预应力混凝土斜拉桥施工监控概率方法研究
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摘要
预应力混凝土斜拉桥是应用十分广泛的一种大跨度桥型。该类桥梁的施工工艺复杂，影响因素众多，施工调整方式多样，因此该类桥梁的施工监控也是各类桥梁施工监控中相对复杂的，所发挥的作用也是最显著的。大跨度预应力混凝土斜拉桥施工监控传统理论体系在工程实践中已得到广泛应用，但对于施工监控中各种因素的不确定性影响机理，目前的理论体系还无法从概率可靠度方面给出科学、合理的解释，导致对实际施工中结构响应的变异性以及各种测量项目的测试精度认识不足，对于参数识别的可靠性以及施工调整措施的有效性把握不准。
为此，迫切需要建立以概率可靠度理论为基础的施工监控非确定性分析理论体系，以随机分析和可靠度理论贯穿施工监控各个环节，使施工监控各个环节环环相扣，形成一个有机的整体，以便在施工监控工程实践中制定科学合理的施工控制精度，科学合理地判断和衡量各测量项目的测试精度以及主要设计参数的识别精度，最终达到安全有效地调整施工误差的目的，高质量、高效率地指导复杂繁重的施工监控工作。
本文拟在现有的预应力混凝土斜拉桥施工监控传统理论体系基础上，结合概率论和数理统计理论，开展施工监控各环节的概率分析方法研究。本文主要工作包括：
（1）对现有的预应力混凝土斜拉桥施工监控理论系统进行了全面综述。对预应力混凝土斜拉桥施工过程中存在的随机因素，以及结构随机分析方法和结构可靠度相关概念进行了介绍。总结了在随机因素影响下，预应力混凝土斜拉桥施工监控所面临的困难，以及预应力混凝土斜拉桥施工监控随机分析的研究现状。
（2）介绍了索力测量方法和混凝土应力测量方法，在此基础上结合概率论与数理统计理论，提出了预应力混凝土斜拉桥内力测量概率分析方法，为确定实测内力的统计特性，获取不同测量精度下的内力测量可靠度提供了有效的方法。通过甘竹溪大桥内力测量概率分析，确定了甘竹溪大桥实测内力的概率分布类型和数字特征，并获得了达到不同测量精度的可靠性概率信息，验证了内力测量概率分析方法的可行性。
（3）介绍了施工控制的内容和目标，以及施工过程的模拟方法，在此基础上结合概率论与数理统计理论，提出了预应力混凝土斜拉桥施工控制概率分析方法，为确定施工过程结构响应的统计特性，获取不同施工控制精度下的施工控制可靠度提供了有效的方法。通过甘竹溪大桥施工控制概率分析，确定了甘竹溪大桥理想施工过程中结构响应的概率分布类型和数字特征，并获得了达到不同施工控制精度的可靠性概率信息，验证了施工控制概率分析方法的可行性。
（4）介绍了主梁自重识别的最小二乘法，并在此基础上结合概率论与数理统计理论，提出了预应力混凝土斜拉桥主梁自重识别概率分析方法，为确定主梁自重识别结果的统计特性，获取不同识别精度下的主梁自重识别可靠度提供了有效的方法。通过甘竹溪大桥主梁自重识别概率分析，确定了甘竹溪大桥主梁自重识别结果的概率分布类型和数字特征，并获得了达到不同识别精度的可靠性概率信息，验证了主梁自重识别概率分析方法的可行性。
（5）详细介绍了几种常用的优化设计方法，并结合施工过程误差调整的特点，提出了基于约束非线性规划方法的施工过程索力调整分析方法。在此基础上，引入概率可靠度设计方法的思想，提出了基于可靠度约束优化的索力调整分析方法，为寻求满足给定结构安全可靠度下的施工过程误差调整方案提供科学有效的方法。以主梁安全可靠度为约束条件，针对假定的施工误差状态进行了甘竹溪大桥施工过程索力调整分析，获得了满足可靠度约束条件，且能使塔偏位和主梁标高误差大幅减小的索力调整方案，验证了方法的可行性。
（6）根据预应力混凝土斜拉桥施工监控概率分析各组成模块之间的相互影响机理，明确了各个分析模块之间的数据流动规律，从而构建了施工监控概率分析的总体框架。以甘竹溪大桥17#节段施工监控为例，按照所提出的施工监控概率分析整体框架，实现了该节段施工监控全过程概率分析。
Prestressed concrete cable-stayed bridge is a type of large-span bridge used widely. Withcomplicated construction technology, numerous influencing factors and various methods ofconstruction adjustment, the construction monitoring of this type of bridge is complexrelatively and also most significant. The traditional theoretical system of constructionmonitoring of large-span prestressed concrete cable-stayed bridge has been widely applied inengineering practices. But for the influence mechanisms of uncertainty of various influencingfactors in construction monitoring, the present theoretical system cannot provide a scientificand rational explanation in terms of probabilistic reliability. It results in lacks of recognition onthe variability of structural responses in practical construction and the measuring accuracies ofdifferent measuring items, which leads that the reliability of parameter identification as well asthe efficiency of measures taken in construction adjustment cannot grasped exactly.
Therefore, it is urgently needed to establish a theoretical system based on probabilisticreliability theory for uncertainty analysis of construction monitoring. Stochastic analysis andreliability theory will be applied throughout every link of construction monitoring, whichmakes the links of construction monitoring linked each other and being an organic whole, andSo as to establish scientific and reasonable accuracies of construction control in engineeringpractices of construction monitoring, judge and measure the measuring accuracies of variousmeasuring items as well as the identification precisions of main design parameters. Eventually,the goal of the construction errors adjusted safely and effectively can be achieved, then thecomplex and heavy work of construction monitoring can be conducted with high quality andefficiency.
In this dissertation, on the basis of the present traditional theoretical system ofconstruction monitoring of prestressed concrete cable-stayed bridge, and combined withprobability theory and mathematical statistics theory, the study on the probability analysismethods for each links of construction monitoring is developed. The following research resultsare achieved in this dissertation:
(1) Current theoretical systems of construction monitoring of prestressed concretecable-stayed bridge are reviewed comprehensively. The uncertainty factors existing in the construction of prestressed concrete cable-stayed bridge, as well as structural stochasticanalysis methods and the related concepts of structural reliability are presented. The difficultiesfaced in the construction monitoring of prestressed concrete cable-stayed bridge withinfluences of uncertainty factor, as well as the current status of probability analysis for theconstruction monitoring of prestressed concrete cable-stayed bridge are summarized.
(2) Measurement methods for internal forces and concrete stress are presented. On thebasis of the methods, and combined with probability theory and mathematical statistics theory,the probability analysis method for the internal force measurement of prestressed concretecable-stayed bridge is proposed, so as to provide an effective method for determining thestatistical characteristics of measured internal forces and obtaining the probabilities of internalforce measurement within different measuring accuracies. With the probability analysis of theinternal forces of Ganzhuxi Bridge, the type of probability distribution and statisticalcharacteristics of the measured internal forces of Ganzhuxi Bridge are determined, and theprobability information with different measuring accuracies are acquired too. That proves thatthe probability analysis method for internal force measurement is feasible.
(3) The contents and objective of construction control, as well as the simulation method ofconstruction, are discussed. On the basis of that, and combined with probability theory andmathematical statistics theory, the probability analysis method for construction control ofprestressed concrete cable-stayed bridge is proposed, so as to provide an effective method fordetermining the statistical characteristics of structural responses in the process of constructionand obtaining the probability of the construction control within different control accuracies ofconstruction. With the probability analysis of the internal forces of Ganzhuxi Bridge, the typeof probability distribution and statistical characteristics of structural responses in the idealconstruction process of Ganzhuxi Bridge are determined, and the probability information withdifferent accuracies of construction control are acquired too. That proves that the probabilityanalysis method for construction control is feasible.
(4) The least squares method for girder self-weight identification is presented. On the basisof the least squares method, and combined with probability theory and mathematical statisticstheory, the probability analysis method for girder self-weight identification of prestressedconcrete cable-stayed bridge is proposed, so as to provide an effective method for determining the statistical characteristics of the result of girder self-weight identification and obtaining theprobability of the girder self-weight identification within different identification accuracies.With the probability analysis of the girder self-weight identification of Ganzhuxi Bridge, thetype of probability distribution and statistical characteristics of the girder self-weightidentification result of Ganzhuxi Bridge are determined, and the probability information withdifferent identification accuracies are acquired too. That proves that the probability analysismethod for girder self-weight identification is feasible.
(5) Several common methods for optimization design are presented in detail. Andcombined with the characteristic of construction error adjustment, an analysis method for cableforce adjustment in the process of construction, which based on the constrained nonlinearprogramming method, is proposed. Based on that and the thought of probability reliabilitydesign method, the analysis method for cable force adjustment which based on reliabilityconstrained optimization is proposed, to provide an scientific and effective method forsearching a construction error adjustment plan meet the given structural safety reliability. Thesafety reliability of girder is taken as the constraint condition, the adjustment analysis for cableforces in the process of the construction of Ganzhuxi Bridge is developed according to theassumed construction error state. Then the adjustment plan of cable forces, which meet thereliability constrained condition and can rapidly reduce the errors of the deflexion of tower andthe elevation of girder, is obtained. It proves the method feasible.
(6) According to the inner relations among the various modules of probability analysis forconstruction monitoring of prestressed concrete cable-stayed bridge, the law of data flowamong different analysis modules is explicit, thus the general framework of the probabilityanalysis of construction monitoring is established. With the example of the constructionmonitoring of17#segment of Ganzhuxi Bridge, according to the proposed general frameworkof the probability analysis of construction monitoring, the probability analysis for the wholeprocess of construction monitoring of the segment is realized.
为此，迫切需要建立以概率可靠度理论为基础的施工监控非确定性分析理论体系，以随机分析和可靠度理论贯穿施工监控各个环节，使施工监控各个环节环环相扣，形成一个有机的整体，以便在施工监控工程实践中制定科学合理的施工控制精度，科学合理地判断和衡量各测量项目的测试精度以及主要设计参数的识别精度，最终达到安全有效地调整施工误差的目的，高质量、高效率地指导复杂繁重的施工监控工作。
本文拟在现有的预应力混凝土斜拉桥施工监控传统理论体系基础上，结合概率论和数理统计理论，开展施工监控各环节的概率分析方法研究。本文主要工作包括：
（1）对现有的预应力混凝土斜拉桥施工监控理论系统进行了全面综述。对预应力混凝土斜拉桥施工过程中存在的随机因素，以及结构随机分析方法和结构可靠度相关概念进行了介绍。总结了在随机因素影响下，预应力混凝土斜拉桥施工监控所面临的困难，以及预应力混凝土斜拉桥施工监控随机分析的研究现状。
（2）介绍了索力测量方法和混凝土应力测量方法，在此基础上结合概率论与数理统计理论，提出了预应力混凝土斜拉桥内力测量概率分析方法，为确定实测内力的统计特性，获取不同测量精度下的内力测量可靠度提供了有效的方法。通过甘竹溪大桥内力测量概率分析，确定了甘竹溪大桥实测内力的概率分布类型和数字特征，并获得了达到不同测量精度的可靠性概率信息，验证了内力测量概率分析方法的可行性。
（3）介绍了施工控制的内容和目标，以及施工过程的模拟方法，在此基础上结合概率论与数理统计理论，提出了预应力混凝土斜拉桥施工控制概率分析方法，为确定施工过程结构响应的统计特性，获取不同施工控制精度下的施工控制可靠度提供了有效的方法。通过甘竹溪大桥施工控制概率分析，确定了甘竹溪大桥理想施工过程中结构响应的概率分布类型和数字特征，并获得了达到不同施工控制精度的可靠性概率信息，验证了施工控制概率分析方法的可行性。
（4）介绍了主梁自重识别的最小二乘法，并在此基础上结合概率论与数理统计理论，提出了预应力混凝土斜拉桥主梁自重识别概率分析方法，为确定主梁自重识别结果的统计特性，获取不同识别精度下的主梁自重识别可靠度提供了有效的方法。通过甘竹溪大桥主梁自重识别概率分析，确定了甘竹溪大桥主梁自重识别结果的概率分布类型和数字特征，并获得了达到不同识别精度的可靠性概率信息，验证了主梁自重识别概率分析方法的可行性。
（5）详细介绍了几种常用的优化设计方法，并结合施工过程误差调整的特点，提出了基于约束非线性规划方法的施工过程索力调整分析方法。在此基础上，引入概率可靠度设计方法的思想，提出了基于可靠度约束优化的索力调整分析方法，为寻求满足给定结构安全可靠度下的施工过程误差调整方案提供科学有效的方法。以主梁安全可靠度为约束条件，针对假定的施工误差状态进行了甘竹溪大桥施工过程索力调整分析，获得了满足可靠度约束条件，且能使塔偏位和主梁标高误差大幅减小的索力调整方案，验证了方法的可行性。
（6）根据预应力混凝土斜拉桥施工监控概率分析各组成模块之间的相互影响机理，明确了各个分析模块之间的数据流动规律，从而构建了施工监控概率分析的总体框架。以甘竹溪大桥17#节段施工监控为例，按照所提出的施工监控概率分析整体框架，实现了该节段施工监控全过程概率分析。
Prestressed concrete cable-stayed bridge is a type of large-span bridge used widely. Withcomplicated construction technology, numerous influencing factors and various methods ofconstruction adjustment, the construction monitoring of this type of bridge is complexrelatively and also most significant. The traditional theoretical system of constructionmonitoring of large-span prestressed concrete cable-stayed bridge has been widely applied inengineering practices. But for the influence mechanisms of uncertainty of various influencingfactors in construction monitoring, the present theoretical system cannot provide a scientificand rational explanation in terms of probabilistic reliability. It results in lacks of recognition onthe variability of structural responses in practical construction and the measuring accuracies ofdifferent measuring items, which leads that the reliability of parameter identification as well asthe efficiency of measures taken in construction adjustment cannot grasped exactly.
Therefore, it is urgently needed to establish a theoretical system based on probabilisticreliability theory for uncertainty analysis of construction monitoring. Stochastic analysis andreliability theory will be applied throughout every link of construction monitoring, whichmakes the links of construction monitoring linked each other and being an organic whole, andSo as to establish scientific and reasonable accuracies of construction control in engineeringpractices of construction monitoring, judge and measure the measuring accuracies of variousmeasuring items as well as the identification precisions of main design parameters. Eventually,the goal of the construction errors adjusted safely and effectively can be achieved, then thecomplex and heavy work of construction monitoring can be conducted with high quality andefficiency.
In this dissertation, on the basis of the present traditional theoretical system ofconstruction monitoring of prestressed concrete cable-stayed bridge, and combined withprobability theory and mathematical statistics theory, the study on the probability analysismethods for each links of construction monitoring is developed. The following research resultsare achieved in this dissertation:
(1) Current theoretical systems of construction monitoring of prestressed concretecable-stayed bridge are reviewed comprehensively. The uncertainty factors existing in the construction of prestressed concrete cable-stayed bridge, as well as structural stochasticanalysis methods and the related concepts of structural reliability are presented. The difficultiesfaced in the construction monitoring of prestressed concrete cable-stayed bridge withinfluences of uncertainty factor, as well as the current status of probability analysis for theconstruction monitoring of prestressed concrete cable-stayed bridge are summarized.
(2) Measurement methods for internal forces and concrete stress are presented. On thebasis of the methods, and combined with probability theory and mathematical statistics theory,the probability analysis method for the internal force measurement of prestressed concretecable-stayed bridge is proposed, so as to provide an effective method for determining thestatistical characteristics of measured internal forces and obtaining the probabilities of internalforce measurement within different measuring accuracies. With the probability analysis of theinternal forces of Ganzhuxi Bridge, the type of probability distribution and statisticalcharacteristics of the measured internal forces of Ganzhuxi Bridge are determined, and theprobability information with different measuring accuracies are acquired too. That proves thatthe probability analysis method for internal force measurement is feasible.
(3) The contents and objective of construction control, as well as the simulation method ofconstruction, are discussed. On the basis of that, and combined with probability theory andmathematical statistics theory, the probability analysis method for construction control ofprestressed concrete cable-stayed bridge is proposed, so as to provide an effective method fordetermining the statistical characteristics of structural responses in the process of constructionand obtaining the probability of the construction control within different control accuracies ofconstruction. With the probability analysis of the internal forces of Ganzhuxi Bridge, the typeof probability distribution and statistical characteristics of structural responses in the idealconstruction process of Ganzhuxi Bridge are determined, and the probability information withdifferent accuracies of construction control are acquired too. That proves that the probabilityanalysis method for construction control is feasible.
(4) The least squares method for girder self-weight identification is presented. On the basisof the least squares method, and combined with probability theory and mathematical statisticstheory, the probability analysis method for girder self-weight identification of prestressedconcrete cable-stayed bridge is proposed, so as to provide an effective method for determining the statistical characteristics of the result of girder self-weight identification and obtaining theprobability of the girder self-weight identification within different identification accuracies.With the probability analysis of the girder self-weight identification of Ganzhuxi Bridge, thetype of probability distribution and statistical characteristics of the girder self-weightidentification result of Ganzhuxi Bridge are determined, and the probability information withdifferent identification accuracies are acquired too. That proves that the probability analysismethod for girder self-weight identification is feasible.
(5) Several common methods for optimization design are presented in detail. Andcombined with the characteristic of construction error adjustment, an analysis method for cableforce adjustment in the process of construction, which based on the constrained nonlinearprogramming method, is proposed. Based on that and the thought of probability reliabilitydesign method, the analysis method for cable force adjustment which based on reliabilityconstrained optimization is proposed, to provide an scientific and effective method forsearching a construction error adjustment plan meet the given structural safety reliability. Thesafety reliability of girder is taken as the constraint condition, the adjustment analysis for cableforces in the process of the construction of Ganzhuxi Bridge is developed according to theassumed construction error state. Then the adjustment plan of cable forces, which meet thereliability constrained condition and can rapidly reduce the errors of the deflexion of tower andthe elevation of girder, is obtained. It proves the method feasible.
(6) According to the inner relations among the various modules of probability analysis forconstruction monitoring of prestressed concrete cable-stayed bridge, the law of data flowamong different analysis modules is explicit, thus the general framework of the probabilityanalysis of construction monitoring is established. With the example of the constructionmonitoring of17#segment of Ganzhuxi Bridge, according to the proposed general frameworkof the probability analysis of construction monitoring, the probability analysis for the wholeprocess of construction monitoring of the segment is realized.
引文
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