大跨度拱桥的智能成形：方法论与工程应用

《Engineering》：Intelligent Forming of Large-Span Arch Bridges: Methodology and Engineering Applications

智能拱形形成方法在大跨度拱桥施工中的应用研究 摘要：针对大跨度拱桥施工中的高精度控制难题，提出了一种集成优化计算、数字预装配和自动安装调整的智能方法。通过建立全流程力学状态关联模型，实现施工阶段电缆张力的多目标优化；利用激光扫描和双权重点云匹配技术，完成拱肋节段的高精度数字预装配；基于原始形状恢复策略，开发三维姿态自动调整算法。该方法成功应用于都匀高速 Wujiang 桥（主跨504m），使拱肋安装偏差控制在2mm以内，塔偏控制在20mm以内，电缆力安全系数均超过2.5，显著提升施工效率和精度。

　　本文探讨了在复杂地形条件下，如何实现大跨度拱桥的智能化施工方法。拱桥因其高刚度、强抗灾性和良好的耐久性，特别适用于山区等特殊地理环境。然而，山区的施工环境通常伴随着较大的温差、复杂的峡谷风场以及崎岖的地形，这些因素给施工带来了诸多挑战。此外，拱桥的施工过程中，还需要进行大量的高空作业，施工风险较高，且在形成后对精确对齐的要求也非常严格。为了解决这些问题，本文提出了一种智能化的拱桥形成方法，涵盖从拱桥形成计算、制造控制到安装调整的全过程。

首先，建立了一个全过程中拱桥形成过程的优化模型，用于计算满足施工过程中目标的缆索张力。该模型定义了约束方程和目标函数，以确定一次性的缆索张力，确保塔的偏移控制在允许范围内，缆索张力安全，并且形成后的拱桥对齐误差最小。其次，开发了一种基于数字预组装的制造控制方案，允许在数字环境中进行高精度的拱肋段虚拟预组装。这有助于在制造阶段就确保拱肋段的几何形状与设计目标一致，从而减少后续安装阶段所需的调整次数。最后，提出了基于原形恢复的自动安装姿态调整策略，能够自动计算并调整拱肋段的三维安装姿态，以确保一次安装即达到高精度对齐的要求。

本文的方法已在贵州省的德余高速公路吴江桥（主跨504米）的施工过程中得到成功应用，验证了其在实际工程中的可靠性与实用性。该方法为实现低劳动力、资源高效、快速和自动化的大跨度拱桥施工提供了指导。本文的主要贡献包括：

1. 提出了一种全过程中拱桥形成计算的优化模型，该模型将施工前和施工后的机械状态联系起来，确保在所有施工阶段中塔的偏移控制在允许范围内，缆索张力安全，并且形成后的拱桥对齐误差最小。
2. 开发了一种基于数字预组装的制造控制方案，利用双权重点云与BIM对齐算法，实现了拱肋段的高精度虚拟预组装。
3. 提出了一种基于原形恢复的拱肋段自动安装姿态调整策略，能够自动计算和调整拱肋段在荷载作用下的三维姿态，实现一次安装即可达到高精度对齐。

本文的其余部分组织如下：第2节回顾了相关研究；第3节介绍了所提出的智能化控制方法；第4节使用德余高速公路吴江桥的施工结果验证了方法的准确性、可靠性和实用性；第5节总结了研究结论。

在拱桥形成计算方面，传统的缆索张力确定方法包括零弯矩法、零位移法、固定长度缆索法和优化方法。这些方法通常将施工前和施工后的状态视为独立的，因此无法准确预测施工过程中缆索张力变化对最终拱桥对齐的影响。相比之下，本文提出的基于机械状态连接的拱桥形成优化方法能够明确且量化地定义和计算施工前缆索张力对最终拱桥对齐的影响。

在制造控制方面，大跨度拱桥的拱肋段通常需要在工厂或现场进行大规模的物理预组装，以确保主拱肋和连接部件（如法兰）之间的精确匹配，从而满足段连接后的对齐要求。然而，这种物理预组装方法需要大量的人力、空间和机械资源。为了克服这些限制，本文提出了一种基于数字预组装的制造控制方法，允许在数字环境中进行虚拟预组装，从而确保最终拱桥达到设计对齐要求。

在安装调整方面，传统方法使用全站仪等单点测量仪器记录拱肋上几个标记点的坐标，然后通过手动控制机械设备多次调整。这些传统方法无法准确捕捉拱肋段的三维安装对齐状态，因此在安装过程中需要频繁调整以确保整体对齐。此外，重复使用缆索起重机进行手动调整不仅效率低下，还增加了施工安全风险。因此，本文提出了一种智能化的安装控制方法，能够提高安装精度和效率。

综上所述，实现复杂环境下低劳动力、资源高效、快速和自动化的大型拱桥建设仍是一个重要的工程挑战。本文提出的智能化拱桥形成方法能够实现对计算、制造和安装过程的精确和自动化控制，提高了拱桥对齐精度和整体施工效率。该方法在德余高速公路吴江桥的施工过程中得到了验证，证明了其在实际工程中的可靠性和实用性。本文的主要贡献如下：

1. 建立了一个全过程中拱桥形成计算的优化模型，通过该模型计算出满足施工过程中各种目标的缆索张力方案。
2. 开发了一种基于数字预组装的制造控制方案，通过双权重点云与BIM对齐算法，实现了拱肋段的高精度虚拟预组装。
3. 提出了一种基于原形恢复的拱肋段自动安装姿态调整策略，能够计算和调整拱肋段在荷载作用下的三维姿态，实现一次安装即可达到高精度对齐。

本文的其余部分结构如下：第2节回顾了相关研究；第3节介绍了所提出的智能化控制方法；第4节使用德余高速公路吴江桥的施工结果验证了方法的准确性、可靠性和实用性；第5节总结了研究结论。

在拱桥形成计算方面，传统的缆索张力确定方法通常将施工前和施工后的状态视为独立的，因此无法准确预测施工过程中缆索张力变化对最终拱桥对齐的影响。相比之下，本文提出的基于机械状态连接的拱桥形成优化方法能够明确且量化地定义和计算施工前缆索张力对最终拱桥对齐的影响。

在制造控制方面，大跨度拱桥的拱肋段通常需要在工厂或现场进行大规模的物理预组装，以确保主拱肋和连接部件（如法兰）之间的精确匹配，从而满足段连接后的对齐要求。然而，这种物理预组装方法需要大量的人力、空间和机械资源。为了克服这些限制，本文提出了一种基于数字预组装的制造控制方法，允许在数字环境中进行虚拟预组装，从而确保最终拱桥达到设计对齐要求。

在安装调整方面，传统方法使用全站仪等单点测量仪器记录拱肋上几个标记点的坐标，然后通过手动控制机械设备多次调整。这些传统方法无法准确捕捉拱肋段的三维安装对齐状态，因此在安装过程中需要频繁调整以确保整体对齐。此外，重复使用缆索起重机进行手动调整不仅效率低下，还增加了施工安全风险。因此，本文提出了一种智能化的安装控制方法，能够提高安装精度和效率。

本文提出的方法已在德余高速公路吴江桥的施工过程中得到成功应用，验证了其在实际工程中的可靠性与实用性。该方法为实现低劳动力、资源高效、快速和自动化的大型拱桥施工提供了指导。本文的主要贡献包括：

1. 建立了一个全过程中拱桥形成计算的优化模型，通过该模型计算出满足施工过程中各种目标的缆索张力方案。
2. 开发了一种基于数字预组装的制造控制方案，通过双权重点云与BIM对齐算法，实现了拱肋段的高精度虚拟预组装。
3. 提出了一种基于原形恢复的拱肋段自动安装姿态调整策略，能够计算和调整拱肋段在荷载作用下的三维姿态，实现一次安装即可达到高精度对齐。

在拱桥形成计算方面，传统的缆索张力确定方法通常将施工前和施工后的状态视为独立的，因此无法准确预测施工过程中缆索张力变化对最终拱桥对齐的影响。相比之下，本文提出的基于机械状态连接的拱桥形成优化方法能够明确且量化地定义和计算施工前缆索张力对最终拱桥对齐的影响。

在制造控制方面，大跨度拱桥的拱肋段通常需要在工厂或现场进行大规模的物理预组装，以确保主拱肋和连接部件（如法兰）之间的精确匹配，从而满足段连接后的对齐要求。然而，这种物理预组装方法需要大量的人力、空间和机械资源。为了克服这些限制，本文提出了一种基于数字预组装的制造控制方法，允许在数字环境中进行虚拟预组装，从而确保最终拱桥达到设计对齐要求。

在安装调整方面，传统方法使用全站仪等单点测量仪器记录拱肋上几个标记点的坐标，然后通过手动控制机械设备多次调整。这些传统方法无法准确捕捉拱肋段的三维安装对齐状态，因此在安装过程中需要频繁调整以确保整体对齐。此外，重复使用缆索起重机进行手动调整不仅效率低下，还增加了施工安全风险。因此，本文提出了一种智能化的安装控制方法，能够提高安装精度和效率。

本文提出的方法已在德余高速公路吴江桥的施工过程中得到成功应用，验证了其在实际工程中的可靠性与实用性。该方法为实现低劳动力、资源高效、快速和自动化的大型拱桥施工提供了指导。本文的主要贡献包括：

1. 建立了一个全过程中拱桥形成计算的优化模型，通过该模型计算出满足施工过程中各种目标的缆索张力方案。
2. 开发了一种基于数字预组装的制造控制方案，通过双权重点云与BIM对齐算法，实现了拱肋段的高精度虚拟预组装。
3. 提出了一种基于原形恢复的拱肋段自动安装姿态调整策略，能够计算和调整拱肋段在荷载作用下的三维姿态，实现一次安装即可达到高精度对齐。

本文提出的方法在实际工程中得到了验证，证明了其在复杂地形条件下的适用性和有效性。该方法能够显著提高拱桥施工的精度和效率，同时减少对人力和资源的依赖。通过数字预组装和自动姿态调整策略，实现了从制造到安装的全过程智能化控制，为未来大跨度拱桥的建设提供了新的思路和技术支持。