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大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制方法工學(xué)論文
摘 要:論述連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制的必要性及主要內(nèi)容,并對(duì)幾種常用的施工控制方法進(jìn)行了介紹。
關(guān)鍵詞:連續(xù)剛構(gòu);施工控制;懸臂施工
Abstract: The elaboration continual rigid frame bridge construction control’s necessity and the main content, and introduction the several commonly used construction control method.
Key words: continual rigid frame;construction control;bracket construction
隨著交通事業(yè)的不斷發(fā)展,大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的建設(shè)越來(lái)越多,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前世界上已建或在建的主跨大于240 m的特大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋就有18座之多。然而連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程中的各種隨機(jī)性因素(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變系數(shù)、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、溫度等),使得橋梁的實(shí)際狀態(tài)偏離理想狀態(tài),為了確保大橋成橋后的狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求,有必要對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行施工監(jiān)控。
1 橋梁施工控制的內(nèi)容
橋梁施工控制就是在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工仿真計(jì)算分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,采集橋梁施工過(guò)程中各類數(shù)據(jù)信息。結(jié)合橋梁仿真分析計(jì)算,對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析。尤其是對(duì)施工中各類結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)(如變形、內(nèi)力、應(yīng)力)分析,運(yùn)用現(xiàn)代控制理論對(duì)誤差進(jìn)行分析,并根據(jù)需要研究制定出精度控制和誤差調(diào)整的具體措施,最后以施工控制指令的形式為橋梁的施工提供反饋信息。橋梁施工控制的主要內(nèi)容有:①主梁線形控制;②箱梁控制斷面應(yīng)力監(jiān)控;③穩(wěn)定控制。
2 施工控制方法
在實(shí)際施工中,橋梁的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)總是存在著一定的誤差,施工控制就是采用現(xiàn)代控制理論和方法去分析這些誤差,并調(diào)整誤差,使成橋線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的最終狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求,并且確保橋梁施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全。大跨度橋梁施工控制采用的理論和方法主要有:參數(shù)識(shí)別與調(diào)整(最小二乘法)、Kalman濾波法和灰色理論法。
3.1 參數(shù)識(shí)別
參數(shù)識(shí)別就是分析結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差,用誤差分析理論來(lái)確定或識(shí)別引起這種偏差的主要設(shè)計(jì)參數(shù)的誤差,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)誤差的調(diào)整來(lái)控制橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)之間的偏差,使結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)盡可能一致。參數(shù)識(shí)別在中國(guó)的橋梁施工控制中有著廣泛的應(yīng)用。其計(jì)算通常采用最小二乘法。相對(duì)于Kalman濾波法和灰色理論法,參數(shù)識(shí)別方法具有以下特點(diǎn):
(1)參數(shù)識(shí)別方法將引起誤差的因素完全歸結(jié)于設(shè)計(jì)參數(shù),認(rèn)為引起結(jié)構(gòu)狀態(tài)偏差是由于設(shè)計(jì)參數(shù)的取值(如砼彈模、砼容重、預(yù)應(yīng)力筋管道偏差系數(shù)、管道摩阻系數(shù)、砼收縮徐變系數(shù)等)與實(shí)際不符。忽略了施工定位誤差、測(cè)量系統(tǒng)誤差、溫度影響誤差等。由此可能導(dǎo)致所估計(jì)的參數(shù)并非實(shí)際值,而是包含了施工定位誤差、測(cè)量系統(tǒng)誤差、溫度影響等的數(shù)值。
(2)參數(shù)識(shí)別一般采用最小二乘進(jìn)行線形回歸分析,其回歸方程為:Y=θ+E。
式中:Y:誤差向量;
:線性轉(zhuǎn)化矩陣(即被估參數(shù)與撓度之間的線性關(guān)系矩陣);
θ:估計(jì)參數(shù)向量;
E:殘差(包含量測(cè)誤差、參數(shù)估計(jì)誤差、系統(tǒng)誤差)。
其中Y可由理論分析值與實(shí)際觀測(cè)值相減求得,而矩陣m,n則需要根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算求得,其物理意義為,單位θn變化m節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的撓度Ym。在橋梁施工監(jiān)控中,一般需要采集每一施工工況下各節(jié)段測(cè)點(diǎn)的撓度數(shù)據(jù),從而使得矩陣m,n的計(jì)算顯得尤為復(fù)雜,且隨著數(shù)據(jù)的增加,矩陣m,n的規(guī)模也越大,采用常用橋梁分析軟件根本無(wú)法計(jì)算,需要編制專用程序求得。
(3)最小二乘法的原理是求得一組參數(shù)θ,使得模型的輸入輸出數(shù)據(jù)之間關(guān)系擬合的最好,這就要求殘差E最小,因而若數(shù)據(jù)被噪聲污染的越厲害(如溫度影響、施工誤差等因素),參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性也就越差。
(4)為了能夠使得參數(shù)識(shí)別更加準(zhǔn)確,這就要求數(shù)據(jù)有較好的規(guī)律性,且需要較多數(shù)據(jù),因此在梁段數(shù)比較少時(shí)所得到的回歸曲線的精度難以保證。
3.2 卡爾曼濾波法
卡爾曼濾波法的實(shí)質(zhì)是從被噪聲污染的信號(hào)中提取真實(shí)的信號(hào),采用由狀態(tài)方程和觀測(cè)方程組成的線形隨機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)空間來(lái)描述濾波器,并利用狀態(tài)方程的遞推性,按線性無(wú)偏最小均方誤差估計(jì)準(zhǔn)則,采用一套遞推算法對(duì)濾波器的狀態(tài)變量作最佳估計(jì),從而求得濾掉噪聲后有用信號(hào)的最佳估計(jì),即估計(jì)出系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài),然后用估計(jì)出來(lái)的狀態(tài)變量,按確定的控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制�？柭鼮V波法具有以下特點(diǎn):
(1)卡爾曼濾波法將概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論用于解釋濾波估計(jì)問(wèn)題,提出了新的線性遞推方法,不需要儲(chǔ)存過(guò)去數(shù)據(jù),只需根據(jù)新數(shù)據(jù)和前一時(shí)刻估計(jì)量,借助狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程,按照遞推公式計(jì)算新的估計(jì)量,從而節(jié)約計(jì)算時(shí)間。
(2)卡爾曼濾波法進(jìn)行遞推的關(guān)鍵在建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程,通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程,使得誤差估計(jì)具有一定的收斂性,特別當(dāng)數(shù)據(jù)污染嚴(yán)重的情況下,估計(jì)量仍有一定的信服力。
(3)卡爾曼濾波法進(jìn)行遞推計(jì)算時(shí),需要輸入系統(tǒng)狀態(tài)初始值,而初始值對(duì)計(jì)算結(jié)果有很大影響,若初始值取值不當(dāng),會(huì)使結(jié)果失真。
3.3 灰色系統(tǒng)理論
灰色系統(tǒng)可以看作是在一定時(shí)間內(nèi)變化的隨機(jī)過(guò)程,環(huán)境干擾將使系統(tǒng)行為特征量過(guò)分離散,為此灰色系統(tǒng)用灰色數(shù)生成對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到隨機(jī)性弱化、規(guī)律性強(qiáng)化了的序列,在此基礎(chǔ)上以灰色動(dòng)態(tài)GM模型作為預(yù)測(cè)模型,并及時(shí)對(duì)模型進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。灰色預(yù)測(cè)控制具有以下特點(diǎn):
(1)灰色預(yù)測(cè)控制建模是可利用少數(shù)據(jù)建模,是一種實(shí)時(shí)控制。在處理方法上,灰色過(guò)程是通過(guò)原始數(shù)據(jù)的整理來(lái)找數(shù)的規(guī)律,是一種就數(shù)找數(shù)的現(xiàn)實(shí)規(guī)律的途徑,而數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法是按先驗(yàn)規(guī)律來(lái)處理問(wèn)題,要求數(shù)據(jù)越多越好,越具規(guī)律性越好。
(2)灰色預(yù)測(cè)控制是后果控制,不需要追究引起狀態(tài)變化的原因,不必處置復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程,這使得控制大為簡(jiǎn)化。
(3)灰色系統(tǒng)理論是“瞬態(tài)建�！�,每新增數(shù)據(jù)便生成新的模型,因而數(shù)據(jù)的取舍對(duì)于灰色系統(tǒng)至為關(guān)鍵,數(shù)據(jù)太多將降低模型預(yù)報(bào)精度,數(shù)據(jù)太少,模型將找不出數(shù)據(jù)間的規(guī)律。
(4)當(dāng)數(shù)據(jù)污染嚴(yán)重時(shí),灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果也同樣有較大的偏差,數(shù)據(jù)估計(jì)的收斂性較差。
4 工程應(yīng)用
在祁臨高速仁義河特大橋施工監(jiān)控中,采用參數(shù)識(shí)別進(jìn)行誤差分析,結(jié)果在不同施工階段,所估計(jì)參數(shù)也不一樣,且隨著懸臂的逐漸加長(zhǎng),識(shí)別的參數(shù)差異性也就越大。這說(shuō)明,懸臂越長(zhǎng),數(shù)據(jù)越容易被污染,因而估計(jì)的準(zhǔn)確性也就越差。
同樣,在晉濟(jì)高速公路橋梁施工監(jiān)控中,分別采用灰色系統(tǒng)理論和卡爾曼濾波法進(jìn)行誤差分析,在懸臂施工初期,由于主梁變形不大,二者差別不大,但進(jìn)入長(zhǎng)懸臂施工后,相對(duì)而言,卡爾曼濾波法預(yù)測(cè)值較小,數(shù)據(jù)曲線較為光滑平順。
5 結(jié)束語(yǔ)
(1)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋采用參數(shù)識(shí)別進(jìn)行誤差分析,計(jì)算繁瑣,要求數(shù)據(jù)有較好的規(guī)律性。在實(shí)際監(jiān)控工作中,對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)引起的誤差,應(yīng)盡可能采用實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果,在出現(xiàn)明顯系統(tǒng)誤差情況下進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。
(2)施工控制應(yīng)采取多種方法進(jìn)行綜合分析。目前進(jìn)行施工控制分析的方法有多種,但各種方法計(jì)算原理及側(cè)重點(diǎn)有所不同,而影響誤差的因素卻很多,因此在施工控制中應(yīng)結(jié)合以經(jīng)驗(yàn),綜合考慮各種因素影響,結(jié)合多種方法進(jìn)行誤差分析,保證預(yù)測(cè)精度。
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