基于遞推回歸方法的混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法

李 振 袁傳鵬

（濟南城建集團有限公司，山東 濟南 250031）

0 引言

隨著交通事業(yè)的不斷發(fā)展，橋梁工程也不斷發(fā)展。為了滿足人們對橋梁施工安全的需求，橋梁普遍使用自架設體系施工，也就是將橋梁的上部與下部進行施工。上部需要采用用混凝土現(xiàn)澆筑的形式，下部需要用混凝土已澆層來支撐。由此完成的橋梁施工方式更加穩(wěn)定。混凝土的材料是非均質(zhì)材料，施工較為便捷，澆筑時間較短，在建筑領域廣泛使用。但是，混凝土材料特性較為不穩(wěn)定，會受到溫度條件、濕度條件等因素的影響，對橋梁施工產(chǎn)生撓度差異。

各個階段的混凝土澆筑過程還會存在內(nèi)力與位移情況，橋梁施工結(jié)束后，經(jīng)過長時間的使用，就會出現(xiàn)不同程度的形變情況，影響橋梁的使用壽命。在橋梁施工過程中撓度變形情況較為復雜，影響其變形的因素有很多，無法準確地得出撓度形變情況，使橋梁施工更加困難，還會出現(xiàn)橋梁施工期坍塌的情況，不僅危害施工人員的安全，還會給施工團隊造成較大的財產(chǎn)損失。

1 基于遞推回歸方法設計混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法

1.1 采集橋梁施工撓度數(shù)據(jù)

在橋梁撓度監(jiān)測過程中，撓度數(shù)據(jù)采集至關重要。該文考慮到橋梁施工撓度數(shù)據(jù)監(jiān)測的局限性，將撓度數(shù)據(jù)采集過程以多次采集數(shù)據(jù)為主，并將最終采集到的數(shù)據(jù)進行平均值處理，保證采集到的數(shù)據(jù)更加精準。數(shù)據(jù)采集過程中可能會存在環(huán)境因素的影響，該文采用抗干擾傳感裝置對數(shù)據(jù)進行采集，該采集方式可以有力地對抗環(huán)境等因素的干擾，撓度數(shù)據(jù)采集精準度更高。橋梁撓度數(shù)據(jù)采集過程中，撓度變化曲線的采集有利于分析出當前施工質(zhì)量，施工全過程的撓度變化曲線如圖1所示。

如圖1所示，、為橋梁的橫縱截面；為撓度變化曲線；、分別為不同區(qū)域的監(jiān)測點；為不同時期橋梁撓度形變情況。將采集到的數(shù)據(jù)應用到后續(xù)監(jiān)測過程中，可以精準地把控施工外業(yè)數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測精準度。

圖1 施工過程中撓度曲線變化示意圖

1.2 進行撓度施工數(shù)據(jù)處理

不同橋梁具有不同的結(jié)構(gòu)形式、地理環(huán)境，撓度監(jiān)測也會有所不同，使橋梁施工撓度監(jiān)測工作較為困難。但是，橋梁撓度監(jiān)測又具有一個相同點，那就是監(jiān)測過程均為全周期監(jiān)測，短期監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差極大，不能進行后續(xù)使用。根據(jù)力學理論，與存在反比關系，撓度形變處理方程如公式（1）所示。

式中：（）為撓度形變處理方程表達式；為撓度變化近似值；d為撓度變化函數(shù)值。此時，施工數(shù)據(jù)的誤差如公式（2）所示。

式中：為施工數(shù)據(jù)的誤差；、為函數(shù)近似值；為常數(shù)。為了提高撓度數(shù)據(jù)監(jiān)測的精準度，該文在計算出施工數(shù)據(jù)誤差的基礎上，對采集的無量數(shù)據(jù)進行序列化處理，如公式（3）和公式（4）所示。

式中：（）為初值化處理的無量數(shù)據(jù)；W（）為關聯(lián)數(shù)據(jù)；W（）為初值處理序列；（）為均值化處理的無量數(shù)據(jù)；為基礎數(shù)據(jù)；（）為逆化處理的數(shù)據(jù)。通過以上數(shù)據(jù)處理方式，可以消除部分數(shù)據(jù)誤差，還存在施工因變量產(chǎn)生的監(jiān)測誤差需要進一步修正。

1.3 基于遞推回歸方法修正混凝土橋梁施工因變量

該文利用遞推回歸方法對混凝土橋梁施工因變量修正的基本思想是利用擬合曲線，提高撓度監(jiān)測質(zhì)量。該方式具有較強的擬合強度，與實際結(jié)果更加接近。也就是說，修正后的施工因變量更加符合實際施工條件，不僅可以減少一定的修正計算量，還可以提高撓度監(jiān)測精度。該文假設撓度形變數(shù)據(jù)為，為初始監(jiān)測數(shù)據(jù)，-為撓度監(jiān)測的整體數(shù)據(jù)。因此，、、-為此次施工的因變量，修正公式如下。

在該基礎上，應明確混凝土橋梁的施工過程與撓度兩者之間是存在某種統(tǒng)計規(guī)律的，而處理此種統(tǒng)計關系與規(guī)律較為直接的方法是遞推回歸分析法。因此，可在完成上述研究后，結(jié)合施工中的觀測數(shù)據(jù)，建立混凝土橋梁施工因變量與自變量之間的近似關系表達式，采用遞推擬合模型，進行應變量的進一步修正。在施工中，使用計量裝置獲取現(xiàn)場撓度實測值、殘差值等相關數(shù)據(jù)，建立針對工程的四維結(jié)構(gòu)分析模型，將觀測的撓度值作為模型的橫向坐標系，繪制在不同施工行為下的測點撓度曲線。根據(jù)混凝土橋梁施工下的不同作業(yè)工況，進行連續(xù)測點工程數(shù)據(jù)的擬合，完成對數(shù)據(jù)的擬合后，識別并判斷模型的類型，設定一個同期施工變量，將此變量代入模型，對連續(xù)測點的數(shù)據(jù)進行二次擬合，如果擬合后連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)生偏移或出現(xiàn)變化，代表此時模型存在回歸粗差，如果擬合后連續(xù)數(shù)據(jù)未發(fā)生明顯變化，可以認為此時模型不存在粗差。通過上述方式進行模型的校正，完成校正后，將混凝土橋梁施工因變量導入模型，將2個鄰近因變量作為一個回歸單元，按照“建模、預報、實時監(jiān)測、反饋、診斷、修正、輸出”的方式，不斷校正混凝土橋梁施工因變量，通過逐層遞推的方式，完成基于遞推回歸方法的混凝土橋梁施工因變量修正。

1.4 實現(xiàn)混凝土橋梁施工撓度的動態(tài)監(jiān)測

為了實現(xiàn)混凝土橋梁施工撓度的動態(tài)監(jiān)測，按照采集數(shù)據(jù)——處理數(shù)據(jù)——修正因變量的流程進行檢測。而動態(tài)監(jiān)測就是將所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)一一記錄，使施工人員更加了解橋梁施工情況。對橋梁撓度監(jiān)測可以分為3個階段，施工完成后，需要根據(jù)各個監(jiān)測點、監(jiān)測塊的撓度情況，制定出相關的反饋表，便于驗收人員可以進行實時動態(tài)撓度監(jiān)測。遞推回歸數(shù)據(jù)處理因變量的方式局限性不大，可以適用于大部分監(jiān)測場景。在實際監(jiān)測過程中，會存在負數(shù)的情況，此時對撓度數(shù)據(jù)進行逆化處理即可。但是在該過程中，考慮到混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測過程會受到橋梁懸臂施工幾何形變等因素的影響，從而出現(xiàn)偶然數(shù)據(jù)或隨機數(shù)據(jù)對動態(tài)監(jiān)測結(jié)果造成影響的情況。因此，還需要在監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋過程中控制幾何形位。對中小型跨度的混凝土橋梁工程來說，應在監(jiān)測中統(tǒng)計其軸線動態(tài)偏移量，在統(tǒng)計時，可采用復核測量數(shù)據(jù)、預設監(jiān)測工程偏轉(zhuǎn)量以及預應力集中調(diào)整的方式實現(xiàn)。對大跨度的橋梁工程來說，需要在監(jiān)測過程中，在施工現(xiàn)場布置完整的控制網(wǎng)，標注每個階段或每個施工段的終點與起始點坐標，在澆筑前進行模板斷面中心點的定位。同時，在保證橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測過程排除外界相關因素的干擾后，可以參照張拉應力原則，明確施工不同作用力的順序。按照該方式，進行混凝土橋梁施工撓度的動態(tài)監(jiān)測，保證監(jiān)測結(jié)果與實測結(jié)果具有較高的適配性。按照大跨度混凝土橋梁監(jiān)測方式進行其撓度的動態(tài)監(jiān)測，會產(chǎn)生大量的離散數(shù)據(jù)，針對離散數(shù)據(jù)來說，可以在滿足施工平滑性的基礎上，對數(shù)據(jù)進行簡單判斷，包括對離散數(shù)據(jù)的聚類處理等，在處理中，可以將實際應力監(jiān)測值作為參照，將數(shù)據(jù)按照操作規(guī)范，導入ANSYS模型中，施工建模工具對數(shù)據(jù)進行集中校正、冗余去除與分析計算，提取集合中與測點匹配的數(shù)據(jù)，將其作為監(jiān)測動態(tài)反饋數(shù)據(jù)。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理，綜合提升混凝土撓度監(jiān)測效果。

2 試驗

為了驗證該文設計的監(jiān)測方法實用效果，對上述方法進行對比試驗驗證。在其他條件均一致的情況下，試驗結(jié)果以傳統(tǒng)混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法，與該文設計的混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法對比的形式呈現(xiàn)，具體試驗過程與試驗結(jié)果如下所述。

2.1 試驗過程

橋梁施工撓度監(jiān)測會受到環(huán)境等因素的影響，想要獲得長期有效的撓度監(jiān)測結(jié)果，需要對橋梁施工情況進行深入分析，提高撓度監(jiān)測的精準度。該試驗根據(jù)力學原理，推斷出橋梁施工過程中存在的摩擦力、壓力、重力等勢能之和為一常量。不同區(qū)域的橋梁施工，等高撓度越大，壓力越小；等高撓度越小，壓力越大。為了更加便于橋梁撓度的監(jiān)測，該試驗在橋梁上布設了多個監(jiān)測點，第一個監(jiān)測點布置在一個塊頂面上，將其編號成MPMMA_10。在MPMMA_10監(jiān)測塊上使用精密儀器進行測量，并在施工全周期進行實時動態(tài)監(jiān)測。在不同工況下，MPMMA_10監(jiān)測塊上的標高差值就是橋梁撓度變化值。在實際監(jiān)測過程中，對每個監(jiān)測塊的基準數(shù)進行觀測與讀取，確保撓度值正確。

使用人工監(jiān)測橋梁撓度較為復雜，也會存在一定的誤差。因此，該文將采集過程編成程序，按照相同的方式進行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)存儲在相連計算機中，并對撓度數(shù)據(jù)進行處理，將多次采集到數(shù)據(jù)進行平均值處理，找出最佳的撓度監(jiān)測值，作為試驗的基本參數(shù)。使用程序采集的撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)，雖然在一定程度上可以縮短數(shù)據(jù)采集時間，提高采集精度，但是仍會存在較多的因變量，使數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。因此，該試驗利用遞推回歸方法消除監(jiān)測因變量，進一步提高撓度監(jiān)測精準度。監(jiān)測精準度計算公式如下。

式中：K為橋梁施工撓度監(jiān)測精準度指標；C為數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)的誤差；Y為監(jiān)測因變量；J為精準度系數(shù)。通過該公式，帶入橋梁施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出監(jiān)測精準度指標可以達到0.995以上，無限趨近于“1”。由此證明，撓度監(jiān)測方法效果較佳。

2.2 試驗結(jié)果

在上述試驗條件下，該文隨機選取出10個監(jiān)測施工塊，監(jiān)測施工塊撓度之間遵循著從低到高的原則。為了更加明顯地區(qū)分監(jiān)測施工塊，該試驗將其進行編號，分別為 MPMMA_10、MPMMA_20、MPMMA_30、MPMMA_40、MPMMA_50、MPMMA_60、MPMMA_70、MPMMA_80、MPMMA_90、MPMMA_100等。并同時使用傳統(tǒng)混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法與該文設計的混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法，對橋梁撓度進行監(jiān)測，并將兩者的撓度監(jiān)測值進行對比，具體試驗結(jié)果見表1。

如表1所示，該文選取MPMMA_10~100的橋梁施工監(jiān)測塊號處于不同的橋梁撓度監(jiān)測區(qū)域，實際撓度值從低到高排列，共同組成穩(wěn)定的橋梁施工環(huán)境。在相同條件下，傳統(tǒng)混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法的撓度監(jiān)測值較低，與實際撓度值相差±0.050 mm左右。其中，MPMMA_40的橋梁施工監(jiān)測塊撓度監(jiān)測值為1.982，與實際1.932的撓度值相差0.050mm；MPMMA_80的橋梁施工監(jiān)測塊撓度監(jiān)測值為2.847，與實際2.897的撓度值相差0.050mm。其余檢測塊號與實際撓度值相差0.010mm~0.040mm。因此，使用傳統(tǒng)混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法監(jiān)測到的橋梁施工撓度值誤差較大，需要進一步改善。而該文設計的混凝土橋梁施工撓度監(jiān)測方法的撓度監(jiān)測值，與實際撓度值誤差較小，兩者之間誤差約±0.001mm。其中，MPMMA_30、MPMMA_50、MPMMA_90的橋梁施工監(jiān)測塊，撓度監(jiān)測值與實際撓度值相一致，橋梁撓度動態(tài)監(jiān)測效果較佳，監(jiān)測精準度隨之增加，符合該文研究目的。

表1 試驗結(jié)果

3 結(jié)語

橋梁建設成為交通發(fā)展的重要載體，對各個城市之間運輸業(yè)的發(fā)展來說，起到至關重要的作用。但是，隨著橋梁通行車輛的增加，橋梁長期受到負荷、溫度、地質(zhì)等因素的影響，出現(xiàn)形變損傷，嚴重時甚至會出現(xiàn)坍塌情況。因此，需要對橋梁進行有效監(jiān)測。橋梁施工撓度作為監(jiān)測的重要指標，實時動態(tài)監(jiān)測有利于了解橋梁的施工情況與使用情況。基于此，該文利用遞推回歸方法設計橋梁施工撓度監(jiān)測方法。通過采集施工數(shù)據(jù)、處理采集數(shù)據(jù)、修正因變量等方法，實現(xiàn)橋梁施工撓度的動態(tài)監(jiān)測。該文設計的方法綜合考慮了多項影響因素，在施工階段嚴格把控，對提高橋梁施工質(zhì)量具有重要意義。