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摘要 矮塔斜拉桥是由塔、梁、索组合成高次超静定结构，与斜拉桥不同，矮塔斜拉桥主梁类似于连续梁桥的结构，也是主要承力构件。施工阶段所采用的施工工艺、施工方法和施工安装顺序对成桥后的主梁线形及内力状态造成很大的影响。在矮塔斜拉桥的施工过程中，对主梁线形的控制、主梁和主塔截面的应力的控制、拉索索力的校准、塔顶位移的控制等是施工控制中的重点监测项目。因此，首先需要对每一个施工阶段建立计算模型并进行分析，获得拉索索力、主梁挠度、主梁应力、主塔应力、塔顶位移等施工控制参数的理论值;其次，根据计算的理论值对施工过程中的测量参数进行误差分析;最后，对施工过程进行有效的控制，以减少或消除实际线形与设计线形之间的误差，使结构本身又处于最优的受力状态。同时保证桥梁施工质量和施工安全。
关键词 城市桥梁;施工控制;自适应控制;线性控制;应力控制;拉索控制
中图分类号 U441+.5 文献标识码：A DOI：
0 引言
矮塔斜拉桥是近年发展起来的一种新颖的桥型，其力学性能介于连续梁桥和斜拉桥之间[1]，主跨在150m～300m之间的桥型中极具竞争力。矮塔斜拉桥属于多次超静定结构，与斜拉桥类似，是由索、梁、塔三者共同受力的结构体系[2]，但矮塔斜拉桥主梁刚度一般较斜拉桥要大很多，塔高较矮。其施工方法通常也采用与斜拉桥类似，但与斜拉桥的不同主要在于斜拉桥主要承力构件是拉索，线型控制也主要是通过调节拉索索力达到目标线型，而矮塔斜拉桥是由索和梁共同组成主要承力构件，线型控制中索力调节和主梁预拱度都显的比较重要。施工过程中，结构的体系不断进行转换，任何一个施工环节都有可能影响到最终的成桥状态。因此，为了达到合理的成桥状态，确保施工过程中的安全，施工控制起着重要的作用[3]。
本文通过对矮塔斜拉桥施工控制中的线性监测、应力监测、索力监测中的关键问题分别做了介绍，并结合自适应控制系统，对矮塔斜拉桥整体的施工过程，误差分析，误差纠偏进行了详细的阐述。
1 概述
矮塔斜拉桥是一个由主梁、索塔、斜拉索三种基本构件协同作用的体系[4]。矮塔斜拉桥无论在施工阶段还是运营阶段都属于高次超静定结构，其位移与内力有着紧密的联系。因此，矮塔斜拉桥主梁的线形是施工控制的主要方法。与斜拉桥相比，斜拉桥主梁刚度小，竖向力基本由拉索索力控制;而矮塔斜拉桥的竖向力是由拉索和主梁共同承担的。通常情况下，斜拉桥的索梁活载比大于0.5，而矮塔斜拉桥的索梁活载比小于0.5。主梁的挠度受拉索索力，预应力，和自重等的影响。若已施工梁段上出现误差，因为矮塔斜拉桥拉索应力通常接近最大容许应力，因此只能通过后续阶段立模标高来调整，但会对后续阶段的施工，桥梁整体的线型，桥梁内力的重新分布都会造成严重的影响。因此，矮塔斜拉桥施工控制是施工中必不可少的一项重要任务[5]。
矮塔斜拉桥在结构方面类似于斜拉桥，但矮塔斜拉桥主梁采用连续梁的结构。因此，矮塔斜拉桥施工控制中线形控制、应力控制、拉索索力控制都是施工控制的重点。
2 线形监测
在矮塔斜拉桥主梁的悬臂浇筑过程中，通过梁段的调整立模标高对主梁线形的平顺度、内力的分布状态进行控制[6]。因此，在确定立模标高时应当合理的考虑多种影响因素并对其影响进行修正。合理的立模标高最终才能达到合理的成桥状态。
立模标高是控制主梁线形的关键，一般通过设置一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形。其计算公式如公式所示：
除此以外，在进行挂篮标高调整时，还应当注意温度的影响。矮塔斜拉桥主梁刚度要比连续梁桥刚度小，因此，光照引起造成主梁和主塔的整体温升、温度梯度等温度效应应当尽量避免。通常采用的比较有效的方法是每次进行挂篮标高调整时选择一个温度较低的时刻。避免因温度变化引起的线性控制的误差。
3 应力监测
矮塔斜拉桥主梁应力受多方面因素的影响，每经过一个施工阶段后，都应对其应力进行测量，同时对比数值模型的结果，判断应力的变化是否在合理的范围之内。
主梁的应力测量通过埋入式应力弦传感器进行测量。其原理[7]是通过测量在轴向力作用下钢弦绷紧程度不同，不同应力水平的钢弦自振频率也不同，通过测试传感器的自振频率和传感器内的电子组件根据自振频率的变化可以计算得到钢弦的应变值，换算得到同位置处混凝土的应力值，计算公式如公式和为：
应力的控制应当选择关键截面，对于主梁，应当选择0#块到1#块截面突变的位置是主梁应力较大的位置。监测点设置在这个位置，即可以根据实测应力的变化对比计算模型，校准模型或查找施工中应力出现误差的原因;其次，通过薄弱位置处的应力监测可以对全桥的最大应力进行控制，防止出现安全问题。主塔的应力测量位置一般布置在塔根，因为主塔主要受轴力的作用，塔根位置处的应力时整个主塔应力最大的位置。
4 索力监测
矮塔斜拉桥拉索布置形式与斜拉桥有较大的区别，斜拉桥的大多不设置无索区长度，而矮塔斜拉桥通常在跨中和塔根位置设置一定的无索区长度。同时由于矮塔斜拉桥塔高较矮，使得拉索与主梁的夹角较小。因此矮塔斜拉桥的拉索类似于偏心较大的体外预应力。通常矮塔斜拉桥拉索较短，且应力约为斜拉桥拉索应力的2～3倍，因此矮塔斜拉桥拉索集合非線性效应较小。矮塔斜拉桥在拉索索力计算中，可以通过恩斯特弹模修正就可以获得比较合理的索力。
矮塔斜拉桥拉索张拉通常单根张拉[8]，后续钢绞线张拉将导致内力重新分布，使得先前张拉的钢绞线拉力减小，保证所有钢绞线张拉完成后索力达到目标值的同时保证没根钢绞线的应力误差在容许范围是拉索张拉过程的重点。若拉索的各个钢绞线应力误差较大，会导致在成桥后有的钢绞线会超出容许应力，产生断丝的风险。 拉索索力的通常采用专用的索力仪进行测量，利用附着在拉索上的精密的拾振器获取振动频率，在根据不同受力状态拉索的振动频率不同的原理，计算出拉索工作状态的索力。矮塔斜拉桥施工一般不进行二次调索，因此，还需要根据拉索张拉时的油压表读数反向推导施工过程中的拉索张拉力，保证拉索索力的测量精度。最终，保证主梁线形、内力、拉索索力都达到合理成桥状态。
5 自适应控制系统
现代桥梁施工控制的方法主要有三种[9]：开环控制法、闭环控制法和自适应控制法。开环控制法和闭环控制法通常适合用于中小跨径且构造较为简单的桥梁，方法简单，需要调整的参数较少;而自适应控制法常用于跨径较大，精度要求高，且构造较为复杂的桥梁。
对于矮塔斜拉桥等构造复杂的桥梁，通过有限元分析得到合理成桥状态的过程中，面临很多参数的取值，如：混凝土的弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度、容重、徐变系数，钢材的弹性模量，容重、抗拉强度，预应力钢筋的预应力损失等。这些参数仅仅通过理论值很难与真实施工过程的材料性能相一致，同时，施工过程还面临各种不可预见的情况，如：环境温度的变化、预应力张拉过程中的断丝情况。这些问题都无法在有限元模型中精准的模拟。
因此，通过如图1所示的自适应控制原理，通过对比施工现场实测数据和理论模型之间的差异，把误差输入到参数识别算法中去校准理论计算模型的参数，得到相一致的理论值与实测值。用修正后的理论模型重新计算各施工阶段的理想状态，按照上述反馈控制方法对结构进行控制。经过几个工况的反复辨识修正后，得到理论值与实测值相一致的计算模型，对后续施工状态进行准确的控制。
对于矮塔斜拉桥，主梁通常采用变截面，且刚度较大，力学性能更加类似于连续梁桥，在墩顶附近的主梁块段刚度较大。因此，在施工初期的几个阶段的计算模型校准对后续阶段的影响较小。通过前几个节段的施工后测量，通实测值修正计算模型中的参数取值，实现对后续变形较大的节段的准确的控制。
6 结论
矮塔斜拉桥应用非常广泛的大跨径桥型，其力学性能和跨越能力介于连续梁桥和斜拉桥之间。其施工控制方面也有其独特之处。在施工控制方面主梁的线型、主梁和主塔的应力、主塔塔顶的位移、拉索索力都是施工过程中需要重点控制的对象。
本文通过总结以往矮塔斜拉桥施工控制方面的结论，并介绍了自适应控制理论，完善了矮塔斜拉桥施工控制体系。同时针对矮塔斜拉桥施工控制中线形的监测、应力的监测和拉索索力的监测几个问题进行了详细的阐述。
参 考 文 献
[1]薛玉香.开封黄河桥七塔部分斜拉桥力学性能分析[J].交通标准化，2012（02）：105-109.
[2]宋传中.大跨度矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析[J].中外公路，2013，33（04）：171-174.
[3]郭世杰. 大跨徑独塔斜拉桥施工控制研究[D].西南交通大学，2007.
[4]陈尚. 矮塔斜拉桥索力优化设计及合理成桥状态研究[D].长安大学，2013.
[5]宋传中.大跨度矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析[J].中外公路，2013，33（04）：171-174.
[6]甘季中，庞建利.某48 m+80 m+48 m混凝土梁桥施工监控方法研究[J].城市道桥与防洪，2019（04）：136-139+18.
[7]陈兵.大跨度梁桥施工监控探讨[J].工程与建设，2012，26（05）：667-669.
[8]谢明志，魏昌辛，杨永清，李晓斌，张克跃，张涛.高铁大跨矮塔斜拉桥施工控制研究及应用[J].铁道工程学报，2018，35（09）：35-41+48.
[9]于丞茂.影响斜拉桥施工控制因素分析[J].中国水运（下半月），2008（08）：219-220.
关键词 城市桥梁;施工控制;自适应控制;线性控制;应力控制;拉索控制
中图分类号 U441+.5 文献标识码：A DOI：
0 引言
矮塔斜拉桥是近年发展起来的一种新颖的桥型，其力学性能介于连续梁桥和斜拉桥之间[1]，主跨在150m～300m之间的桥型中极具竞争力。矮塔斜拉桥属于多次超静定结构，与斜拉桥类似，是由索、梁、塔三者共同受力的结构体系[2]，但矮塔斜拉桥主梁刚度一般较斜拉桥要大很多，塔高较矮。其施工方法通常也采用与斜拉桥类似，但与斜拉桥的不同主要在于斜拉桥主要承力构件是拉索，线型控制也主要是通过调节拉索索力达到目标线型，而矮塔斜拉桥是由索和梁共同组成主要承力构件，线型控制中索力调节和主梁预拱度都显的比较重要。施工过程中，结构的体系不断进行转换，任何一个施工环节都有可能影响到最终的成桥状态。因此，为了达到合理的成桥状态，确保施工过程中的安全，施工控制起着重要的作用[3]。
本文通过对矮塔斜拉桥施工控制中的线性监测、应力监测、索力监测中的关键问题分别做了介绍，并结合自适应控制系统，对矮塔斜拉桥整体的施工过程，误差分析，误差纠偏进行了详细的阐述。
1 概述
矮塔斜拉桥是一个由主梁、索塔、斜拉索三种基本构件协同作用的体系[4]。矮塔斜拉桥无论在施工阶段还是运营阶段都属于高次超静定结构，其位移与内力有着紧密的联系。因此，矮塔斜拉桥主梁的线形是施工控制的主要方法。与斜拉桥相比，斜拉桥主梁刚度小，竖向力基本由拉索索力控制;而矮塔斜拉桥的竖向力是由拉索和主梁共同承担的。通常情况下，斜拉桥的索梁活载比大于0.5，而矮塔斜拉桥的索梁活载比小于0.5。主梁的挠度受拉索索力，预应力，和自重等的影响。若已施工梁段上出现误差，因为矮塔斜拉桥拉索应力通常接近最大容许应力，因此只能通过后续阶段立模标高来调整，但会对后续阶段的施工，桥梁整体的线型，桥梁内力的重新分布都会造成严重的影响。因此，矮塔斜拉桥施工控制是施工中必不可少的一项重要任务[5]。
矮塔斜拉桥在结构方面类似于斜拉桥，但矮塔斜拉桥主梁采用连续梁的结构。因此，矮塔斜拉桥施工控制中线形控制、应力控制、拉索索力控制都是施工控制的重点。
2 线形监测
在矮塔斜拉桥主梁的悬臂浇筑过程中，通过梁段的调整立模标高对主梁线形的平顺度、内力的分布状态进行控制[6]。因此，在确定立模标高时应当合理的考虑多种影响因素并对其影响进行修正。合理的立模标高最终才能达到合理的成桥状态。
立模标高是控制主梁线形的关键，一般通过设置一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形。其计算公式如公式所示：
除此以外，在进行挂篮标高调整时，还应当注意温度的影响。矮塔斜拉桥主梁刚度要比连续梁桥刚度小，因此，光照引起造成主梁和主塔的整体温升、温度梯度等温度效应应当尽量避免。通常采用的比较有效的方法是每次进行挂篮标高调整时选择一个温度较低的时刻。避免因温度变化引起的线性控制的误差。
3 应力监测
矮塔斜拉桥主梁应力受多方面因素的影响，每经过一个施工阶段后，都应对其应力进行测量，同时对比数值模型的结果，判断应力的变化是否在合理的范围之内。
主梁的应力测量通过埋入式应力弦传感器进行测量。其原理[7]是通过测量在轴向力作用下钢弦绷紧程度不同，不同应力水平的钢弦自振频率也不同，通过测试传感器的自振频率和传感器内的电子组件根据自振频率的变化可以计算得到钢弦的应变值，换算得到同位置处混凝土的应力值，计算公式如公式和为：
应力的控制应当选择关键截面，对于主梁，应当选择0#块到1#块截面突变的位置是主梁应力较大的位置。监测点设置在这个位置，即可以根据实测应力的变化对比计算模型，校准模型或查找施工中应力出现误差的原因;其次，通过薄弱位置处的应力监测可以对全桥的最大应力进行控制，防止出现安全问题。主塔的应力测量位置一般布置在塔根，因为主塔主要受轴力的作用，塔根位置处的应力时整个主塔应力最大的位置。
4 索力监测
矮塔斜拉桥拉索布置形式与斜拉桥有较大的区别，斜拉桥的大多不设置无索区长度，而矮塔斜拉桥通常在跨中和塔根位置设置一定的无索区长度。同时由于矮塔斜拉桥塔高较矮，使得拉索与主梁的夹角较小。因此矮塔斜拉桥的拉索类似于偏心较大的体外预应力。通常矮塔斜拉桥拉索较短，且应力约为斜拉桥拉索应力的2～3倍，因此矮塔斜拉桥拉索集合非線性效应较小。矮塔斜拉桥在拉索索力计算中，可以通过恩斯特弹模修正就可以获得比较合理的索力。
矮塔斜拉桥拉索张拉通常单根张拉[8]，后续钢绞线张拉将导致内力重新分布，使得先前张拉的钢绞线拉力减小，保证所有钢绞线张拉完成后索力达到目标值的同时保证没根钢绞线的应力误差在容许范围是拉索张拉过程的重点。若拉索的各个钢绞线应力误差较大，会导致在成桥后有的钢绞线会超出容许应力，产生断丝的风险。 拉索索力的通常采用专用的索力仪进行测量，利用附着在拉索上的精密的拾振器获取振动频率，在根据不同受力状态拉索的振动频率不同的原理，计算出拉索工作状态的索力。矮塔斜拉桥施工一般不进行二次调索，因此，还需要根据拉索张拉时的油压表读数反向推导施工过程中的拉索张拉力，保证拉索索力的测量精度。最终，保证主梁线形、内力、拉索索力都达到合理成桥状态。
5 自适应控制系统
现代桥梁施工控制的方法主要有三种[9]：开环控制法、闭环控制法和自适应控制法。开环控制法和闭环控制法通常适合用于中小跨径且构造较为简单的桥梁，方法简单，需要调整的参数较少;而自适应控制法常用于跨径较大，精度要求高，且构造较为复杂的桥梁。
对于矮塔斜拉桥等构造复杂的桥梁，通过有限元分析得到合理成桥状态的过程中，面临很多参数的取值，如：混凝土的弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度、容重、徐变系数，钢材的弹性模量，容重、抗拉强度，预应力钢筋的预应力损失等。这些参数仅仅通过理论值很难与真实施工过程的材料性能相一致，同时，施工过程还面临各种不可预见的情况，如：环境温度的变化、预应力张拉过程中的断丝情况。这些问题都无法在有限元模型中精准的模拟。
因此，通过如图1所示的自适应控制原理，通过对比施工现场实测数据和理论模型之间的差异，把误差输入到参数识别算法中去校准理论计算模型的参数，得到相一致的理论值与实测值。用修正后的理论模型重新计算各施工阶段的理想状态，按照上述反馈控制方法对结构进行控制。经过几个工况的反复辨识修正后，得到理论值与实测值相一致的计算模型，对后续施工状态进行准确的控制。
对于矮塔斜拉桥，主梁通常采用变截面，且刚度较大，力学性能更加类似于连续梁桥，在墩顶附近的主梁块段刚度较大。因此，在施工初期的几个阶段的计算模型校准对后续阶段的影响较小。通过前几个节段的施工后测量，通实测值修正计算模型中的参数取值，实现对后续变形较大的节段的准确的控制。
6 结论
矮塔斜拉桥应用非常广泛的大跨径桥型，其力学性能和跨越能力介于连续梁桥和斜拉桥之间。其施工控制方面也有其独特之处。在施工控制方面主梁的线型、主梁和主塔的应力、主塔塔顶的位移、拉索索力都是施工过程中需要重点控制的对象。
本文通过总结以往矮塔斜拉桥施工控制方面的结论，并介绍了自适应控制理论，完善了矮塔斜拉桥施工控制体系。同时针对矮塔斜拉桥施工控制中线形的监测、应力的监测和拉索索力的监测几个问题进行了详细的阐述。
参 考 文 献
[1]薛玉香.开封黄河桥七塔部分斜拉桥力学性能分析[J].交通标准化，2012（02）：105-109.
[2]宋传中.大跨度矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析[J].中外公路，2013，33（04）：171-174.
[3]郭世杰. 大跨徑独塔斜拉桥施工控制研究[D].西南交通大学，2007.
[4]陈尚. 矮塔斜拉桥索力优化设计及合理成桥状态研究[D].长安大学，2013.
[5]宋传中.大跨度矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析[J].中外公路，2013，33（04）：171-174.
[6]甘季中，庞建利.某48 m+80 m+48 m混凝土梁桥施工监控方法研究[J].城市道桥与防洪，2019（04）：136-139+18.
[7]陈兵.大跨度梁桥施工监控探讨[J].工程与建设，2012，26（05）：667-669.
[8]谢明志，魏昌辛，杨永清，李晓斌，张克跃，张涛.高铁大跨矮塔斜拉桥施工控制研究及应用[J].铁道工程学报，2018，35（09）：35-41+48.
[9]于丞茂.影响斜拉桥施工控制因素分析[J].中国水运（下半月），2008（08）：219-220.