應用，是橋梁工程尤其是特殊、大型橋梁工程質量的基本保證，已經成為橋梁工程領域研究的重要內容。隨著新材料、智能感知及大數據應用等技術的發展，傳統的工程控制理論和以模糊數學、灰色理論等為代表的技術方法應用不斷遇到新的挑戰；在未來橋梁結構工程控制理論研究與工程應用中，基于工程環境、材料、作用和結構效應等多因素多維智能監測和結構全壽命狀態參數空間控制的監控理念正在興起。

自20世紀后半葉到21世紀初，橋梁工程控制理論技術，以大跨度斜拉橋、懸索橋為主要應用對象，逐步發展形成了以自適應控制理論和無應力狀態分析方法等為代表的較為完善的理論技術方法。從開、閉環控制方法，發展到自適應控制法，特別是21世紀以來以秦順全院士提出的無應力狀態控制理論為代表的狀態控制理論方法得到長足發展[1]。

隨著橋梁結構理論不斷發展完善、新型高強材料廣泛應用，以智慧橋梁為目標、以智能橋梁技術為依托的先進設計造橋理念和工藝技術方法得到快速發展；橋梁工程面臨結構體系大型復雜化、功能指標時空系統化趨勢，橋梁結構向復合體系結構和更大跨度發展，對橋梁建設提出了日益復雜、快速的工藝技術要求。這都對橋梁工程監測控制理論技術的應用提出了超越傳統施工過程的更高要求。橋梁監測控制技術正在朝著以特殊、大跨徑橋梁為核心，面向設計建造施工和長期運營維護全過程，以精準化、多維化和智能化等為標志的方向發展。重點在于：研究以幾何控制為核心的全過程自適應控制系統，針對特殊大跨度拱系結構橋梁、斜拉橋和懸索橋工藝過程顯著的多維非線性效應，發展基于全時空的數值計算方法和狀態參數預測方法；開發超高索塔結構、異形空間結構和超長拉索等結構狀態參數監測技術，結構環境風、浪、濕熱交換作用超大空間區域、跨時段監測技術；開發適用于現代建造工藝技術的綜合結構材料、環境、工藝荷載和目標荷載作用效應，以橋梁成橋后使用階段狀態參數指標導向，采用物理力學分析模型和大數據預測分析模型相結合的預測控制方法。

橋梁結構監控理念和技術方法正在從只注重施工過程的階段向更關注結構的全壽命周期過程轉變；從只關注主要受力構件的控制到多元化復雜構件的全方位控制；從只注重橋梁整體結構的受力安全性控制到更注重各個施工細節的方案優化控制；從傳統的以現場人工測量測試為主的技術方法到自動化、智能化的數據管理理念轉變。

1 大跨度橋梁施工過程控制理論

1.1 大跨度斜拉橋

斜拉橋施工控制理論方法基本經歷了開環控制、閉環控制到自適應控制方法的過程。開環控制只在施工前根據理想的成橋狀態求得每個施工階段主梁的位置和索力，在施工過程中不需要進行參數識別及模型修正，屬于確定性的控制方法。

隨著橋梁體系的復雜化，施工中存在的如參數誤差、施工誤差、測試誤差等各種因素可能會導致結構狀態與理想狀態存在偏差。且這些偏差會隨著施工的進行累積擴大，若不及時進行修正，將會影響整個施工過程的可靠性及安全性，使得成橋線形及內力與理想狀態存在較大的偏差，甚至危及結構安全。因此，在實際施工過程中，可以通過某種特定的最優原則，對出現的誤差及時進行修正和控制，使得結構處于一種最優狀態。該方法實際上是一種閉環反饋控制過程，通常稱為閉環控制法。閉環控制法是在施工狀態與理想狀態之間出現誤差之后及時地進行糾正，而糾正的措施和控制量的大小由誤差經反饋計算所決定，該方法并沒有分析產生誤差的原因，而是將各種誤差綜合在一起進行處理修正。

自適應控制是在閉環反饋控制的基礎上，再加上一個系統辨識過程，整個控制系統就成為自適應控制系統誤差識別過程。若將閉環控制看成是一種被動的控制方法，在該基礎上發展而來的自適應控制法則可看成是主動的為施工決策提供依據的方法。在施工中結構的實際狀態與理想狀況之間存在差異的根本原因是有限元模型中的計算參數如材料容重、彈模、截面幾何特性與理論值存在差異，因此，在施工過程中，尤其是對重復性較強的分段懸臂施工，通過關鍵參數的識別，對模型進行修正，經過若干階段的計算與磨合后，適應結構實際力學狀況，從而降低模型誤差。該方法的最大特點是在閉環控制的基礎上，在施工中進行參數識別。

開環控制法、閉環控制法在中小跨徑橋梁的施工控制中應用效果較好，對于大跨度纜索承重體系橋梁，多采用自適應控制方法。但隨著橋梁跨度的不斷增大，特大跨度纜索承重體系橋梁的非線性效應愈加突顯，傳統的自適應控制理論中參數識別與模型修正方法已難以達到理想的效果，因此，需要研究更加合理可行的控制方法。

中鐵大橋設計院秦順全院士于2007年提出了無應力狀態控制理論[1]。無應力狀態控制法就是在一定的外荷載、結構體系、支承邊界條件、單元的無應力長度和無應力曲率組成的結構，其對應的結構內力和位移是唯一的，與結構的形成過程無關。無應力長度控制法是確定分階段形成橋梁結構過程狀態與最終狀態關系的方法，即在橋梁安裝計算時可由最終狀態直接解算施工中間狀態。該方法首次建立了分階段施工橋梁的力學平衡方程，第一次從理論上闡明了橋梁構件單元的無應力狀態量是影響分階段施工橋梁內力和線形的本質因素。無應力狀態控制法認為，與一次成形結構相比，只要單元的無應力狀態量確定，分階段成形結構最終內力、位移與結構形成過程無關。該方法將傳統的施工控制從安裝階段向制造加工階段拓展，為全過程控制奠定了基礎，通過無應力狀態將構件的制造及成橋連接起來，從而獲得高質量的施工控制。西南交通大學李喬教授團隊早在2009年對超大跨斜拉橋的制造及施工控制進行深入研究，提出基于幾何控制的全過程自適應控制系統，為大跨度橋梁的施工控制開創了一種新的控制理念[2-3]。

筆者認為，隨著斜拉橋跨度及結構體系的發展，斜拉橋全過程幾何控制理論、控制方法和監控手段等也需要有進一步深入研究。在跨度方面，世界范圍內多座超大跨度斜拉橋相繼開工或規劃，大跨度引起的非線性效應需要更先進的計算手段，超長超高索力斜拉索的索力測試需要先進的方法，風、溫度、波浪等環境的影響效應更為明顯。在結構體系方面，鋼混組合索塔的監控、超高性能材料組合截面主梁的制造和安裝控制等，與傳統的斜拉橋監控顯著不同。此外，隨著橋梁健康監測系統的進一步普及，斜拉橋施工監控系統與運營監測系統的銜接與融合也需要進一步研究[8-10]。

1.2 大跨度懸索橋

不同于其他橋型，鑒于大跨度懸索橋主纜受力表現出強烈的幾何非線性特點，針對懸索橋的施工過程控制具有其自身的獨特性。最早在20世紀末，不少學者針對懸索橋的控制計算開展了一些研究工作。

早在1994年交通部公路科學研究院結合廣東虎門大橋的施工監控，提出了將主纜下料長度、初始安裝位置、吊桿無應力長度及主梁初始安裝位置作為施工監控的重點內容，并開發了懸索橋施工控制軟件SBCC，通過有限元理論的倒拆和正裝的循環，由成橋狀態得到空纜或吊裝狀態。同一時期，同濟大學、長沙理工大學、長安大學等一些學者均通過研究開發了專用的懸索橋監控計算程序。這些程序將懸索橋理想狀態劃分為成橋態、空纜狀態和加勁梁安裝等階段，通過成橋態倒退分析(或解析方法)得到懸索部分的初態，再利用初始態形成前進分析的有限元模型進行結構分析。

沈銳利教授團隊最早于1996年提出了主纜的解析迭代算法[11]，該方法認為主纜的線形和內力只與其上的荷載大小及分布有關，與荷載作用順序無關。該方法能通過力的平衡和變形相容條件，考慮主纜的幾何非線形。之后該團隊在此基礎上相繼考慮了索鞍的位置計算，絲股架設線形的精確計算，主纜的分段懸鏈線理論，絲股錨跨力的計算，這些理論都給出了解析解，收斂快，精度高。同時，開發了解析法施工控制軟件BNLAS，該軟件可以通過成橋狀態迭代出空纜位置即索股下料長度、索鞍預偏量等，也能模擬施工過程[12]。

最近幾年，針對懸索橋向著更加復雜體系發展的需要，中鐵大橋設計院科研人員開發了最新的懸索橋施工分析與計算軟件SNAS。該軟件具有卓越的處理極限非線性問題的能力，實現了在無應力狀態量不變的情況下多個施工步與一次成橋結果的閉合，實現了空間梁單元的收縮徐變與幾何非線性的耦合計算。該程序可精確求解空間懸鏈線索單元多向荷載效應，可實現空間纜懸索橋的找形計算。該程序已應用于諸如武漢鸚鵡洲長江大橋、武漢楊泗港長江大橋、五峰山長江大橋等若干座大型新型結構懸索橋的設計分析與現場控制。據悉，該成果已被鑒定為國際領先水平。

從2019年發表的研究成果來看，針對大跨度懸索橋監控工作開展的較深入研究成果主要包括空間索面懸索橋纜形計算、基準索股線形精確調整、及老舊懸索橋拆除工程施工控制等問題。邢德華等[13]針對空間索面懸索橋的主纜線形計算問題，基于傳統的平行索面懸索橋計算理論,為空間索面懸索橋主纜線形提出新的解析算法,并編制了相應的MATLAB程序，并在實際工程實施中進行了驗證。為實現懸索橋基準索股現場的快速定位與調整，梁志磊等[14]通過理論推導編制了考慮索鞍切點變化的索股線形計算程序，建立了基于懸鏈線理論的索股跨中標高影響公式和調索公式，并以某懸索橋為工程背景,進行參數分析，得到索股跨中標高隨索股跨度、溫度、兩端高差變化的影響公式。慕玉坤等[15]以某懸索橋拆除工程為背景,綜合考慮結構與施工作業安全、施工工期與工程造價等影響因素，提出拆除設計控制要素。通過合理構思和有限元仿真分析，研究確定合理可行的拆除方案，并提出拆除施工控制要點。

2 專項控制技術

以上提到的內容是針對大跨度纜索稱重體系橋梁(斜拉橋、懸索橋)施工過程控制的理論發展現狀概要。除此之外，近幾年大規模的工程建設對橋梁結構現場控制技術也提出了各方面新的需求與挑戰，筆者結合實際開展工作情況，列舉部分專項控制工作進展供同行參考。如大型橋梁結構轉體施工過程實時姿態控制技術、大型梁段縱向同步頂推(或豎向同步頂升)施工過程實時姿態專項控制技術、既有結構加固改造過程特殊力學問題分析與控制等。這些工程應用需求顯然與上述纜索承重體系橋梁過程控制相比具有不同的特點，其更多的是體現出專項的技術應用問題。

2.1 橋梁結構轉體施工過程控制

目前，中國公路橋梁數量已超過80萬座，全國鐵路運營里程已突破13萬km，后續將要建成的跨線橋梁工程必將越來越多地遇到跨越既有運營線路的情況。對于跨線橋的施工多采用轉體施工法，轉體施工技術既能保證順利如期完成工程建設，又能保證既有線路的正常運營，減少對既有路線的干擾，從而產生明顯的經濟效益和社會效益。隨著跨越既有線路工程的結構越來越多樣復雜，近幾年高速鐵路通車里程越來越多，這對轉體施工過程的安全性、精準性、實時性都提出了很高的要求。

目前，針對傳統的轉動球鉸類型和常規轉動系統設計的轉體橋梁，有關其計算理論、監測手段及工程實踐已開展了不少的研究和總結[16-17]。但對于極不平衡轉體、大跨度柔性結構轉體、高墩極小半徑轉體的監測技術和有關方法研究尚處于探索階段，對于轉體過程實時動態可視化監測預警系統的開發也在嘗試，但實際應用效果還不夠理想。將來的技術開發熱點在于結合市場上新型轉動球鉸研發，研究與其受力特點相匹配的橋體力學控制思路和方法；針對部分特殊結構形式的轉體，考慮轉體過程中橋梁結構的動力特性，進一步豐富監控理論和技術。

胡義新等[18]以鄭萬鐵路跨京廣客專T構轉體橋為依托,研究了T構轉體橋精細化施工控制技術,通過利用全過程控制理念，明確了轉體施工總體控制流程；采用精細化控制方法，分析了轉體施工的受力、結構響應以及不平衡重的識別；運用信息化控制手段，促成了轉體橋梁質量安全評估方法及相關體系，保障了鄭萬鐵路T構轉體的安全實施。唐學慶等[19]針對主跨200 m的梁拱組合體系盤錦內湖大橋，介紹了主拱豎向轉體施工的總體布置、控制過程以及豎轉系統、臨時系桿的設計，為同類橋梁施工控制提供參考。從2019年中國研究生學位論文方面來看，針對轉體橋梁的控制分析仍然是選題的熱點，除常規的T構轉體橋外，多涉及異形橋跨結構轉體(如小半徑、多支點、高墩結構等)。

近年來，筆者團隊主持完成了大型橋梁轉體過程控制工作10余項，如山西太原臥虎山快速路跨石太客專和石太鐵路2×100 m立交橋鋼箱梁轉體施工控制、鄭州大河路快速化工程大河路跨鐵路預應力混凝土梁轉體施工過程監控等。臥虎山快速路立交橋上部結構鋼箱梁采用單箱五室截面，扁平彎斜，幾何參數影響因素多，轉體總噸達8 750 t、長度達200 m，為當時中國之最。通過該橋控制實踐，提出了改進既有的不平衡力試驗方法，顯著減少了對千斤頂噸位的需求，提高了現場對結構幾何、力學參數控制可靠性和工藝效率。河南省鄭州市大河路跨鐵路轉體橋梁過程控制，整幅85 m+147 m+85 m預應力混凝土梁轉體懸臂長度達71.75 m、單T轉體噸位3.16萬t，結構轉體總噸位達6.32萬t，為迄今同類型T型剛構雙側轉體噸位最大。運用首次開發的實時數字化可視監控技術，監控系統可以實時掌握轉體過程中關鍵受力及姿態參數(墩底應變、梁端位移、空間位置、轉動速度、環境風速、牽引力等)，大大提高轉體施工過程的安全性、可靠性，雙T構合龍誤差控制在1 cm以內，保障轉體精確就位。

2.2 橋梁頂推施工過程控制

當橋位部分區域因通航或地理環境復雜等情況不能采用落地支架法施工時，除通常采用的懸臂施工法、轉體施工法外，主梁頂推施工的方法也具有其獨特的優勢。主梁頂推施工法是在沿橋梁縱向的臺后設立一個預制場地，分段預制梁體，將預制好的節段與已經施工完成的梁體連接成一個共同的整體，然后通過水平千斤頂施力，將梁體向前頂推出預制場地，接著繼續預制下一節段梁體并最終將梁體頂推到設計位置。與其它施工方式相比，頂推施工具有以下優勢：1)鋼結構焊接質量相比吊裝施工的現場焊接更有保證；2)錨固處理的施工條件也相對比較好；3)頂推過程中主梁的受力比較明確，橋體標高較容易控制。隨著鋼材的廣泛應用，鋼箱梁頂推施工法也將有著廣闊的應用空間。

但隨著被頂推梁體結構規模的擴大，對多點頂推的同步性提出很高的要求。各點頂推不同步會帶來一系列問題，比如臨時墩承受的水平荷載過大的問題，頂推過程中梁體橫向偏移問題，縱向不到位問題等。這些誤差若得不到及時的識別與調整，將不斷積累最終會影響到梁體的成橋線形和結構體系的受力安全。如何及時精準地識別各頂推點的非同步性，以及如何實時高效地對梁體進行位置糾偏，還需在理論研究和現場實踐中進一步探索。

賀文波[20]針對跨高鐵800 m半徑PC連續箱梁頂推施工開展了相關研究，倪傳志等[21]依托跨漢洪高速公路高架橋提出了大跨度連續鋼箱梁橋頂推施工全過程控制方法，從前期準備階段、制造階段、安裝階段對施工控制方法及控制結果進行了闡述,重點分析了主梁制造線形、安裝線形控制及計算方法。此外，還有部分研究人員[22-24]針對橋梁整體同步頂升施工過程開展了精細化監測與控制工作。

目前，正在施工的金堂韓灘雙島大橋主橋布置為215 m+430 m+215 m，主梁為全斷面桁架式橫隔板及帶斜撐的大懸臂鋼箱梁，總重量為17 000 t。主梁采用頂推施工，頂推跨徑達50 m，單向頂推長度達430 m，單向最大頂推重量達到8 500 t。該橋運用“智能多點同步頂推技術”實現18臺步履式千斤頂的實時同步性監測控制。依據理論模擬、結合扁平鋼箱梁空間結構，建立以主梁為核心、包括支持體系結構的結構受力、變形位移與幾何狀態實時監測系統，并實現動態糾偏與自動預警；同時配合工藝過程通過BIM項目系統對施工過程進行實時動態校核反演。

2.3 既有結構改造過程特殊力學問題分析與控制

隨著中國經濟社會與基礎設施建設快速發展，公路網也日益完善，一些早期建設的橋梁技術狀況已不能滿足行車安全和日益增長的交通量的需要。但由于資金和材料的限制，不可能大量地拆除重建，只能對既有結構提出加固改造措施從而提高其技術狀況。在對既有老舊橋梁結構進行加固維修改造設計與施工過程中會遇到很多與新建工程完全不同的特殊受力分析問題，以及現場施工過程安全性控制問題。有時會涉及到對既有結構的局部拆除與改造，這不僅在施工過程中會不可避免地產生對主體結構的損傷，而且一旦某些施工順序(特別是加卸載順序)處理不當，可能會產生災難性的后果。因此，近年來大量工程結構改造施工過程中的結構安全性控制問題越來越突出。針對各種不同類型和特點的加固改造措施，有針對性地研究其受力特點，制定相應的安全控制方案將成為該類型工程安全控制技術的核心。

近年來，已開展多座橋梁加固改造過程特殊問題分析與控制，涵蓋了多跨連續拱橋拱上結構換填處治、系桿拱橋的既有系桿更換、鋼管拱橋的既有吊桿更換、斜拉橋換索工程、中承式拱橋橋面系整體更新改造、城市既有立交橋整體抬升利用等[25-29]。

2.4 其他

因橋梁施工方法的多樣復雜性，橋梁施工過程控制理論與技術工作也同樣呈現出各自不同的特點。除本文提到的部分熱點問題外，還有很多研究者開展的有意義的工作未能一一列出。近年來一些非常規的橋跨結構(異形結構)特殊施工力學問題越來越被關注，例如，空間異形鋼塔斜拉橋[30]、曲線形獨塔無背索斜拉橋[31]、大跨度曲弦鋼桁加勁連續梁[32]、鋼管混凝土異型系桿拱橋等[33]。有越來越多的研究者嘗試將建筑信息模型技術應用于橋梁施工監控過程。

3 熱點與展望

目前，關于橋梁施工過程控制理論研究方面已有一定基礎，最新文獻研究表明，大多集中于各種專題性技術應用研究[34-35]。結合當前橋梁技術發展的現狀，筆者認為下一階段施工過程控制研究的主要發展方向包括以下幾個方面：

1)全過程自適應控制理論、無應力狀體法理論在超大跨度纜索承重體系橋梁中的適應性研究。

2)大跨復雜空間纜索結構的理論控制與工程實踐。

3)多構件、多元化、全過程控制體系的建立。

4)超大噸位、新型轉動系統、特殊結構形式轉體監控技術研究；免稱重試驗轉體橋平衡控制技術研究。

5)橋梁結構專項施工過程(如頂推、轉體)瞬時姿態實時自動化監測技術。

6)橋梁監測控制體系中數據自動化管理與預警系統技術研發。

7)橋梁施工過程監控與運營期安全監測一體化技術體系研究。