CN116430721A - 一种基于高程预测的悬拼结构线形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬拼梁线形控制的技术领域，特别涉及一种基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，包括：在悬拼梁拼装过程中选取四个高程控制点来控制节段梁的高程，在(k‑1)阶段施工完成后，得到该节段实际高程值；定义前后两块节段梁的设计高程值之比为预测系数，将前后施工预拱度之差作为控制量，构建预测k阶段的控制点高程；预测更新后k阶段的最优控制点高程；根据最优预测值指导k阶段拼装。本发明的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，基于实测高程和竖向挠度构建悬拼梁的高程预测方程进而指导施工，结果表明整体结构的竖向位移远小于设计规范限值，有效提高了节段梁拼装过程中的线形精度。

Description

一种基于高程预测的悬拼结构线形控制方法

技术领域

本发明属于悬拼梁线形控制的技术领域，特别涉及一种基于高程预测的悬拼结构线形控制方法。

背景技术

悬拼梁的拼装施工需分段进行施工，伴随着施工的进行和结构体系的转变，线形控制是保证成桥线形平顺的关键。由于设计与实际施工过程存在差异、预应力张拉误差和节段梁的拼装误差，成桥的线形和设计线形存在一定的偏差。这种偏差伴随着施工的进行不断累积，对结构的受力状态产生影响，使得线形偏离设计目标。因此，结合已拼装节段的施工参数，对下一步施工进行预测，在实际施工中可以提前进行控制，能够确保线形符合设计要求。在结构线形预测和控制方面主要采用灰色理论法、神经网络算法和卡尔曼滤波法，其中神经网络算法收敛速度较慢，灰色理论长期预测下误差较大，因此如何有效提高节段梁的线形控制精度是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于一种基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，提高节段梁的线形控制精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，包括以下步骤：

(1)在悬拼梁拼装过程中选取四个高程控制点来控制节段梁的高程，在(k-1)阶段施工完成后，经现场测量得到节段梁的拼装误差，加上该阶段的节段梁设计高程，得到该节段实际高程值X(k-1)；

(2)定义前后两块节段梁的设计高程值之比为预测系数H_k/H_k-1，将前后施工预拱度之差作为控制量，即Δ_δ(k,k-1)；构建预测k阶段的控制点高程：

式中，k和k-1分别表示节段梁的拼装阶段；

表示k阶段的节段梁的高程预测值；Δ_δ(k,k-1)为4×1矩阵，表示k阶段与k-1阶段的施工预拱度差值；

(3)求得在k阶段的预测值的方差阵，递推得到预测过程的增益矩阵，对预测更新的预测值计算更新方差阵和最优无偏估计值，得到预测更新后k阶段的最优控制点高程

(4)根据最优控制点高程

指导k阶段的拼装，施工完成后经测量得到k阶段的实测高程和竖向挠度；

(5)将

作为X(k)的高程预测值迭代进行(k+1)阶段的拼装施工中的高程预测；

(6)重复进行步骤(2)至(5)，直至施工到合龙。

优选的，上述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，所述步骤(1)中，四个高程控制点沿腹板对称布设，预埋件采用“十”字头镀锌螺栓。悬拼梁在拼装过程中采用四点控制法进行控制，核心为选取四个高程控制点来控制节段梁的高程，主要考虑节段梁拼装过程中的竖向位移变化，故不用考虑其轴线上的两个控制点。其中，节段梁在拼装时各控制点的高程值为设计高程和施工预拱度计算值之和。

优选的，上述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，所述该节段实际高程值X(k-1)；

式中，(k-1)为节段梁拼装的阶段；

表示在(k-1)阶段的各控制点设计高程值；V为拼装误差，方差为R_d。

优选的，上述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，所述步骤(2)中，施工预拱度由下式计算得到：

h_i＝h_p+f

式中，h_i为施工预拱度；h_p为制造预拱度；f为相应工况下的结构变形。拼装线形不同于制造线形，拼装线形是在施工过程中的有应力状态下的线形，虽有本质区别，但拼装线形是由制造线形来实现的，故施工预拱度也是由制造预拱度与相应工况的位移叠加得到的。

优选的，上述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，所述步骤(3)中，在k阶段的预测值的方差阵：

优选的，上述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，所述步骤(3)中，根据k阶段的预测值的方差阵，通过递推射影定理可以递推得到预测过程的增益矩阵：

K(k)＝S(k)[S(k|k-1)+R_d]^-1。

优选的，上述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，所述步骤(3)中，由方差阵和增益矩阵递推可得，对预测更新的预测值计算更新方差阵S(k|k)和最优预测值

S(k|k)＝[I_n-1-K(k)]S(k|k-1)

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，基于实测高程和竖向挠度构建悬拼梁的高程预测方程进而指导施工，结果表明整体结构的竖向位移远小于设计规范限值，有效提高了节段梁拼装过程中的线形精度。

2.本发明的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法中，采用四点控制法控制结构线形，不仅简便，节省工作量，同时能达到工程精度要求；悬臂拼装施工过程中，对施工预拱度进行分析，定义前后阶段的高程值之比作为预测方程的测量系数，考虑到拼装过程中上一阶段的高程对下一阶段预拱度设置的影响，前后施工预拱度差值作为控制量，构建适用悬拼梁的高程预测方程。预测模型计算得到的预测值为节段梁高程值与设计标高之差，相较于设计的施工预拱度值平均减小了10.2％。

附图说明

图1为本发明基于高程预测的悬拼结构线形控制方法流程示意图。

图2为本发明高程控制点布置示意图；

图3为本发明拼装线形的施工预拱度示意图；

图4为本发明实施例的高梁桥立面示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例

本实施例中悬拼梁在拼装过程中采用四点控制法进行控制，核心为选取四个高程控制点来控制节段梁的高程，主要考虑节段梁拼装过程中的竖向位移变化，故不用考虑其轴线上的两个控制点。其中，节段梁在拼装时各控制点的高程值为设计高程和施工预拱度计算值之和。四个高程控制点沿腹板对称布设，预埋件采用“十”字头镀锌螺栓，如图2所示。

拼装线形是在现场不同施工工况下，在主梁自由端各新安装节段梁形成的线形。当施工进程沿着纵向进行梁段拼装时，对后续梁段拼装产生假想位移，如图3a所示，当2#块施工时，1#块和2#块的真实变形量为δ₁₁和δ₂₂，对3#块产生的假想位移为δ₂₃。施工预拱度为真实位移和假想位移的反曲线，1#块的预拱度为δ₁₁，2#块的预拱度为δ₁₂和δ₂₂的累加，3#块预拱度为δ₁₃、δ₂₃和δ₃₃的累加，如图3b所示。

本发明提供了一种基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，包括以下步骤：

(1)测量各高程控制点的高程，在(k-1)阶段施工完成后，经现场测量得到节段梁的拼装误差，加上该阶段的节段梁设计高程，得到该节段实际高程值：

式中，(k-1)为节段梁拼装的阶段；

表示在(k-1)阶段的各控制点设计高程值；V为拼装误差；

拼装线形不同于制造线形，拼装线形是在施工过程中的有应力状态下的线形，虽有本质区别，但拼装线形是由制造线形来实现的，故施工预拱度也是由制造预拱度与相应工况的位移叠加得到的，结构的施工预拱度可由下式计算：

h_i＝h_p+f

式中，h_i为施工预拱度；h_p为制造预拱度；f为相应工况下的位移；

(2)对下一阶段的高程进行预测：由于下一阶段的高程预测值

是以上一阶段的实测值为基准得到，故将前后两块节段梁的设计高程值之比定义为预测系数，即H_k/H_k-1；考虑到拼装过程中上一阶段的高程对下一阶段预拱度的设置有影响，将前后施工预拱度之差作为控制量，即Δ_δ(k,k-1)；构建预测k阶段的控制点高程：

式中，k和k-1分别表示节段梁的拼装阶段；

表示k阶段的节段梁的高程预测值；Δ_δ(k,k-1)为4×1矩阵，表示k阶段与k-1阶段的施工预拱度差值；

(3)预测更新后k阶段的最优控制点高程：在预测阶段为保证预测值满足要求，迭代递推计算的(卡尔曼算法)，求得在k阶段的预测值的方差阵：

据求得预测方差阵，通过递推射影定理可以递推得到预测过程的增益矩阵：

K(k)＝S(k)[S(k|k-1)+R_d]^-1

计算得到预测值的方差阵，对满足要求的预测值，需要进一步预测更新，由方差阵和增益矩阵递推可得，对预测更新的预测值计算更新方差阵S(k|k)和最优控制点高程

S(k|k)＝[I_n-1-K(k)]S(k|k-1)

式中，ε(k)第k阶段实测高程与上一阶段估计之差；

(4)根据最优预测值

指导k阶段拼装，施工完成后经测量得到k阶段的实测高程和竖向挠度；

(5)将

作为X(k)的高程预测值迭代进行(k+1)阶段的拼装施工中的高程预测。

(6)重复进行步骤(2)至(5)，直至施工到合龙。

通过上述步骤以某城际轨道高架桥为例，该桥为30.5m+50m+30m的三跨变截面预应力混凝土连续梁桥，主梁采用U型与箱型结合截面，全宽10.88m，全桥共设11种梁段，即0#～8#梁段、边跨合龙段及中跨合龙段，共34个梁段，如图4所示。根据预测模型计算得到的预测值为节段梁高程值与设计标高之差，相较于设计的施工预拱度值平均减小了10.2％。施工进程中各节段梁的挠度在0-3.75mm之间，成桥合龙后对桥梁标高进行测量，整体桥梁结构的竖向位移在1.3mm-12.5mm之间，成桥线形平顺，远小于设计规范限值(JTG3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范)。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在悬拼梁拼装过程中选取四个高程控制点来控制节段梁的高程，在(k-1)阶段施工完成后，经现场测量得到节段梁的拼装误差，加上该阶段的节段梁设计高程，得到该节段实际高程值X(k-1)；

(2)定义前后两块节段梁的设计高程值之比为预测系数H_k/H_k-1，将前后施工预拱度之差作为控制量，即Δ_δ(k,k-1)；构建预测k阶段的控制点高程：

式中，k和k-1分别表示节段梁的拼装阶段；

表示k阶段的节段梁的高程预测值；Δ_δ(k,k-1)为4×1矩阵，表示k阶段与k-1阶段的施工预拱度差值；

(3)求得在k阶段的预测值的方差阵，递推得到预测过程的增益矩阵，对预测更新的预测值计算更新方差阵和最优无偏估计值，得到预测更新后k阶段的最优控制点高程

(4)根据最优控制点高程

指导k阶段的拼装，施工完成后经测量得到k阶段的实测高程和竖向挠度；

(5)将

作为X(k)的高程预测值迭代进行(k+1)阶段的拼装施工中的高程预测；

(6)重复进行步骤(2)至(5)，直至施工到合龙。

2.根据权利要求1所述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，四个高程控制点沿腹板对称布设，预埋件采用“十”字头镀锌螺栓。

3.根据权利要求1所述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，其特征在于，所述该节段实际高程值X(k-1)为：

式中，(k-1)为节段梁拼装的阶段；

表示在(k-1)阶段的各控制点设计高程值；V为拼装误差，方差为R_d。

4.根据权利要求1所述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，施工预拱度由下式计算得到：

h_i＝h_p+f

式中，h_i为施工预拱度；h_p为制造预拱度；f为相应工况下的结构变形。

5.根据权利要求1所述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在k阶段的预测值的方差阵：

6.根据权利要求5所述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据k阶段的预测值的方差阵，通过递推射影定理可以递推得到预测过程的增益矩阵：

K(k)＝S(k)[S(k|k-1)+R_d]^-1。

7.根据权利要求6所述的基于高程预测的悬拼结构线形控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，由方差阵和增益矩阵递推可得，对预测更新的预测值计算更新方差阵S(k|k)和最优预测值

S(k|k)＝[I_n-1-K(k)]S(k|k-1)

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