连续刚构桥施工线形和应力的分析与控制

连续刚构桥施工线形和应力的分析与控制
以广州市轨道交通4号线沙湾大桥为讨论背景,应用通用有限元软件对该桥进行结构分析。

应用卡尔曼滤波法和等维灰数递补数据处理技术改进的灰色猜测模型以及这2种方法的结合对施工掌握的标高进行猜测,分析了应力监测的误差及其缘由。

现场实测结果表明,将这2种方法结合提高了线形猜测的精度,可为同类型桥梁的施工掌握供应参考。

桥梁施工是桥梁建设的关键环节,桥梁施工技术的凹凸则直接影响桥梁建设的进展。

随着交通事业的进展,桥梁建设任务将更加艰难,施工难度越来越大。

事实上,任何桥梁施工特殊是大跨径桥梁的施工,都是一个系统工程。

为实现设计目标而必需经受的施工过程中,将受到许很多多确定和不确定因素(误差)的影响,如何从各种失真的结构参数中找出相对真实值,对施工状态进行实时识别(监测)、调整(纠偏)、猜测,使施工系统处于掌握之中,这对设计目标平安、顺当实现是至关重要的。

施工监控的目的是要对成桥目标进行有效掌握,修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响,确保成桥后结构受力和线
形满意设计要求。

在此,本文结合沙湾大桥,争论施工掌握的重要性以及与施工掌握相关的内容,建立该桥的计算模型,并且应用Kalman滤
波法和灰色理论以及这2种方法的结合对该桥的线形进行猜测和掌握,并对应力监测的误差及其缘由进行分析。

1 桥梁结构分析
1.1 工程概况
沙湾大桥主桥上部结构采纳(70+120×2+70)m预应力混凝土箱型连续刚构桥跨布置。

主桥上部构造的设计采纳三向预应力,箱梁顶板宽9.3m,底板梁端及跨中合拢处宽为6.0m,其余位置随梁高变化,箱梁纵向钢束每股直径15.24mm,采纳大吨位群锚体系;顶板横向钢束每股直径15.24mm;竖向预应力采纳精轧螺纹钢筋。

大桥设计标准为:设计行车速度90km/h;设计荷载为城市地铁荷载;桥面总宽为9.30m。

墩顶零号块采纳支架浇筑施工,1~14号节段采纳挂篮悬臂浇筑,边跨9m段采纳满堂支架浇筑完成,边跨、中跨合拢段采纳吊架合拢。

1.2 计算模型
结合该桥施工监控的需要,采纳通用有限元软件计算。

混凝土的收缩、徐变、温度变化等因素的影响,将使桥梁结构的变形、应力状态及其变化规律非常简单。

各施工节段离散为梁单元,3个主墩视为固定支座,两边跨端视为活动铰支座。

其中,总节点数为138个,最大钢束号为112,梁单元个数为133个,施工阶段总数为59。

主桥合拢前后结构体系将发生转变,即由对称的单“T”静定结构转变为对称的超静定结构。

其计算模型如图1所示。

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1.3 荷载
1.3.1 重力
考虑连续刚构各梁段单元的自重、挂篮自重及钢筋、人员和设备的重力,挂篮移动各施工阶段的施工荷载,同时考虑二期恒载。

1.3.2 支座的强迫位移
根据设计图纸的规定,基础不匀称沉降边墩按5mm计;中墩按10mm 计。

1.3.3 活载
列车竖向静活载,其计算图式见图2,4节编组。

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1.3.4 其他荷载
其他荷载包括温度荷载、风荷载及与结构的形成过程有关的荷载,如混凝土的收缩徐变等,这些荷载能引起结构的附加变形和应力。

这里考虑混凝土的收缩徐变时设定的时间为1000d,由于混凝土的收缩徐变主要在早期,后期的影响比较小。

风荷载根据设计图纸的规定输入。

2 桥梁悬臂施工各阶段立模标高的确定
各施工梁段的立模高程按下式确定:
Hm=Hs+Hy+fg+δ调整。

(1)
式中,Hs为箱梁顶面中轴处设计标高,采纳设计值;Hy为计算预拱度,采纳施工掌握计算分析值;fg为挂篮变形调整值,一般由试验确定;
δ调整为误差调整值。

结合前面的计算以及上面的立模公式可给出沙湾大桥的立模标高。

3 线形猜测与掌握
通过结构有限元分析可以确定桥梁结构各施工阶段的中间抱负状态,这种抱负状态是期望在施工中实现的目标。

但是,在实际施工中,桥梁结构的实际状态与抱负状态总是存在肯定的误差。

如何调整这些误差、掌握其影响,对结构行为猜测分析,是对线形掌握所要解决的重要问题。

基于现代系统工程学的理论,把桥梁施工看作一个简单的动态系统,运用现代掌握理论,依据结构抱负状态、现场实测状态和误差信息进行误差分析,并制定可调变量的最佳调整方案,指导施工现场调整作业,使结构施工的实际状态趋近于抱负状态。

桥梁施工掌握,现多依据监控者积累的现场阅历及简洁运用最小二乘法来进行,正在进展的一些理论和方法主要有Kalman滤波法、灰色理论法和BP神经网络理论方法。

在此将Kalman滤波法、灰色理论法、Kalman滤波与灰色理论结合以猜测理论对沙湾大桥的线形进行猜测,并与现场实测结果进行比较,以提高线形掌握的精度。

3.1 灰色系统理论及其应用
灰色系统理论是把观测数据序列看作随时间变化的灰色过程,通过累加生成挖掘出系统潜藏的有序的指数规律,从而建立一个从过去引申到将来的Greymodel模型,确定系统在将来进展变化的趋势,为事物的规划决策、系统的掌握与状态的评估供应依据。

设x(0)(t)为原始数据样本,它是构造系统数学模型的依据,通过对其进行累加生成运算得到生成时间序列x(1)(t)。

N将x(1)(t)将拟合成一阶线性微分方程其形式为:
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式中:a为进展系数;b为灰作用量。

这就是最常用的GM(1,1)的白化型。

通过建立残差GM(1,1)模型,可以对模型猜测值进行修正补充,将能更精确地反映动态状况。

沙湾大桥采纳悬臂浇筑施工,将各阶段预拱度调整量来建立
GM(1,1)模型。

但是猜测值的精度与猜测点和所选取的数据样本之间的距离有关,所以采纳等维灰数递补数据处理技术建立等维灰数递补
GM(1,1)模型来对灰色GM(1,1)模型进行改进,即每当猜测出一个新值时,把它加入到样本序列之后同时去掉样本序列中最早的1个数据,以保证在序列维数不变的前提下,样本数据中始终含有最新的数据信息,然后,据此样本序列重新建立灰色GM(1,1)模型。

每加入一个新猜测值即称“一次猜测”,这样周而复始直到完成猜测目标为止。

采纳这种处理方法使猜测模型得到了有效的修正,猜测值的精度有很大的提高。

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采纳等维灰数递补数据处理技术建立等维灰数递补GM(1,1)模型对灰色GM(1,1)模型进行改进,采纳预拱度计算值与对应的有预拱度实测值的差值为处理数据,建立灰色模型。

3.2 Kalman滤波法及其应用
Kalman滤波的实质是从被噪声(如施工误差)污染的信号中提取真实的信号,估量出系统的真实状态,然后用估量出的状态变量,按确定性的掌握规律对系统进行掌握。

对于悬臂浇注施工的大跨度连续刚构桥,将左右两臂的预拱度作为状态变量,对于已施工阶段k-1及待施工阶段k,有状态方程: X(k)= Ф(k,k-1)X(k-1)+W(k-1)。

式中:Ф(k,k-1)为第k阶段悬臂端预拱度计算值与第k-1阶段预拱度计算值之比,即Ф(k,k-1) =X(k)/X(k-1)
由于预拱度可以直接观测。

因此,有观测方程:
Y(k)=X(k)+V(k)。

此时,H(k)=I。

则作为解的Kalman滤波递推公式如下。

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由于0号块在抱负状态
误差甚小,因此,可取X(0,0)=X0=0号块件左右两端理论计算预拱度值和P(0,0)=P0=0号块件左右两端理论计算预拱度与实测预拱度差值的平方。

由于测量的误差是随机的,因此,可认为测量的噪声统计特性和白噪声的统计特性全都。

针对沙湾大桥,详细数据取为节点14~22的计算预拱度和实测预拱度数据。

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3.3 Kalman滤波法与灰色理论法的结合
Kalman的猜测结果的误差大于灰色理论的猜测结果的误差,但Kalman滤波法的滤波误差却很小,故可以考虑用Kalman滤波法滤除测量数据的噪声污染,使测量数据的结果更接近于真值,然后用灰色理论来猜测。

通过前面对预拱度的猜测数据,依据式(1)计算出猜测标高及
误差,如图3和图4所示。

详细数据见表1和表2。

从图3和图4可以发觉灰色理论猜测的结果更接近与实际立模标高,而通过Kalman滤波
法对预拱度实测数据进行滤波后再用灰色理论进行猜测后的标高与实
际标高的误差更小,能够把该方法应用于施工监控。

应用于本桥的最终成桥线形与抱负线形对比如图5所示。

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4 应力监测与误差分析
在混凝土应力监测中,目前常用钢弦式应变计。

但由于各种因素的影响,实测应力值不行能与理论分析值完全全都,两者之间存在着误差。

对误差进行合理分析和准时处理,是现场应力监控工作的重要环节。

一般将各类误差分为系统误差和随机误差两大类,引起系统误差
的因素包括元件测试精度、混凝土收缩徐变影响;引起随机误差的因素
包括温度影响、混凝土强度影响、施工偏差等。

4.1 混凝土收缩徐变影响
钢筋混凝土作为一种组合材料,钢筋和混凝土具有不同的物理力学性能。

在持续应力作用下,随着时间的推移,混凝土会发生徐变,同时也会产生收缩,而钢筋则没有这种性能。

在一般钢筋与混凝土粘结完好的状况下,材料特性的差异将引起混凝土与钢筋两者的变形差,由此在构件截面上产生应力重分布。

这种误差对实测应力值的影响较简单,处理起来较困难。

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4.2 温度影响
温差影响包括季节温差(或年温差)和日照温差。

前者使箱梁发生整体的匀称温度变化,一般只对超静定结构起作用而产生附加温度应力;后者由于温度突然升降,截面各部位温度变化猛烈,形成较大的温度梯度,各纤维层相互约束共同变形,而在截面上产生温差应力。

在悬臂施工中,桥梁结构是静定结构,理论上温度不会产生应力,而实际测量时有虚应变,为了减小温度的影响,测量时应在温度变化小的早晨测量,但这仍旧不能消去温度对测量结果的影响。

4.3 混凝土强度影响
在一般状况下,混凝土实测强度均比设计强度高,这也将影响截面应力的计算精度。

本桥主梁混凝土按50号设计,但实测强度与设计强度是有差别的。

而这种将会影响结构的受力。

因此,在计算应力监控值时,应适当考虑提高混凝土的强度等级。

4.4 施工偏差
在应力监测中,还需要考虑各种施工偏差导致的应力测试误差。

例如,预应力张拉力多采纳油表和伸长量来掌握。

与设计值相比,张拉力势必有肯定误差。

元件埋设位置的偏差也会引起应力误差。

另外,施工中构件截面尺寸、施工荷载等也会影响计算的精确度。

这要求在施工监控计算中,依据实际状况予以适当修正。

4.5 应变修正
由于钢弦式
应变计所测为应变,其中有以上所述诸多因素的影响。

本桥施工监控部分实测应变与理论应变值列于表3。

以中墩墩顶截面为例,如张拉13号块上缘实测应变为479,理论值为365, 误差高达31%,实测应变偏大主要是收缩徐变、温度变化等因素引起,这部分应变不是由外荷载引起的(本桥施工是采纳悬臂浇筑),故需采纳修正方法剔除这部分虚假应变。

5 结论
1)线形掌握的核心问题就是悬臂浇筑预拱度掌握,由于混凝土材料的非匀质性,调整和猜测累积挠度,使线形掌握取得良好效果,保证施工桥梁顺当合拢。

2)灰色理论猜测的结果更接近实际立模标高,而通过Kalman滤波法对预拱度实测数据进行滤波后,再用灰色理论进行猜测后的标高与实际标高的误差更小,通过Kalman滤波法与灰色理论的结合对施工监控的线形进行猜测,可用于施工监控。

3)应力的实测值与理论计算值存在误差,有时误差很大。

这主要是由于元件测试精度、混凝土徐变、包括温度、影响混凝土强度、施工偏差等因素的影响,施工监控时应当对应力测量值进行误差分析。

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