1、連續剛構橋施工線形和應力的分析與控制         08-12-14 14:58:00     作者：齊林 黃方林 賈承林    編輯：studa0714摘要:以廣州市軌道交通4號線沙灣大橋為研究背景,應用通用有限元軟件對該橋進行結構分析。應用卡爾曼濾波法和等維灰數遞補數據處理技術改進的灰色預測模型以及這2種方法的結合對施工控制的標高進行預測,分析了應力監測的誤差及其原因。現場實測結果表明,將這2種方法結合提高了線形預測的精度,可為同

2、類型橋梁的施工控制提供參考。關鍵詞:大跨度橋梁;連續剛構橋;施工控制;卡爾曼濾波法;軌道交通       橋梁施工是橋梁建設的關鍵環節,橋梁施工技術的高低則直接影響橋梁建設的發展。隨著交通事業的發展,橋梁建設任務將更加艱巨,施工難度越來越大。事實上,任何橋梁施工特別是大跨徑橋梁的施工,都是一個系統工程。為實現設計目標而必須經歷的施工過程中,將受到許許多多確定和不確定因素(誤差)的影響,如何從各種失真的結構參數中找出相對真實值,對施工狀態進行實時識別(監測)、調整(糾偏)、預測,使施工系統處于控制之中,這對設計目標安全、順利實現是至關重

3、要的。施工監控的目的是要對成橋目標進行有效控制,修正在施工過程中各種影響成橋目標的參數誤差對成橋目標的影響,確保成橋后結構受力和線形滿足設計要求1-4。在此,本文作者結合沙灣大橋,討論施工控制的重要性以及與施工控制相關的內容,建立該橋的計算模型,并且應用Kalman濾波法和灰色理論以及這2種方法的結合對該橋的線形進行預測和控制,并對應力監測的誤差及其原因進行分析。1 橋梁結構分析1.1 工程概況      沙灣大橋主橋上部結構采用(70+120×2+70)m預應力混凝土箱型連續剛構橋跨布置。   

4、0;  主橋上部構造的設計采用三向預應力,箱梁頂板寬9.3m,底板梁端及跨中合攏處寬為6.0m,其余位置隨梁高變化,箱梁縱向鋼束每股直徑15.24mm,采用大噸位群錨體系;頂板橫向鋼束每股直徑15.24mm;豎向預應力采用精軋螺紋鋼筋。大橋設計標準為:設計行車速度90km/h;設計荷載為城市地鐵荷載;橋面總寬為9.30m。       墩頂零號塊采用支架澆筑施工,114號節段采用掛籃懸臂澆筑,邊跨9m段采用滿堂支架澆筑完成,邊跨、中跨合攏段采用吊架合攏。1.2 計算模型      結合

5、該橋施工監控的需要,采用通用有限元軟件計算。混凝土的收縮、徐變、溫度變化等因素的影響,將使橋梁結構的變形、應力狀態及其變化規律十分復雜。各施工節段離散為梁單元,3個主墩視為固定支座,兩邊跨端視為活動鉸支座。其中,總節點數為138個,最大鋼束號為112,梁單元個數為133個,施工階段總數為59。主橋合攏前后結構體系將發生轉變,即由對稱的單“T”靜定結構轉變為對稱的超靜定結構。其計算模型如圖1所示。1.3 荷載1.3.1 重力      考慮連續剛構各梁段單元的自重、掛籃自重及鋼筋、人員和設備的重力,掛籃移動各施工階段的施工荷載,同時考慮二期恒載。

6、1.3.2 支座的強迫位移      按照設計圖紙的規定,基礎不均勻沉降邊墩按5mm計;中墩按10mm計。1.3.3 活載      列車豎向靜活載,其計算圖式見圖2,4節編組。1.3.4 其他荷載      其他荷載包括溫度荷載、風荷載及與結構的形成過程有關的荷載,如混凝土的收縮徐變等,這些荷載能引起結構的附加變形和應力。這里考慮混凝土的收縮徐變時設定的時間為1000d,因為混凝土的收縮徐變主要在早期,后期的影響比較小。風荷載按照設計圖紙的規定

7、輸入。2 橋梁懸臂施工各階段立模標高的確定      各施工梁段的立模高程按下式確定1:Hm=Hs+Hy+fg+調整。           (1)      式中,Hs為箱梁頂面中軸處設計標高,采用設計值;Hy為計算預拱度,采用施工控制計算分析值;fg為掛籃變形調整值,一般由試驗確定;調整為誤差調整值。結合前面的計算以及上面的立模公式可給出沙灣大橋的立模標高。3 線形預測與控制 

8、0;    通過結構有限元分析可以確定橋梁結構各施工階段的中間理想狀態,這種理想狀態是期望在施工中實現的目標。但是,在實際施工中,橋梁結構的實際狀態與理想狀態總是存在一定的誤差。如何調整這些誤差、控制其影響,對結構行為預測分析,是對線形控制所要解決的重要問題。      基于現代系統工程學的理論,把橋梁施工看作一個復雜的動態系統,運用現代控制理論,根據結構理想狀態、現場實測狀態和誤差信息進行誤差分析,并制定可調變量的最佳調整方案,指導施工現場調整作業,使結構施工的實際狀態趨近于理想狀態。橋梁施工控制,現多根據監控者

9、積累的現場經驗及簡單運用最小二乘法來進行,正在發展的一些理論和方法主要有Kalman濾波法、灰色理論法和BP神經網絡理論方法。在此將Kalman濾波法、灰色理論法、Kalman濾波與灰色理論結合以預測理論對沙灣大橋的線形進行預測,并與現場實測結果進行比較,以提高線形控制的精度。3.1 灰色系統理論及其應用      灰色系統理論是把觀測數據序列看作隨時間變化的灰色過程,通過累加生成挖掘出系統潛藏的有序的指數規律,從而建立一個從過去引申到將來的Greymodel模型,確定系統在未來發展變化的趨勢,為事物的規劃決策、系統的控制與狀態的評估提供依據。

10、設x(0)(t)為原始數據樣本,它是構造系統數學模型的依據,通過對其進行累加生成運算得到生成時間序列x(1)(t)。N將x(1)(t)將擬合成一階線性微分方程其形式為:      式中:a為發展系數;b為灰作用量。這就是最常用的GM(1,1)的白化型5。通過建立殘差GM(1,1)模型,可以對模型預測值進行修正補充,將能更準確地反映動態情況。      沙灣大橋采用懸臂澆筑施工,將各階段預拱度調整量來建立GM(1,1)模型。但是預測值的精度與預測點和所選取的數據樣本之間的距離有關,所以采用等維灰數

11、遞補數據處理技術建立等維灰數遞補GM(1,1)模型來對灰色GM(1,1)模型進行改進,即每當預測出一個新值時,把它加入到樣本序列之后同時去掉樣本序列中最早的1個數據,以保證在序列維數不變的前提下,樣本數據中始終含有最新的數據信息,然后,據此樣本序列重新建立灰色GM(1,1)模型。每加入一個新預測值即稱“一次預測”,這樣周而復始直到完成預測目標為止。采用這種處理方法使預測模型得到了有效的修正,預測值的精度有很大的提高。      采用等維灰數遞補數據處理技術建立等維灰數遞補GM(1,1)模型對灰色GM(1,1)模型進行改進,采用預拱度計算值與對應

12、的有預拱度實測值的差值為處理數據,建立灰色模型。3.2 Kalman濾波法及其應用      Kalman濾波的實質是從被噪聲(如施工誤差)污染的信號中提取真實的信號,估計出系統的真實狀態,然后用估計出的狀態變量,按確定性的控制規律對系統進行控制6-7。      對于懸臂澆注施工的大跨度連續剛構橋,將左右兩臂的預拱度作為狀態變量,對于已施工階段k-1及待施工階段k,有狀態方程:X(k)= (k,k-1)X(k-1)+W(k-1)。      式中:(k,k-1)為第k階段懸臂端預拱度計算值與第k-1階段預拱度計算值之比,即(k,k-1) =X(k)/X(k-1)      由于預拱度可以直接觀測。因此,有觀測方程:Y(k)=X(k)+V(k)。      此時,H(k)=I。則作為解的Kalman