基于二分法的斜拉桥施工控制过程参数识别

1、 第 35卷 , 第 3期 2010年 6月公 路 工 程 H ighway EngineeringVol . 35, No . 3Jun. , 2010收稿日期 2010 03 10作者简介 郭木华 (1966 , 女 , 湖北孝感人 , 工程师 , 主要从事路桥工程监理工作 。基于二分法的斜拉桥施工控制过程参数识别郭木华(南宁市绿鉴信园林绿化工程监理有限责任公司 , 广西 南宁 530011摘 要 提出了二分法确定斜拉桥施工控制过程中参数识别实用计算方法 , 该方法只需按施工步骤进行正装迭代计算 , 通过多次的迭代计算 , 可获得满足精度的参数值 , 避免了传统方法计算繁琐和无法考虑混凝土

2、的收缩 徐变和几何非线性等问题 , 并且通过一座实际桥梁的计算分析 , 证明了本方法的实用性 , 具有一定的应用价值 。关键词 参数识别 ; 斜拉桥 ; 二分法 ; 正装迭代中图分类号 U 448. 27 文献标识码 B 文章编号 1674 0610(2010 03 0132 04Parameters i denti fi cati on of constructi on control procedure ofcable st ayed bri dge based on di choto my methodGUO M uhua(Nanning Lvjianxin Garden Aff ore

3、stati on Engineering td, 530011, China Key wordson; dichot omy method; For ward 2analysis iterative on0 概述在现代大跨度桥梁施工控制过程中 , 最常用的 莫过于自适应控制方法1, 自适应控制理论认为分段施工中实际结构状态达不到各个施工阶段理想结 构状态是误差生成重要原因之一 , 结构有限元分析 模型中的计算参数例如几何特征 、 材料容重 、 弹性模 量 、 混凝土收缩徐变等与实际参数之间有偏差 。如 果能够在重复性很强的分段施工特别是悬臂施工 中 , 将这些有可能引起结构状态误差的参数作为未

4、 知变量或带有噪声的变量 , 在各个施工阶段进行实 时识别 , 并将识别得到的参数用于下一个施工阶段 的实时结构分析 、 重复循环 , 这样在经过若干个施工 阶段的计算与实测磨合 , 必然可以使得系统模型参 数的取值趋于精确合理 , 使系统模型反映的规律适 应于实际情况 , 从而主动降低模型参数误差 , 然后再 对结构状态误差进行控制2。参数识别的方法很多 , 有最小二乘法 , 卡尔曼滤 波法 , 神经网络法和遗传算法等3-5。其中最小二乘法是最经典的算法 , 然而最小二乘法是基于线性 理论的一种算法 , 因此在非线性影响较大的桥梁施工控制中势必受到限制 , 且最小二乘法在计算结构 的影响刚度

5、矩阵很复杂 , 本文提出的二分法利用现 有结构分析程序解决上述问题 , 简单实用 。通过一 座实际桥梁的计算分析 , 表明本文提出的方法是可 行的 , 具有一定的推广价值 。1 二分法基本原理首先确定某施工阶段主梁实测挠度 D , 选择 需要识别的参数 A , 把 A 0(参数设计值 输入按 照已拟定的施工步骤的程序进行正装计算 , 计算完 毕后查看有限元模型相应施工阶 段的 主梁挠 度D0, 那么实测值 D与理论 D 0可能会存在一个差值 D 0:D 0=D -D 0(1 为消除这一差值 D 0, 在下一轮的正装分析 中 , 取计算参数 A1, A 1按如下原则取值 :D 0>0时 ,

6、 选取的参数应使主梁挠度大于 实测值 ;D 0<0时 , 选取的参数应使主梁挠度小于 实测值 ;开始第一次迭代计算 , 取 A 1正装计算 ,主梁 第 3期 郭木华 :基于二分法的斜拉桥施工控制过程参数识别 挠度记 D1, 那么必有 :D1<D <D 0或 D0<D <D 1(2假定 :D0<D <D 1, 设计参数 A 0与第 一次迭代计算参数 A1会存在一个差值 :A 1=A1-A0(3 开始第二次迭代计算 , 取 A 2=2A 1+A 0正装计算 , 主梁挠度记 D2, 那么必有 : D0<D <D 2或 D2<D <D

7、0(4 假定 :D1<D <D 2, 第一次迭代计算参 数 A1与第二次迭代计算参数 A 2会存在一个差 值 :A 2=A2-A1(5开始第三次迭代计算 , 取 A 3=2A 2+A 1正装计算 , 计算主梁挠度记 D 3, 重按此方法循环迭代计算直到满足精度要求 , 可假设精度要求 :k =nnD n k 式中 :Dn ;D n n 次迭代计算主梁挠度差 值 ;k 为误差容许系数 , 取 k 为 0. 0056-7。2 二分法误差分析及流程图设计2. 1 二分法误差分析第一次迭代计算的主要目的是为了确定被识别参数 A所处区间 :A:(A0, A 1 或 A:(A1, A 0(7

8、第二次迭代计算所取的被识别参数 A 2=2A 1+A 02(A0+A1 , 经过一次迭代计算后被识别参数所处区间将缩小 1/2:A:A0, A 22(A 0+A 1 或 A:A2=2(A0+A1 , A 0(8那么进过 n 次迭代计算后 , 参数 A 所处区间 将为第一次迭代计算的 1/2n -1, 由于 n 次迭代计算 后被识别参数 A 所处区间很小 , 故就算用区间内 数值来代替被识别参数 A 也具有很高的精度 。 2. 2 二分法流程图设计根据二分法的原理设计具体的迭代计算流程图 见图 1。图 1 迭代流程图3 算例3. 1 工程简介建设中的广州番禺沙湾特大桥为双塔单索面矮 塔斜拉桥 ,

9、 塔梁墩固结 , 采用挂篮悬臂施工 , 是广州 东沙至新联高速公路上的 S09标段工程 , 该桥跨越 沙湾水道 , 桥跨组合 :137. 5m +248m +137. 5m , 桥面宽度 34m, 图 2为总体布置示意图 。 3. 2 有限元模型的建立采用桥梁专用结构分析软件桥梁博士建立沙湾 特大桥模型 , 本桥梁模型共有 308个单元 , 其中梁单 图 2 沙湾大桥总体布置示意图 (单位 :m 331 公 路 工 程 35卷元 232个 , 索单元 76个 , 233个节点 。3. 3 参数识别迭代计算混凝土容重误差对主梁挠度影响很大 , 且施工 过程钢筋混凝土的实际容重与设计值有很大的差

10、别 , 故取钢筋混凝土混凝土的容重作为被识别的参 数 。选取沙湾大桥浇注 8#块混凝土后分析 , 为了克 服温度对主梁挠度的影响 , 选择早上六点进行测量 , 测试浇注 8#块混凝土 3d 后主梁 3#块至 7#块主梁 挠度 , 再按二分法原理进行迭代计算 , 计算结果见表 1。 从表 1中可以看出 , 通过 5次正装分析就得到了 满足精度要求的钢筋混凝土容重 。表 1 沙湾大桥钢筋混凝土容重迭代计算过程 cm迭代计算 混凝土容重迭代取值主梁块段名称#精度 k测试挠度 D -2. 886-3. 924-4. 998-6. 235-7. 554原始计算D 026kN /m3-2. 607-3.

11、538-4. 589-5. 734-6. 9410. 0935>p D 0-0. 279-0. 386-0. 409-0. 501-0. 614第一次迭代D 128kN /m3-3. 115-4. 260-5. 357-6. 686-8. 1180. 0704>p D 10. 2290. 3360. 3590. 4510. 563第二次迭代D 227kN /m3-2. 774-3. 770-4. 834-6. 035-7. 3090. 0354>p D 2-0. 112-0. 154-0. 164-0. 200-0 . 245第三次迭代D 327. 5kN /m3-2. 92

12、0-3. 990-5. 071-6. 335-7. 6880. 0156>p D 30. 0340. 0660730. 1000第四次迭代D 427. 25kN /m3-2. 847-3. 880-6. 1857. 0092>p D 4-0. 039-. -0. 0. 050 .第五次迭代D 527. 375/m3-2. 3. 4. -6. -7. 5280. 0033<p 满足要求 D 5009-. -0. 020-0. 026 注 :其中 , k1D n=0 图 3, 图4为迭代过程中主梁挠度误差情况 , 从图 3和图 4中可以看出 , 随着迭代次数的增加主梁挠度与实际测

13、试高差越来越接近 , 主梁挠度与实际测试高差的误差越来越小 , 说明了二分法识别参数的实用性 。图 3 迭代过程主梁挠度示意图图 4 迭代过程主梁挠度误差示意图4 结语提出了施工监控参数识别的实用方法 二分 法 , 该方法以现有结构分析软件为基础进行迭代计 算确定参数所处的区间 , 然后通过多次迭代计算缩 小参数所处的区间 , 从而识别满足精度要求的参数 , 二分法有如下优点 :以现有结构分析软件为基础 , 计算方便实 用 , 而影响矩阵法需要通过编程 , 或者对现有程序 2次开发 , 较为繁琐 ;服了最小二乘法无法考虑混凝土收缩徐变 、 几何非线性的缺点 , 计算速度比较快 , 且能得到比较

14、 满意的精度 ;二分法具有收敛性 , 随迭代次数增加误差不 断减小 。同时 , 二分法同样适用于确定悬索桥 、 拱桥等施 工过程中参数识别 , 亦可取应力 、 索力作为迭代计算 判定值 。参考文献 1 顾安邦 , 张永水 . 桥梁施工监测与控制 M.北京 :机械工业出 版社 , 2005.2 葛耀君 . 分段施工桥梁分析与控制 M.北京 :人民交通出版 社 , 2003.3 林元培 . 卡尔曼滤波法在斜拉桥施工中的应用 J .土木工程 431第 3期 郭木华 :基于二分法的斜拉桥施工控制过程参数识别 学报 , Vol . 16No . 3, 1983.4Hassan I . A. Hegab

15、. Para metric I nvestigati on of Cable 2 Stayed B ridgesJ .J. Of Structural Engineering, Vol . 114, No . 8, 1988.5 韩大建 . BP 神经网络用于斜拉桥施工过程中混凝土弹性模量 的识别 J .桥梁建设 , 2003, (1 .6 郝 超 . 大跨度钢斜拉桥的施工监控及其目标精度值 J .中 国公路学报 , 2003, 16, (1 :54-57. 7 Chend W , Tha m L G, LEE P K . Deter m inati on of initialca 2 ble

16、 f orce in p restressed concrete cable -stayed bridges f or 2 given design deck p r ofiles using the f orce equilibriummeth 2 odJ .Computers&Structure,2000, 74(1 :1-9.8 虢曙安 . 连续刚构桥施工控制中的参数识别方法研究 J .公 路工程 , 2009, 34(3 :135-137.9 刘君辉 , 宋友成 . 大跨度桥梁施工过程中参数识别的 BP 神经 网络方法 J .湖南交通科技 , 2003, 29(2 :49-51

17、.(上接第 124页 看出 , 显然两模量之间呈正比关系 , 即回归系数 a 和 b 值都为正值 ; E b 与 E p 的相关系数 r 为 0. 9519, 表 明动 、 静回弹模量之间存在良好的双对数关系 。 E b =3. 3643E 0. 72p (n =14, R 2=0. 9062 (2 4. 2 PF WD 模量 (E p 与施工指标之间的的关系 根据国内外大量参考文献和大量实测结果的统 计分析表明 , 路基回弹模量与施工指标之间的统计 回归关系一般采用双对数关系 (, , ,性 。由于压实度和含水量两个指标是相关的 , 施工 压实时 , 含水量过高或过低 , 压实度都较难达到规

18、定 的要求 , 只有在最佳含水量条件下进行压实 , 路基才 能即经济又易于控制质量地达到规定的压实度 。 同 时 , 在路基运营过程中 , 含水量对路基的强度 、 刚度 和稳定性起着决定性的影响作用 , 含水量高压实度 低的路基 , 其使用性能必然较差 , 路基回弹模量必然 较低 ; 而含水量低压实度高的路基 , 其使用性能必然 较好 , 路基回弹模量必然较大 。因此 , 对于 PF WD模量 (Ep及与压实度和含水量的关系 , 建立了以下 的经验公式 :E p =23. 2018×w 6. 9785K -0. 9754 (R 2=0. 7182 (3 从上式中可以看出 , PF W

19、D 模量与压实度和含 水量的相关系数 r 为 0. 8475, 具有较好的相关性 , 随着压实度的提高 , 路基模量值增加 ; 而随着含水量 的增加 , 路基模量值减小 , 即路基模量与压实度呈正 比而与含水量呈反比 。5 结语通过现场 PF WD 、 承载板 、 压实度和含水量的对 比检测 , 分析了 PF WD 模量与承载板模量 、 压实度 和含水量的相关性 。现场检测结果表明 , PF WD 模 量 (Ep与承载板模量 (E b 具有良好的双对数关系 ; PF WD 模量 (E p 与施工控制指标 (含水量和压实 度 具有较好的双对数关系 , 路基模量与压实度呈 正比而与含水量呈反比 。说明 WD 用于路基强1张 博 , 张 勇 , 等 . 便携式落锤弯沉仪与承载板法检 测路基模量试验研究 J .内蒙古农业大学学报 , 2006, 27(2 : 94-97.2 段丹军 , 查旭东 , 张起森 . 应用便携式落锤弯沉仪测定路基回 弹模量 J .交通工程学报 , 2004, 4(4 :10-12.3 郭大智 , 冯德成 . 层状弹性体系力学 M.哈尔滨 :哈尔滨工业 大学出版社 , 2001.4 Moshe L ivneh . U se of falling weight Deflect ometer and L