CN110344327A - 一种斜拉桥上轨道控制网cpiii点实时高程计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜拉桥上轨道控制网CPⅢ点实时高程计算方法，包括以下步骤：步骤1：获取钢‑混凝土组合桥梁斜拉桥主桥上CPⅢ点的高程变化量、大气温度、混凝土温度；步骤2：建立高程变化量与CPⅢ点位的关系；步骤3：建立环境‑高程变化量之间的关系；步骤4：根据步骤2和步骤3得到的关系得到组合模型；步骤5：根据步骤4得到的组合模型求得各CPⅢ点的高程变化量，根据高程变化量即可得到CPⅢ点实时高程值；本发明可较好的预测大跨径斜拉桥CPⅢ点实时高程，解决了CPⅢ点高程的多值性问题。

Description

一种斜拉桥上轨道控制网CPIII点实时高程计算方法

技术领域

本发明涉及高速铁路桥梁建设领域，具体涉及一种斜拉桥上轨道控制网CPⅢ点实时高程计算方法。

背景技术

大跨度钢-混凝土组合桥梁斜拉桥因温度、日照和荷载等外界环境因素的影响变化，会导致桥梁结构存在显著的不均匀变换，进而导致布设在斜拉桥中跨桥面的CPⅢ控制点产生不同程度的竖向位移。因CPⅢ点的高程具有多值性，最终导致大跨度斜拉桥上无砟轨道板铺设和轨道精调施工作业无法进行。为了确保桥上无砟轨道铺设成功，需要掌握全桥大桥主梁在任意环境下的竖向位移变形规律。根据获取的任意时刻的桥梁环境参数计算该时刻中跨上各CPⅢ点的实时高程，为施工作业提供基础数据。目前国内在大跨度斜拉桥上布设CPⅢ控制网和进行无砟轨道的铺设还没有有效的办法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可解决大跨径斜拉桥上CPⅢ点高程的多值性问题的斜拉桥上轨道控制网CPⅢ点实时高程计算方法。

一种斜拉桥上轨道控制网CPⅢ点实时高程计算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取钢-混凝土组合桥梁斜拉桥主桥上CPⅢ点的高程变化量、大气温度、混凝土温度；

步骤2：建立高程变化量与CPⅢ点位的关系：

Q_i＝a+b cos d_i-c sin d_i

式中：a、b、c均为参数，d_i为CPⅢ点与跨中点的里程差，Q_i为CPⅢ点与参考点的高程变化量的比值，i为CPⅢ点序号；

步骤3：建立环境-高程变化量之间的关系：

ΔH_i＝α·ΔT_at.gi+β·ΔT_ct.gi+δ

式中：α为大气温度系数、β混凝土温度系数、δ为常数项，ΔT_at.gi为CPⅢ点大气温度与参考温度的相对变化量，ΔT_ct.gi为CPⅢ点混凝土温度与参考温度的相对变化量，ΔH_i为CPⅢ点的高程变化量；

步骤4：根据步骤2和步骤3得到的关系得到组合模型：

ΔH_i＝(α·ΔT_at.gi+β·ΔT_ct.gi+δ)(a+b cos d_i-c sin d_i)

步骤5：根据步骤4得到的组合模型求得各CPⅢ点的高程变化量，根据高程变化量即可得到CPⅢ点实时高程值。

进一步的，所述步骤2建立过程如下：

确定参考点，分别计算CPⅢ各点的高程变化量与参考点的高程变化量之比；

分别计算计算CPⅢ各点里程与参考里程之差；

构造高程变化量之比与里程差的函数模型；

通过最小二乘法对测量数据进行拟合得到所需高程变化量与CPⅢ点位关系。

进一步的，所述步骤5中根据高程变化量计算CPⅢ点实时高程值方法如下：

各CPⅢ点高程变化量加上参考点的高程即可得到CPⅢ点实时高程值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过构建的组合模型，根据大气温度、混凝土温度可较好的预测大跨径斜拉桥CPⅢ点实时高程；

(2)本发明解决了CPⅢ点高程的多值性问题，根据此可有效指导斜拉桥上轨道板的铺设和轨道精调。

附图说明

图1本发明方法流程示意图。

图2为本发明实施例中斜拉桥面CPⅢ点布设及标号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，以某设计时速为350km的高速铁路大跨斜拉桥为例说明本发明方法。

一种斜拉桥上轨道控制网CPⅢ点实时高程计算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取钢-混凝土组合桥梁斜拉桥主桥上CPⅢ点的高程变化量、大气温度、混凝土温度。

在大桥主桥梁体内多个部位安装温度、位移等各类传感器，以检测主桥主梁在任意时刻梁体温度和大气温度变化等可能性的影响因素，为后续建立模型提供基础参数。

以2小时为时间间隔，以二等水准测量的方式对桥上CPⅢ点的高程进行连续48小时的周期性测量，同时记录测量时间段内的各类传感器数据。主桥线上CPⅢ点测量施测前，桥梁主梁上荷载需稳定，临时荷载的变化、施工机械位置的变化或大型吊装机械重心的变化均应减少或消除，同时应避免恶劣天气情况导致桥面中荷载这类无规律复杂因素影响建模结果，以更准确的反应所监测的因素对该大跨度斜拉桥的变形情况和桥上CPⅢ点高程变化情况的影响。

将各期水准测量数据以二等水准测量的要求进行质量检测和平差处理，获得各CPⅢ点各期测量的高程；将各期测量时间段内的传感器数据进行统计并取平均值。将各期高程数据与温度等参数对应。为了简化数学模型，将CPⅢ点位于环境因素分开进行分析。

步骤2：建立高程变化量与CPⅢ点位的关系：

Q_i＝a+b cos d_i-c sin d_i

式中：a、b、c均为参数，d_i为CPⅢ点与跨中点的里程差，Q_i为CPⅢ点与参考点的高程变化量的比值，i为CPⅢ点序号；

分析CPIII点位与高程变化量的关系，图2为本发明实施例中CPⅢ点的布设示意图。通过对钢-混凝土组合梁斜拉桥主桥上的所有CPⅢ点48小时采用水准测量获取的24期各CPⅢ点的高程序列。通过分析可以发现大小里程桥塔和简支梁的CPⅢ点的点位高程变化在1mm内浮动。全桥高程变化较大的CPⅢ点主要分布在斜拉桥中部主桥连续钢箱梁上，且一里程的点对高程变化量接近。因此不考虑桥梁左右侧CPⅢ点的高程变化量的差异。

主桥上五对CPⅢ点高程各期的变化趋势呈现一致性和坡度性，其中1/2中跨变化最大、1/3中跨次之、1/6中跨变化较小。说明桥梁中跨各里程处CPⅢ点对的高程变化量具有相关性。若以1/2中跨点对(0405327/0405328)为参考，计算得中跨各点的高程变化量与参考点的高程变化量之比，以及各里程与参考点里程之差，构造高程变化量与里程差的函数模型，使用最小二乘对各期测量数据进行拟合，得出中跨各监测点与参考点(0405327/0405328)的高程变化量的比值Q与里程差d的关系。

Q_i＝a+b cos d_i-c sin d_i (1)

其中，a＝0.4812，b＝0.5194×0.01824，c＝0.005508×0.01824，d属于区间[-150,150]

步骤3：建立环境-高程变化量之间的关系：

ΔH_i＝α·ΔT_at.gi+β·ΔT_ct.gi+δ

式中：α为大气温度系数、β混凝土温度系数、δ为常数项，ΔT_at.gi为CPⅢ点大气温度与参考温度的相对变化量，ΔT_ct.gi为CPⅢ点混凝土温度与参考温度的相对变化量，ΔH_i为CPⅢ点的高程变化量。

由于中跨各CPⅢ点的高程变化与跨中点对存在一定的比例关系，可以仅通过对跨中点对的高程变化进行建模。可以得到中跨5对点的高程随环境因素的变化。将跨中点对(0405327/0405328)的各期高程变化量与斜拉桥两侧的大气温度、混凝土温度、中跨的箱梁温度传感器参数进行数学分析。通过排列组合的方法，以传感器参数为自变量，高程变化量为因变量进行各类线性和非线性模型的建立。以各种模型在最小二乘拟合方法下的残差作为模型正确性的判断，并最终获得拟合的最佳模型。大气温度和混凝土温度建立的二元一次平面模型拟合到各期测量数据的误差最小。该模型的残差平方和为28.0956，相关系数R为0.9894。

ΔH_i＝α·ΔT_at.gi+β·ΔT_ct.gi+δ (2)

其中，α＝-5.164，β＝4.026，δ＝-2.304，α为大气温度系数，β为混凝土温度系数，δ为常数项。ΔT_at.gi为第i个CPⅢ点大气温度与第一期温度(参考温度)的相对变化量，ΔT_ct.gi为第i个CPⅢ点混凝土温度与第一期温度(参考温度)的相对变化量。

步骤4：根据步骤2和步骤3得到的关系得到组合模型：

将式(2)带入式(1)得到CPⅢ点对高程变化的比例模型，可得斜拉桥中跨各CPⅢ点对的高程变化量与环境参数的模型。

ΔH_i＝(α·ΔT_at.gi+β·ΔT_ct.gi+δ)(a+b cos d_i-c sin d_i) (3)

其中：ΔH_i为第i个CPⅢ点的高程变化量，d为各监测点(CPⅢ点)与跨中点的里程差，其取值范围为d∈[-150,150]。

步骤5：根据步骤4取得的组合模型求得各CPⅢ点的高程变化量，根据高程变化量即可得到CPⅢ点实时高程值。各CPⅢ点高程变化量加上参考点的高程即可得到CPⅢ点实时高程值。

为了说明本发明效果进行模型验证，通过实际测量的方式对模型进行验证。采用水准测量的方法，测量中跨各CPⅢ点高程，根据传感器读取的温度参数，带入式(3)即可求得CPⅢ点的高程变化量以及最终的高程值。

将计算值与测量值进行对比，通过对比可以看出，在测量验证点中97％的高程较差不超过3mm。在CPⅢ点实测高程变化幅度最大超过46mm的情况下，计算值与实测值对比较差最大为3.26mm，模型验证的较差均值为0.7mm。通过本发明方法，可根据大气温度、混凝土温度较好的预测大跨径斜拉桥主桥中跨上CPⅢ点的高程，解决了CPⅢ点高程的多值性问题，有效指导斜拉桥上轨道板的铺设和轨道精调。

Claims (3)

1.一种斜拉桥上轨道控制网CPⅢ点实时高程计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取钢-混凝土组合桥梁斜拉桥主桥上CPⅢ点的高程变化量、大气温度、混凝土温度；

步骤2：建立高程变化量与CPⅢ点位的关系：

Q_i＝a+b cos d_i-c sin d_i

式中：a、b、c均为参数，d_i为CPⅢ点与跨中点的里程差，Q_i为CPⅢ点与参考点的高程变化量的比值，i为CPⅢ点序号；

步骤3：建立环境-高程变化量之间的关系：

ΔH_i＝α·ΔT_at.gi+β·ΔT_ct.gi+δ

式中：α为大气温度系数、β混凝土温度系数、δ为常数项，ΔT_at.gi为CPⅢ点大气温度与参考温度的相对变化量，ΔT_ct.gi为CPⅢ点混凝土温度与参考温度的相对变化量，ΔH_i为CPⅢ点的高程变化量；

步骤4：根据步骤2和步骤3得到的关系得到组合模型：

ΔH_i＝(α·ΔT_at.gi+β·ΔT_ct.gi+δ)(a+b cos d_i-c sin d_i)

步骤5：根据步骤4得到的组合模型求得各CPⅢ点的高程变化量，根据高程变化量即可得到CPⅢ点实时高程值。

2.根据权利要求1所述的一种斜拉桥上轨道控制网CPⅢ点实时高程计算方法，其特征在于，所述步骤2建立过程如下：

确定参考点，分别计算CPⅢ各点的高程变化量与参考点的高程变化量之比；

分别计算计算CPⅢ各点里程与参考里程之差；

构造高程变化量之比与里程差的函数模型；

通过最小二乘法对测量数据进行拟合得到所需高程变化量与CPⅢ点位关系。

3.根据权利要求1所述的一种斜拉桥上轨道控制网CPⅢ点实时高程计算方法，其特征在于，所述步骤5中根据高程变化量计算CPⅢ点实时高程值方法如下：

各CPⅢ点高程变化量加上参考点的高程即可得到CPⅢ点实时高程值。