基于傳感器數(shù)據(jù)融合的高速公路框架橋頂進(jìn)施工偏差控制

周海娟

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300222）

0 引言

高速公路框架橋作為公路交通中承載車(chē)輛載荷的重要結(jié)構(gòu)［1］，其特點(diǎn)包括橫跨大距離、承受巨大荷載、對(duì)運(yùn)營(yíng)安全要求高等［2］。在施工過(guò)程中，特別是頂進(jìn)施工中，由于施工材料的變化以及非均勻壓力的作用，容易產(chǎn)生橋梁結(jié)構(gòu)的偏差問(wèn)題［3］。因此，有效地對(duì)高速公路框架橋頂施工應(yīng)力與變形進(jìn)行控制，是高速公路增建中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

目前，已經(jīng)有學(xué)者對(duì)框架橋的頂進(jìn)施工偏差進(jìn)行了一定程度的研究。陳卓等［4］通過(guò)將灰色預(yù)測(cè)理論和傳統(tǒng)GM（1，1）預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化，建立了一種非齊次一階指數(shù)灰色模型（NCBC-GM（1，1）），用于預(yù)測(cè)隧道圍巖變形的發(fā)展趨勢(shì)。但該方法僅利用隧道圍巖變形實(shí)測(cè)值作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，未充分利用其他相關(guān)信息，影響結(jié)果準(zhǔn)確性。肖宏笛等［5］通過(guò)施加一對(duì)頂力來(lái)抵消塔墩縱向偏位產(chǎn)生的不利影響，以消除混凝土收縮徐變及溫差效應(yīng)對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋的負(fù)面影響。但該方法采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，且只分析了混凝土收縮徐變及溫差效應(yīng)因素，限制了偏差的全面性和有效性。

為了解決上述問(wèn)題，本文采用傳感器數(shù)據(jù)融合的方法控制高速公路框架橋頂進(jìn)施工偏差。通過(guò)采用傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的興趣關(guān)系度考慮在內(nèi)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在建立橋梁的有限元模型的基礎(chǔ)上，給出頂進(jìn)施工的材料參數(shù)，并分析了框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程的受力行為，更全面地了解橋梁的受力情況，從而有針對(duì)性地控制施工偏差。通過(guò)對(duì)實(shí)際施工數(shù)據(jù)與糾偏設(shè)備數(shù)據(jù)的比較，進(jìn)行偏差控制，提高了施工質(zhì)量和效果。

1 高速公路框架橋頂進(jìn)施工偏差控制方法設(shè)計(jì)

1.1 分析框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程的受力行為

利用通用的空間有限元分析軟件Midas Civil對(duì)框架橋頂進(jìn)施工進(jìn)行數(shù)值模擬，首先構(gòu)建橋梁的有限元模型，以底板、邊墻為中心，建立框架橋的研究核心點(diǎn)，利用空間厚板單元建立橋梁的底板和邊墻單元［6］，不考慮邊洞頂板和底板的夾層，建立橋梁的整體結(jié)構(gòu)。使用自動(dòng)網(wǎng)格方法，對(duì)有限元模型的單元尺寸進(jìn)行細(xì)化，選中的板單元尺寸為0.5 m×0.5 m，為了對(duì)刃角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精細(xì)化劃分，將網(wǎng)格劃分為“正方形+三角形”等類(lèi)型［7］，構(gòu)建細(xì)化后的有限元模型，其節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1 169個(gè)，單元格數(shù)目為14 529個(gè)，框架橋結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示。

圖1 框架橋結(jié)構(gòu)的有限元模型

在對(duì)框架橋進(jìn)行有限元分析過(guò)程中，最重要的就是選取合適的計(jì)算參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、現(xiàn)場(chǎng)勘察及土工測(cè)試結(jié)果［8］，對(duì)高速公路框架橋的材料參數(shù)、土壓力及頂進(jìn)力進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論。

1）對(duì)于高速公路框架橋頂進(jìn)的主體結(jié)構(gòu)，主要由混凝土材料構(gòu)成，彈性模量為3.25×103MPa，泊松系數(shù)為0.2。

2）框架橋的邊墻外部受到的土體側(cè)壓力，根據(jù)庫(kù)侖（cullen）主動(dòng)土壓力原理進(jìn)行了分析［9］，在此基礎(chǔ)上，填充物的容重為24 kN/m3，土的內(nèi)摩擦角為18°，所得到的邊墻上的最大土壓力為44.8 kN/m2，土壓力的總合力為196.4 kN，合理的受力點(diǎn)距離邊墻底部為3.17 m，邊墻土側(cè)壓力分布圖如圖2所示。

圖2 邊墻土側(cè)壓力分布圖

3）在框架橋頂進(jìn)作業(yè)中，必須承受主梁與土壤的摩擦以及末端刀刃角度的摩擦，按照《城鎮(zhèn)地道橋頂進(jìn)施工及驗(yàn)收規(guī)程》［10］中有關(guān)的有關(guān)要求，可以通過(guò)式（1）來(lái)確定高速公路框架橋頂進(jìn)的最大推力Fmax：

式中：?表示頂進(jìn)施工的安全系數(shù)；f1表示頂進(jìn)摩擦角；R1表示頂進(jìn)的最大受應(yīng)力；f2表示框架橋與底部土壤的摩擦力；R2表示框架橋自身的質(zhì)量；FE表示框架橋的土體壓力；f3表示土體底部的最大承受力；Fz表示頂進(jìn)施工的正向阻力；S表示框架橋頂進(jìn)面積。

根據(jù)高速公路框架橋的材料參數(shù)、土壓力及頂進(jìn)力，分析了框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程的受力行為。

1.2 構(gòu)建框架橋頂進(jìn)施工數(shù)據(jù)融合模型

在框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中，采用傳感器對(duì)框架橋的頂進(jìn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高頂進(jìn)過(guò)程的準(zhǔn)確性，并將傳感器節(jié)點(diǎn)x采集到T時(shí)間區(qū)域內(nèi)，對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理［11］，構(gòu)建傳感器的支持度函數(shù)pr，如式（2）所示：

式中：yr(t)表示節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)采集信息；y'(t)表示第n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集均值。

經(jīng)過(guò)式（2）的處理求解，使獲得的結(jié)果更為適中。假設(shè)ki表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)yi之間的距離，kj表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)yj之間的距離，則節(jié)點(diǎn)之間的興趣關(guān)系度如式（3）所示：

式中：k'i表示節(jié)點(diǎn)yi與融合節(jié)點(diǎn)y'i之間的距離相關(guān)度值；k'j表示表示節(jié)點(diǎn)yj與融合節(jié)點(diǎn)y'j之間的距離相關(guān)度值；d表示距離系數(shù)；G表示距離相關(guān)度系數(shù)。

結(jié)合節(jié)點(diǎn)間興趣相關(guān)度的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)融合的過(guò)程中，利用式（4）構(gòu)建框架橋頂進(jìn)施工數(shù)據(jù)融合模型Q(t)：

式中：Y(t)表示第t次測(cè)量傳感器得到的數(shù)據(jù)；βt(t)表示傳感器數(shù)據(jù)融合過(guò)程中的噪聲。

通過(guò)將傳感器安裝在框架橋中，監(jiān)測(cè)框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的興趣關(guān)系度，構(gòu)建框架橋頂進(jìn)施工數(shù)據(jù)融合模型。

1.3 控制框架橋頂進(jìn)施工偏差

當(dāng)框架橋頂進(jìn)施工的過(guò)程中，由于側(cè)向位移過(guò)大，將導(dǎo)致支座上的反力發(fā)生很大的改變。當(dāng)結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力較大時(shí)，其反力的改變可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定或破壞，還會(huì)造成某些支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，使其不能順利進(jìn)行頂進(jìn)施工，造成整體推力不夠，滑動(dòng)困難［12］。通過(guò)控制框架橋頂進(jìn)施工偏差，可以避開(kāi)這些問(wèn)題，但是由于其傾斜角較大，可能導(dǎo)致橋體被限制在限位裝置中間，從而影響了后續(xù)頂推工作。圖3給出了框架橋軸線示意圖。

圖3 框架橋軸線示意圖

假設(shè)該框架橋的整個(gè)寬度是K，該主梁的外部極限邊界到該結(jié)構(gòu)之間的豎直距離是k（圖3（a）），在頂進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)如圖3（b）中所示的橋梁軸線橫向偏位的情況時(shí)，結(jié)構(gòu)外側(cè)邊緣與限位邊界產(chǎn)生了碰撞，產(chǎn)生了極大的摩擦力，這將使得整個(gè)頂進(jìn)過(guò)程不能進(jìn)行下去，如果強(qiáng)行頂進(jìn)，還會(huì)對(duì)梁體造成損傷［13］。因此，若要確保梁體頂推工作能夠順利進(jìn)行，則在圖形中的幾何參數(shù)必須要符合k1+k2

由于每次框架橋推進(jìn)都會(huì)產(chǎn)生一定程度的誤差，因此需要通過(guò)連續(xù)觀察2次推進(jìn)的同步以及整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的軸向偏移，從而達(dá)到提升框架橋頂進(jìn)的精度及安全性的目的。

在索引梁端部、系梁節(jié)段的跨距和系梁尾部的3個(gè)截面上，分別設(shè)置了3個(gè)位置的觀測(cè)點(diǎn)，分別位于框架橋的橋梁軸線兩端，如圖4所示。

圖4 傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

在框架橋正式頂進(jìn)之前，將各觀測(cè)點(diǎn)的三向坐標(biāo)作為初值，在頂進(jìn)過(guò)程中，以每30 min觀測(cè)一次的頻率對(duì)各測(cè)點(diǎn)三向坐標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，那么在每一輪監(jiān)測(cè)完成之后，根據(jù)此次觀測(cè)值相對(duì)于初值和上次觀測(cè)值的變化量來(lái)得到測(cè)點(diǎn)的行程及偏位數(shù)據(jù)［14］。

在獲得了施工偏移數(shù)據(jù)之后，將所有糾偏裝備設(shè)置在框架橋上，使用傳感器收集了該裝置的施工信息，并將其與真實(shí)的施工信息進(jìn)行比較，得到了該裝置的偏移量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中的偏差的控制，糾偏裝置的工作原理如圖5所示。

圖5 糾偏裝置的偏差控制原理

該糾偏裝置由導(dǎo)向輪、千斤頂、鋼板立架等部件構(gòu)成，當(dāng)偏差較小時(shí)，只需調(diào)節(jié)插入聚四氟乙烯片的厚度即可糾正偏差，使梁體在導(dǎo)向鋼框架的限制下向前移動(dòng)，在這種狀態(tài)下，其實(shí)是一種被動(dòng)式導(dǎo)向。在梁體橫向位移比較大的情況下，對(duì)梁體進(jìn)行了側(cè)向施力處理，從而進(jìn)行了糾正［15］。在框架橋頂進(jìn)過(guò)程中，設(shè)有2套糾偏裝置，并隨頂進(jìn)作業(yè)的推進(jìn)而輪流向前移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的有效控制。由于其本身的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，該系統(tǒng)更適合于大跨度和大重量的高難度項(xiàng)目。但是，在高速公路框架橋頂進(jìn)施工中，可以大大地簡(jiǎn)化這個(gè)問(wèn)題，可以使用一個(gè)水平放置的小千斤頂來(lái)進(jìn)行側(cè)向施力，同時(shí)，還可以利用當(dāng)?shù)氐脑牧希诘孛嫔辖⑵鹨粋€(gè)千斤頂?shù)姆戳堋?/p>

綜上所述，根據(jù)框架橋頂進(jìn)施工偏差的產(chǎn)生機(jī)理，利用傳感器采集糾偏設(shè)備的施工數(shù)據(jù)，通過(guò)與實(shí)際頂進(jìn)施工數(shù)據(jù)的對(duì)比，采用糾偏裝置的偏差控制原理，實(shí)現(xiàn)框架橋頂進(jìn)施工偏差的控制。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 安裝傳感器

為了驗(yàn)證文中方法在框架橋頂進(jìn)施工偏差控制中的效果，需要先將傳感器布置在框架橋中，以便數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，從而提高頂進(jìn)施工偏差控制精度。將傳感器安裝在系梁內(nèi)部的頂?shù)装搴凸袄咛帲苊鈧鞲衅魇艿綈毫迎h(huán)境影響而損壞，提高框架橋頂進(jìn)施工數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性，傳感器安裝步驟如下。

第1步：根據(jù)框架橋中的預(yù)設(shè)位置，進(jìn)入到箱梁內(nèi)部，做好標(biāo)記。

第2步：為了使傳感器與框架橋有效固定，通過(guò)焊接的方式將傳感器底座固定在框架橋中，焊接示意圖如圖6所示。

圖6 傳感器焊接示意圖

第3步：均勻安裝傳感器，牽引頂進(jìn)施工測(cè)量導(dǎo)線。

2.2 布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

根據(jù)傳感器所在位置，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)S01~S10，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)圖7中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置情況，采集頂進(jìn)施工的偏差數(shù)據(jù)，為施工偏差控制提供依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

將同一頂進(jìn)起始施工的測(cè)試值作為初始施工數(shù)據(jù)，頂進(jìn)施工中，根據(jù)傳感器的響應(yīng)情況，采集頂進(jìn)施工偏差數(shù)據(jù)，包括應(yīng)力偏差和變形量偏差，具體如表1所示。

表1 頂進(jìn)施工偏差數(shù)據(jù)

表1中，高速公路框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中，應(yīng)力值的偏差均>0.5 MPa，變形量偏差>0.05 mm，無(wú)法滿足框架橋頂進(jìn)施工的穩(wěn)定性要求，需要對(duì)頂進(jìn)施工產(chǎn)生的偏差進(jìn)行控制。

2.4 施工偏差控制測(cè)試

利用文中方法對(duì)表1中的偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，得到如圖8所示的結(jié)果。

圖8 施工偏差控制結(jié)果

由圖8可知，經(jīng)過(guò)文中方法的控制之后，框架橋頂進(jìn)施工的應(yīng)力值偏差和變形量偏差分別可以控制在0.5 MPa和0.05 mm以?xún)?nèi)，通過(guò)減小施工偏差提高頂進(jìn)施工的穩(wěn)定性。

2.5 對(duì)比分析

為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單一性，引入基于可靠度理論的控制方法和基于Sirovision的控制方法作對(duì)比，在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試了框架橋頂進(jìn)施工偏差控制精度，結(jié)果如圖9所示。

圖9 框架橋頂進(jìn)施工偏差控制精度

從圖9可以看出，采用基于可靠度理論的控制方法時(shí)，框架橋頂進(jìn)施工偏差控制精度為50%~75%，說(shuō)明該方法對(duì)框架橋頂進(jìn)施工偏差進(jìn)行控制的時(shí)候，僅考慮到了可靠度指標(biāo)，缺失施工安全方面的考慮，導(dǎo)致控制精度偏低。采用基于Sirovision的控制方法時(shí)，雖然施工偏差控制精度有所提高，但是仍然低于80%。采用文中方法時(shí)，由于在框架橋上安裝了傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集施工過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)的融合，將施工偏差控制精度提高到90%以上。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于傳感器數(shù)據(jù)融合的高速公路框架橋頂進(jìn)施工偏差控制方法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該方法能夠控制頂進(jìn)施工產(chǎn)生的偏差，并提高控制的精度，本文的研究雖然取得一定成果，但是還存在很多不足，如只研究了應(yīng)力值和變形量2個(gè)施工數(shù)據(jù)的偏差，在今后的研究中，將對(duì)拱肋傾斜角度、跨徑等施工數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行控制，提高框架橋的穩(wěn)定性。