CN111576229B - 消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法。以具有吊杆的拱桥为工程对象进行过程中的位移控制，通过引入温度修正因子，对拱桥格子梁吊装施工的位移进行控制，从而达到消除温度对格子梁位移的影响，把吊装格子梁的温度影响最小作为目标函数，把控制成桥的位移最接近合理成桥状态作为约束条件进行分析，很好的解决了由于受温度的影响格子梁位移不易控制的难题，避免桥面不平顺、行车舒适性差、车速无法达到设计要求、通行能力差等问题，大大缩短拱桥格子梁吊装的工期，降低被迫选择夜间施工的风险，节约了经济成本，具有广阔的推广和运用前景，带来巨大的经济效益。

Description

消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法

技术领域

本发明涉及交通运输桥涵工程技术领域，具体涉及一种消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法。

背景技术

我国是拱桥大国，也是拱桥强国，世界上最大跨径的拱桥是中国正在建造的575m的钢管混凝土拱桥，已建成的世界最大跨径拱桥是位于四川省泸州市合江县的主跨530m的合江一桥，中国500米级别拱桥目前正在蓬勃发展，相应的建造技术也在实践中不断创新和进步。而桥面线形的平顺与否影响到行车舒适性和吊杆寿命是建造过程中必须考虑的问题。影响成桥后桥面线形的因素很多，对于钢结构来说其中主要的就是施工过程中温度变化对格子梁位移影响的误差积累。温度作用在钢结构桥梁施工中的影响成为了不可忽略的因素，甚至成为了设计与施工中控制荷载的一部分，想要完全消除温度影响，每个施工节段都保证是设计基准温度下完成显然是不现实的，特别是夏季炎热季节，钢结构表面温度接近60℃，远远高于合龙温度，温度升高，由于热胀冷缩吊杆伸长，桥面格子梁和吊杆伸长，拱顶会翘起，位移很难控制，严重会影响施工精度和成桥后吊杆受力，导致线形不平顺和吊杆寿命缩短，致使桥面不平顺、行车舒适性差、车速无法达到设计要求、通行能力差等问题。这种现象很普遍，建造者们只能兼顾进度和质量，大部分选择在夜间施工来降低温度的影响，但是这必然导致施工控制精度差，特别是位移的精准控制，工作效率低下，施工工期被迫延长，夜间施工风险源多，施工风险高，人力资源利用率低，施工成本也会直线上升，如何有效的减小温度的影响是迫在眉睫的工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法。该方法是通过把温度修正因子增加到格子梁吊装的位移控制中，从源头减小甚至消除了温度的影响；通过把格子梁吊装中温度对位移影响最小作为目标函数，把控制成桥节段格子梁的位移最接近合理成桥状态作为约束条件进行分析，消除成桥后的格子梁因受温度影响的位移误差积累。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法，包括以下步骤：

步骤一，建立温度影响矩阵，对每个节段施工用有限元软件计算正确温度对吊装位移的影响规律，确定基准合龙温度t₀和

步骤二，建立一个优化体系，这个体系要同时具备约束函数、优化方程和参数变量，其结果可以得到一组可以满足“吊装过程中温度对格子梁的位移影响最小，成桥后温度影响可以消除”的位移值，其优化公式为：

约束函数：

优化方程：

参数变量：

W＝(w₁,w₂,w₃,…,w_n)^T；

式中：u表示各个桥面梁控制测点在第1～第n节段的温度影响下的位移累计值；ε表示各个桥面梁控制测点在第1～第n节段的温度影响下的位移累计值的不均匀度；n表示格子梁吊装共有的施工节段数量；t_i表示第i节段格子梁吊装时候的温度，w_i表示第i节段格子梁吊装时考虑温度影响的预抬值；

表示第j节段吊装时升温Δt对i节段控制测点的位移影响；t₀表示基准温度，格子梁在基准t₀温度时合龙；

表示第i节段的格子梁位移控制测点在n节段时候的温度影响的位移代数和；W为最终优化的位移控制向量；dest为成桥阶段桥面控制点温度影响目标位移向量；delta1和delta2均为为优化收敛容许值，即优化结果与目标位移向量的差；

步骤三，收集具体吊装施工的时间和工期安排，通过概率统计方法获得往年桥址处在各个吊装节段的温度范围，预测吊装时刻的温度取值t_i；

步骤四，给定一个控制点目标位移向量dest；

步骤五，拟定delta1值和delta2值；

步骤六，假设吊装格子梁一共有n个施工节段；

步骤七，将确定的各参数代入优化公式计算得到得到吊装节段消除温度影响需要预抬的位移值和最终成桥格子梁位移，进而应用于拱桥格子梁吊装施工作业中。其作为指导现场施工的指令文件中重要的组成部分，是必要参数，即现场吊装施工时如果预拱度指令中没有温度的修正项则无法达到缩短工期和节约成本的效果。

所述的消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法是通过把温度修正因子增加到格子梁吊装的位移控制中，从源头上减小甚至消除了温度的影响。具体做法是把格子梁吊装中温度对位移影响最小作为目标函数，把控制成桥最接近合理成桥状态作为约束条件进行分析；该方法可适用于不同施工顺序和跨径的带吊杆的拱桥以及所有带吊杆的拱桥格子梁施工的位移控制，包括混凝土拱桥，钢拱桥，钢混拱桥等，适用范围非常广泛，具有巨大的实际推广价值和广阔的工程运用前景，目前本方法在多座拱桥施工控制中应用。

作为本发明的进一步说明，给定Δt_i的变化范围为±5℃，t_i可以通过实际施工时候的温度进行实时的修正，只需替代原有的值。

作为本发明的进一步说明，所述的控制点目标位移向量dest，在(-L/100000，L/100000)区间取值，L为拱桥计算跨径，单位为mm。

作为本发明的进一步说明，所述的delta1值和delta2值，均为优化收敛容许值，其中delta1在(-L/100000，L/100000)之间，delta2在(-L/200000，L/200000)之间。

作为本发明的进一步说明，所述的各个矩阵维数要一致。

本发明还提供一种消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制体系，这个体系要同时具备约束函数、优化方程和参数变量，其结果可以得到一组可以满足“吊装过程中温度对格子梁的位移影响最小，成桥后温度影响可以消除”的位移值，其优化公式为：

约束函数：

优化方程：

参数变量：

W＝(w₁,w₂,w₃,…,w_n)^T；

式中：u表示各个桥面梁控制测点在第1～第n节段的温度影响下的位移累计值；ε表示各个桥面梁控制测点在第1～第n节段的温度影响下的位移累计值的不均匀度；n表示格子梁吊装共有的施工节段数量；t_i表示第i节段格子梁吊装时候的温度，w_i表示第i节段格子梁吊装时考虑温度影响的预抬值；

表示第j节段吊装时升温Δt对i节段控制测点的位移影响；t₀表示基准温度，格子梁在基准t₀温度时合龙；

表示第i节段的格子梁位移控制测点在n节段时候的温度影响的位移代数和；W为最终优化的位移控制向量；dest为成桥阶段桥面控制点温度影响目标位移向量；delta1和delta2均为为优化收敛容许值，即优化结果与目标位移向量的差。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

1.本发明提出的方法首次将不确定的温度影响引入格子梁吊装的位移控制中；通过优化分析得到当前吊装节段由于温度影响的误差，预调高或调低位移来控制施工，保证了格子梁的位移在吊装过程中受温度影响小，达到消除成桥后温度影响的位移累计误差值的目的。

2.本发明提出的方法实现了过程中对温度的及时修正，可以大大提高吊装格子梁效率，避免桥面不平顺、行车舒适性差等问题，减少实际施工中由于温度影响而选择在夜间施工的潜在风险，节约了时间成本的同时也大大节约经济成本。

3.本发明提出的方法不需要重复的迭代分析，避免过程中频繁的调整，一次性得到当前节段的由于温度影响的位移值。

4.本发明提出的控制优化方法简单、易行，适用面广，适用于几乎所有的具有吊杆的拱桥格子梁吊装控制，具有非常大的实际工程应用价值。

5.本发明应用在拱桥格子梁吊装施工作业中，可以有效避免桥面波浪起伏、严重影响行车舒适性、车速无法达到设计要求、通行效率低等问题。

附图说明

图1为拱桥A桥型设计立面图。

图2为拱桥A有限元计算模型图。

图3为拱桥A格子梁温度升高△t时对位移云图。

图4为本发明的优化流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例：

大跨径的中承式钢管混凝土拱桥A，见附图1，将于6月～8月之间进行吊装，设计合龙温度为25℃，而6月～8月白天平均气温为36℃，共计38个格子梁节段，每个节段按照2天工程量计算需要72天即可完工，但是考虑到白天温度太高只能夜间进行就位和焊接工作，施工选择在晚上23点后到第二天早上6点之前温度稳定且较低期间，如果夜间工作效率按照白天的80％计算，预计2d的工程量只能完成2d×80％×50％＝0.8d，这样72d的工期被迫延迟到180d，大型工程的人、机成本按照6万/天考虑，单单工期的影响损失大于600万，除此还有材料价格波动风险、合同期限约束、错过最佳施工期风险等影响。使用本专利提出的方法，可以提前考虑温度因素，实时对吊装的格子梁位移进行调整，不仅很好的控制了线形，同时大大的降低了成本，具体操作步骤如下：

计算跨径L＝575000mm，delta1＝5mm，delta2＝2mm，dest＝0mm，t₀＝25℃，通过调研统计发现在历年的6月～8月间，桥址处温度白天最高温度在31℃～37℃之间，拟定一组最可能出现的温度信息如下：

t_n＝[32℃,33℃,36℃,35℃,36℃,37℃,35℃,34℃,36℃,34℃,35℃,33℃,32℃,31℃,33℃,36℃]^T

把参数带入公式：

约束函数：

优化方程：

通过消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法分析得到吊装节段消除温度影响需要预抬的位移值W为：

[-5 -8 -13 -19 -26 -35 -35 -37 -51 -46 -56 -49 -45 -40 -56 -78]^Tmm

可见若是不消除温度影响，桥面将产生-5mm～78mm的不可消除的位移，致使桥面波浪起伏、严重影响行车舒适性，车速无法达到设计要求，通行效率大大降低。

通过消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法分析得到最终成桥后格子梁位移为:

[0 0 0 -1 1 1 1 -1 0 1 1 0 1 1 1 1]^Tmm

由此实例可以看到本发明专利应用在实际施工中可以消除温度对拱桥格子梁位移的影响，不影响实际施工的工期，节省至少600万的成本费用，大大降低施工风险，且得到的结果满足设计要求，改善了拱桥桥面线形，保障了行车舒适性，具有可观的工程效益和推广价值。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，建立温度影响矩阵，对每个节段施工用有限元软件计算正确温度对吊装位移的影响规律，确定基准合龙温度t₀和

步骤二，建立一个优化体系，这个体系要同时具备约束函数、优化方程和参数变量，其结果可以得到一组可以满足“吊装过程中温度对格子梁的位移影响最小，成桥后温度影响可以消除”的位移值，其优化公式为：

约束函数：

优化方程：

参数变量：

W＝(w₁,w₂,w₃,…,w_n)^T；

式中：u表示各个桥面梁控制测点在第1～第n节段的温度影响下的位移累计值；ε表示各个桥面梁控制测点在第1～第n节段的温度影响下的位移累计值的不均匀度；n表示格子梁吊装共有的施工节段数量；t_i表示第i节段格子梁吊装时候的温度，w_i表示第i节段格子梁吊装时考虑温度影响的预抬值；

表示第j节段吊装时升温Δt对i节段控制测点的位移影响；t₀表示基准温度，格子梁在基准t₀温度时合龙；

表示第i节段的格子梁位移控制测点在n节段时候的温度影响的位移代数和；W为最终优化的位移控制向量；dest为成桥阶段桥面控制点温度影响目标位移向量；delta1和delta2均为优化收敛容许值，即优化结果与目标位移向量的差；

步骤三，收集具体吊装施工的时间和工期安排，通过概率统计方法获得往年桥址处在各个吊装节段的温度范围，预测吊装时刻的温度取值t_i；

步骤四，给定一个控制点目标位移向量dest；

步骤五，拟定delta1值和delta2值；

步骤六，假设吊装格子梁一共有n个施工节段；

步骤七，将确定的各参数代入优化公式计算得到吊装节段消除温度影响需要预抬的位移值和最终成桥格子梁位移，进而应用于拱桥格子梁吊装施工作业中。

2.根据权利要求1所述的消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：给定Δt_i的变化范围为±5℃，t_i通过实际施工时候的温度进行实时的修正，只需替代原有的值。

3.根据权利要求1所述的消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：所述的控制点目标位移向量dest，在(-L/100000，L/100000)区间取值，L为拱桥计算跨径，单位为mm。

4.根据权利要求1所述的消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：所述的delta1值和delta2值，均为优化收敛容许值，其中delta1在(-L/100000,L/100000)之间，delta2在(-L/200000,L/200000)之间。

5.根据权利要求1所述的消除温度影响的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：所述的各个矩阵维数要一致。

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