大跨径桥梁施工过程仿真分析与参数优化

引言

随着交通建设的快速发展，大跨径桥梁在跨越复杂地形、连接重要交通节点中发挥着关键作用。然而，其施工工序繁多、结构体系动态变化、受环境因素影响大，易出现线形偏差、应力超限等问题，威胁施工安全与工程质量。传统依赖经验的施工管理模式难以精准把控施工过程，因此，开展施工过程仿真分析与参数优化研究具有重要意义。本研究可完善大跨径桥梁施工仿真与参数优化的理论体系，丰富相关领域的研究方法。实践中，能为施工单位提供精准的仿真预测和优化参数，减少施工风险，提高工程效率，节约成本。

一、大跨径桥梁施工仿真与参数优化理论基础

1.1 核心概念界定

大跨径桥梁指主跨径超过 100 米的桥梁结构，包括斜拉桥、悬索桥、连续刚构桥等类型，其施工具有动态性、复杂性和高风险性等特点。施工过程仿真分析是通过数值模拟技术，复现各施工阶段的结构受力、变形及体系转换过程，旨在提前预判潜在风险并指导施工决策。参数优化则是在满足设计规范与施工约束的前提下，通过调整关键参数，使结构性能达到最优状态。研究近年来发展迅速，在仿真模型构建、参数敏感性分析等方面取得一定成果，但在仿真精度与参数优化的协同性上仍有提升空间，对施工全过程动态优化的研究不够系统。

1.2 施工仿真理论

桥梁有限单元法仿真分析的基础在于依据桥梁结构单元梁单元、索单元、实体单元等划分将桥梁结构离散化，形成平衡方程后进行结构响应计算，此时单元划分的恰当与否直接关系到计算精度及计算效率，边界条件的描述是否准确与支座约束、临时支撑方式相关。施工过程模拟的理论方法一般有三种：正装法是从施工第一步到成桥最终状态逐次加载，适用于悬臂浇筑等线性施工；倒装法是从成桥状态开始向时间向前寻找施工状态下各参数，适用于大多数的预制拼装桥梁施工；无应力状态法是对无应力状态下尺寸不发生变化的结构进行状态转换时内力在简化计算时无影响，多数斜拉桥和悬索桥施工过程模拟采用无应力状态法。

1.3 参数优化理论

敏感性分析理论是对目标函数影响较大的参数识别技术，通过参数变化率和目标响应变化率之比衡量参数敏感性如斜拉索张拉控制应力对主梁挠度的影响程度，优化算法理论是遗传算法借鉴生物进化选择、交叉、变异过程的全局优化算法，适合于多参数、非线性优化问题，粒子群算法借助群体智能思想进行最优解迭代搜索，收敛效率高，适合于施工参数的迅速优化，两种算法都需要给定一个目标函数使最大应力最小和一组约束条件参数取值、施工工艺限制条件。

二、大跨径桥梁施工过程仿真分析

2.1 施工阶段划分与仿真方案

分析工况划分以施工阶段的不同以及桥梁构造的施工方式不同为主要的划分依据，将桥梁工程的施工阶段分解为墩台及塔柱施工阶段、主梁前段浇筑施工阶段、悬臂施工阶段、边跨合龙阶段、中跨合龙阶段、体系转换及索力调整阶段等主要的工况。具体分析时，模型仿真方案采用正装法结合有限元分析方法进行模拟，各阶段均以“单元开启 - 施加荷载 - 分析 - 存储结果”的标准化处理步骤进行处理。施加的荷载包括挂篮自重、结构自重、预应力荷载、施作荷载、环境荷载，计算边界条件应随着施工阶段不同而有所变化，例如挂篮移动应解除临时锚固约束，合龙阶段应施加临时锁定装置的约束等。

2.2 关键施工阶段仿真结果分析

挂篮施工计算应针对主梁的线形和内力变化情况进行控制点的分析，控制挂篮挠度偏移量和设计索力预拱度的误差和误差的变化，控制截面的应力集中现象，进行施工控制方案优化参考；合拢时的建模要统计合拢口的位移大小和温度变化引起的合拢位置的偏移误差、合拢施加顶力所造成的内力重分配以及结构的合拢方案是否可行；拉索时需对主梁的合拢内力和线形变化进行统计，识别拉索力的偏移程度，控制其与结构的响应，明确精度控制要求。

2.3 施工风险预判

依据虚拟模型仿真所得风险源，辨识出多个高风险点，比如：支架体系悬臂施工末期，悬臂长度相对增大，结构横向稳定度相对降低，大风影响下易于出现施工构造失稳风险；施工合龙时温降阶段，合龙口可能会出现大变形超限，引起结构裂缝；结构体系转换过程，拆设临时支撑工序拆除顺序不当，也会造成结构内力重分布不均衡，进而形成内力增大问题。则在加强监控，制定风险防控措施时，如利用横向稳定措施、温度控制措施、对称同步拆除措施。

三、大跨径桥梁施工参数优化

3.1 优化参数选取

对要优化的参数，应在施工进程变化和结构反应的敏感性方面合理选样，通过对施工影响精度的关键参数和结构施工安全影响明显的参数进行筛选，因此可选为：悬臂施工工况中挂篮相关参数（挂篮预压系数、行走速度）、混凝土相关参数（浇筑速度、温湿度养护）和预应力施工的参数（张拉顺序、持荷时间），合龙工况中合龙温度、顶推力大小及临时锁定刚度等，索张拉工况中，索力控制值、张拉顺序及分级张拉比例等。应通过参数的敏感性分析，并通过敏感性分析将这些对结构反应影响不大的参数剔除出去，仅留下反应影响结构反应敏感的参数，从而为优化计算带来减少及针对性。

3.2 优化目标与约束条件

目标选择要符合施工质量、安全的核心指标，主要由以下 3 部分目标组成：线形目标（求出主梁实际线形与设计线形之间的最小偏差，满足成桥线形设计）；应力目标（控制结构关键截面应力不大于材料抗裂或抗压强度规定数值）；效率目标（满足质量、安全条件下，压缩关键工况工程工期，节约资源）。约束条件应包含技术和工艺两部分，其中技术约束条件如材料性能（混凝土抗压、抗拉强度发展等）、结构变形（悬臂端挠度极限等）；工艺约束条件如施工设备限制（张拉设备吨位、单根预应力束张拉等）；工艺限制条件如工序逻辑关系（张拉顺序不可倒换）；环境限制条件如作业环境温度。

3.3 优化算法应用与结果分析

优化参数应运用多变量、非线性问题的智能化算法进行运算，由参数到目标函数的对应关系迭代计算参数最优点阵，应用算法初始化参数，设计适应函数（线形偏差、应力和工期的结合）、实施选择、交叉、变异，直到收敛。应从优化前后优化结果的比较、检验参数调整是否对结构的力学性能有提升作用、是否对目标函数作用大的参数灵敏度分析，用以指导后续施工过程中的控制容限和参数允许修正、优化后的参数是否满足限制条件、是否满足在现有施工条件下是否实现等几个角度，来验证优化的结果。同时需要查看算法的收敛情况，观测运算结果的全局最优点是否存在，以避免出现局部最优点，达到工程适用性优化结果。

结语

本文针对大跨径桥梁施工特点，构建仿真模型分析施工阶段结构响应，通过智能算法优化关键参数。研究完善了施工仿真与参数优化的协同方法，为精准把控施工过程提供支撑。但仿真未充分考虑极端环境影响，参数优化时效性待提升。未来可结合实时监测数据动态修正模型，探索更高效的优化算法，助力大跨径桥梁施工智能化发展。

参考文献

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[2] 王海宾 . 大跨径预应力连续梁桥施工控制探讨 [J]. 黑龙江交通科技 ,2023,46(04):87-89.