崔怡觀(guān) 宋 雨 謝 歡

(廈門(mén)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 福建廈門(mén) 361005)

0 引言

隨著我國(guó)城市化的發(fā)展，越來(lái)越多的跨線(xiàn)橋采用轉(zhuǎn)體施工法，最大程度上減小對(duì)既有線(xiàn)路正常交通運(yùn)營(yíng)的影響。20世紀(jì)50年代初，橋梁轉(zhuǎn)體施工控制技術(shù)在國(guó)外開(kāi)始應(yīng)用到實(shí)際工程中，如美國(guó)的P-K大橋和加拿大的Annacis大橋。日本在20世紀(jì)80年代末開(kāi)始研發(fā)橋梁轉(zhuǎn)體施工控制自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一套可以進(jìn)行參數(shù)敏感性分析與調(diào)整的斜拉橋施工雙控系統(tǒng)[1]。斜拉橋轉(zhuǎn)體施工控制技術(shù)在我國(guó)發(fā)展相對(duì)較晚，現(xiàn)階段對(duì)橋梁轉(zhuǎn)體施工的控制理論主要集中于連續(xù)梁橋及拱橋，在《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中，也僅有闡述拱橋轉(zhuǎn)體施工的條文規(guī)定[2]。而近年來(lái)跨線(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)形式中出現(xiàn)較多的斜拉橋橋型，因此，有必要針對(duì)斜拉橋轉(zhuǎn)體施工控制技術(shù)進(jìn)行研究，探索有效的施工控制方法。

斜拉橋轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中存在各種問(wèn)題，如主塔偏位、主梁高差、應(yīng)力變化等，與設(shè)計(jì)目標(biāo)值存在一定的偏差，使得結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)包括結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和幾何線(xiàn)形等難以達(dá)到理想設(shè)計(jì)狀態(tài)[3]。如果不及時(shí)進(jìn)行有效控制和調(diào)整，偏差會(huì)不斷累積，導(dǎo)致最后的成橋狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，影響大橋的使用，嚴(yán)重時(shí)將造成工程事故[4-5]。

本文利用龍巖大橋有限元模型，采用歸一化數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)敏感性參數(shù)的影響程度進(jìn)行計(jì)算和排序，得出對(duì)主梁線(xiàn)形影響最大的參數(shù)。同時(shí)引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用其自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、非線(xiàn)性映射能力強(qiáng)以及容錯(cuò)能力高的特點(diǎn)[6]，對(duì)斜拉索索力進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使主梁線(xiàn)形更接近理想狀態(tài)，確保順利對(duì)接合龍，探究斜拉橋轉(zhuǎn)體施工控制的有效方法。

1 工程概況及橋梁有限元模型

龍巖大道高架橋工程南起西陂路交叉口，終點(diǎn)至愛(ài)亭路交叉口，全長(zhǎng)2.4 km。主橋?yàn)?190+150) m的獨(dú)塔斜拉索轉(zhuǎn)體橋，橋面寬36.2 m，總體布置如圖1所示。

圖1 主橋橋型布置圖(單位：m)

主橋采用獨(dú)塔雙索面鋼箱梁斜拉橋構(gòu)造，主梁采用扁平閉口流線(xiàn)型鋼箱結(jié)構(gòu)，主塔采用“寶石”型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主跨主梁轉(zhuǎn)體懸臂長(zhǎng)為173.35 m，次跨主梁轉(zhuǎn)體懸臂長(zhǎng)149.7 m，總計(jì)323.45 m。為充分利用有限施工場(chǎng)地，主橋施工采用“二次轉(zhuǎn)體”方案，如圖2～圖3所示，先按主塔橫軸線(xiàn)與線(xiàn)路中心線(xiàn)重合進(jìn)行主塔施工，待塔柱施工完成后進(jìn)行第一次69°單塔轉(zhuǎn)體，將主塔轉(zhuǎn)體使其垂直既有鐵路線(xiàn)。一次轉(zhuǎn)體后沿鐵路平行線(xiàn)進(jìn)行鋼箱梁頂推施工，待鋼箱梁頂推完成后，進(jìn)行第二次21°主橋轉(zhuǎn)體，將主橋轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)位置。

圖2 主塔轉(zhuǎn)體前平面示意 圖3 主塔一次轉(zhuǎn)體后平面示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，主梁和索塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。根據(jù)實(shí)際施工節(jié)段、截面材料尺寸等將全橋劃分為466個(gè)結(jié)點(diǎn)，364個(gè)單元，建立成橋階段有限元模型，如圖4所示。其中斜拉索模擬采用只受拉桁架單元。

圖4 龍巖大橋有限元模型

2 基于參數(shù)敏感性分析的轉(zhuǎn)體施工線(xiàn)形控制方法

2.1 施工敏感性參數(shù)及歸一化分析

斜拉橋主梁線(xiàn)形控制是主橋施工過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果主梁線(xiàn)形偏差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致合龍困難。已有研究結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)表明，斜拉橋轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中主梁自重誤差、斜拉索初拉力、溫差變化、橋塔偏位等敏感性因素會(huì)對(duì)主梁線(xiàn)形產(chǎn)生重要影響[7-8]。因此，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上，對(duì)上述敏感性因素進(jìn)行改變，由橋梁有限元模型計(jì)算可得到相應(yīng)主梁線(xiàn)性控制目標(biāo)變化量[9-10]。各影響因素及對(duì)應(yīng)的控制改量如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)體施工影響因素與控制目標(biāo)表

為進(jìn)一步精準(zhǔn)定義各敏感性因素的重要程度，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行影響程度分析及排序，采用歸一化處理方法，通過(guò)計(jì)算不同變化量下各敏感性因素的變化值總和，再對(duì)比各敏感性因素變化值總和的影響大小來(lái)對(duì)各因素排序[11]。定義：

β=∑|Xi-X0|

其中，Xi表示變化后主梁節(jié)段位移值大小，X0表示基準(zhǔn)狀態(tài)下主梁節(jié)段位移值大小。β表示所有線(xiàn)形變化值絕對(duì)值總和。歸一化公式如下：

其中ω反應(yīng)待研究的目標(biāo)敏感性因素對(duì)某一控制要素的影響程度，βmax表示模擬樣本庫(kù)中的最大值，βmin表示模擬樣本庫(kù)中的最小值。

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)識(shí)別及修正

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按誤差反向傳播，可設(shè)置對(duì)應(yīng)目標(biāo)值輸出偏差或訓(xùn)練次數(shù)。當(dāng)兩者之一達(dá)到既定目標(biāo)時(shí)，判定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)束，從而得到需要的結(jié)果。為保證橋梁轉(zhuǎn)體后主梁線(xiàn)形達(dá)到理想狀態(tài)，可利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)主梁線(xiàn)形實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值偏差進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，得出調(diào)整索力的大小，有效且快速滿(mǎn)足主梁線(xiàn)形合龍要求[12]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工程中廣泛應(yīng)用，具有非線(xiàn)性映射能力強(qiáng)、適用性廣、計(jì)算量小等特點(diǎn)，但也會(huì)呈現(xiàn)出收斂速度低、易陷入局部最小狀態(tài)、樣本數(shù)量質(zhì)量要求高等缺陷。為使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更高的易用性，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[13]。

式中，ΔW表示權(quán)值修正值大小，n表示迭代次數(shù)，mc表示動(dòng)量因子，一般取接近1的常數(shù)，λ為學(xué)習(xí)速率。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，學(xué)習(xí)速率選取不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法理想收斂；而動(dòng)量因子mc也會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)收斂速度產(chǎn)生影響，如果過(guò)大則可能使得網(wǎng)絡(luò)發(fā)散，如果過(guò)小則導(dǎo)致收斂速度太慢。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取λ=0.2～0.5，mc=0.90～0.98，在該范圍內(nèi)算法收斂速度比較理想。

運(yùn)用Matlab軟件中內(nèi)置的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)，對(duì)斜拉橋轉(zhuǎn)體施工主梁線(xiàn)形控制BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)行編程并進(jìn)行優(yōu)化。在轉(zhuǎn)體平衡稱(chēng)重后，選擇主梁端部高程作為研究對(duì)象，選取合龍段附近懸臂端位移值作為輸入神經(jīng)元。根據(jù)各施工敏感性因素歸一化分析結(jié)果，考慮到簡(jiǎn)化運(yùn)行速度和計(jì)算量，以消除次要因素對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的不利影響，所以在諸多影響斜拉橋轉(zhuǎn)體施工線(xiàn)形控制的敏感性因素中，挑選出影響程度最高的敏感性因素，作為輸出神經(jīng)元[14]。

通過(guò)對(duì)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行樣本訓(xùn)練和檢驗(yàn)，模擬參數(shù)識(shí)別的過(guò)程,復(fù)核模擬的可靠性。通過(guò)建立檢驗(yàn)神經(jīng)元樣本A和輸出神經(jīng)元向量Y，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)。

Y=sim(net,A)

將Y中參數(shù)進(jìn)行反歸一化，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)樣本中的計(jì)算值和理論值，利用吻合度來(lái)反映參數(shù)識(shí)別的精確度。

3 轉(zhuǎn)體施工線(xiàn)形控制分析

3.1 斜拉索初拉力對(duì)主梁線(xiàn)形的影響

索力設(shè)計(jì)值如表2所示，M1～M11為長(zhǎng)跨邊斜拉索索力，S1～S11為短跨邊斜拉索索力。在索力變化影響下，主梁線(xiàn)形變化情況如圖5(a)所示。由圖可見(jiàn)，隨著索力變化值增大，主梁線(xiàn)形變化幅度也隨之增加。由于主塔兩側(cè)跨徑不同，斜拉索布置不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致長(zhǎng)短跨間線(xiàn)形變化程度不一致。取變化值量值與基準(zhǔn)值百分比進(jìn)行匯總對(duì)比，如表3所示。其中基準(zhǔn)值為按上表1中基準(zhǔn)狀態(tài)的取值，變化值=改變參數(shù)后目標(biāo)值-初始目標(biāo)值。

表2 設(shè)計(jì)索力 k

m

當(dāng)斜拉索索力增大5%時(shí)，二次轉(zhuǎn)體后主梁線(xiàn)形變化值在-0.0522～+0.1144 m之間，線(xiàn)形變化值的最大絕對(duì)值出現(xiàn)在長(zhǎng)跨合龍段。當(dāng)斜拉索索力減小5%時(shí)，主梁線(xiàn)形變化值在-0.0644～+0.0480 m之間，線(xiàn)形變化值的最大絕對(duì)值出現(xiàn)在長(zhǎng)跨合龍段。當(dāng)斜拉索索力增大2%時(shí)，二次轉(zhuǎn)體后主梁線(xiàn)形變化值在-0.0535～+0.0688 m之間，線(xiàn)形變化值的最大絕對(duì)值出現(xiàn)在長(zhǎng)跨合龍段。當(dāng)斜拉索索力減小2%時(shí)，主梁線(xiàn)形變化值在-0.0164～+0.0489 m之間，線(xiàn)形變化值的最大絕對(duì)值出現(xiàn)在短跨端部。

3.2 其他因素對(duì)主梁線(xiàn)形的影響

在溫度變化、橋塔偏位和主梁自重因素變化影響下，主梁線(xiàn)形變化圖如圖5(b)、5(c)、5(d)所示，可看出橋塔偏位對(duì)主梁線(xiàn)形影響較大，最大變化值為80 mm，其余兩個(gè)參數(shù)溫度變化和主梁自重變化下，主梁線(xiàn)形最大變化值分別為7 mm和5 mm。

(a)斜拉索索力變化時(shí)主梁線(xiàn)形變化值

(b)溫差變化時(shí)主梁線(xiàn)形變化值

(c)主塔偏位時(shí)主梁線(xiàn)形變化值

(d)主梁自重變化時(shí)主梁線(xiàn)形變化值

3.3 敏感性因素歸一化分析及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立

各敏感性因素β值以及影響程度ω的大小如表4所示。

表4 敏感性因素歸一化計(jì)算結(jié)果 mm

由表4可知，各施工敏感性參數(shù)中，斜拉索初拉力對(duì)主橋二次轉(zhuǎn)體線(xiàn)形影響程度最大。為調(diào)整主梁線(xiàn)形，最有效的措施為對(duì)斜拉橋索力進(jìn)行調(diào)整。大橋共有11對(duì)斜拉索，對(duì)每組拉索進(jìn)行單獨(dú)分析，以端部位移為控制點(diǎn)，計(jì)算主橋二次轉(zhuǎn)體階段線(xiàn)形差值。各對(duì)索敏感性因素β值及影響程度ω大小如表5所示。

由表5可見(jiàn)，索編號(hào)為M11、M10、M9、S8、S9、S10的斜拉索對(duì)主梁線(xiàn)形影響程度最為明顯。因此選擇這6組斜拉索作為主梁線(xiàn)形控制的關(guān)鍵因素。

表5 單組索力歸一化計(jì)算結(jié)果 mm

將該斜拉索初拉力作為輸出神經(jīng)元，輸入神經(jīng)元選擇合龍段附近懸臂端位移值。運(yùn)用Matlab軟件，對(duì)斜拉橋轉(zhuǎn)體施工主梁線(xiàn)形控制BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)行編程，其訓(xùn)練誤差收斂趨勢(shì)運(yùn)行結(jié)果如圖6所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到1447次后，收斂于10-9。

圖6 訓(xùn)練誤差收斂趨勢(shì)

對(duì)建立好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)比斜拉索索力的理論值和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算值，在24組中吻合度在90%以上的有13組，其余吻合度都在80%～90%之間，如表6所示。檢驗(yàn)結(jié)果較理想，可以用于下一步對(duì)實(shí)際工程的參數(shù)識(shí)別和線(xiàn)形控制。吻合度=100%-(計(jì)算值-理論值)/理論值。

表6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢驗(yàn)結(jié)果歸納表

3.4 工程參數(shù)識(shí)別和大橋線(xiàn)形控制

將檢驗(yàn)完成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于龍巖大橋二次轉(zhuǎn)體主梁線(xiàn)形控制中,根據(jù)設(shè)計(jì)理想線(xiàn)型要求，輸入合龍段附近高程，作為參數(shù)識(shí)別樣本，如表7所示。

表7 二次轉(zhuǎn)體階段合龍段設(shè)計(jì)撓度

運(yùn)行已有的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，按照參數(shù)識(shí)別的結(jié)果，調(diào)整轉(zhuǎn)體施工階段的索力張拉值，得出用于主橋二次轉(zhuǎn)體施工階段的索力調(diào)整值，與設(shè)計(jì)索力值對(duì)比，如表8所示。

表8 參數(shù)識(shí)別修正后的索力調(diào)整值

把經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別后，得到的二次轉(zhuǎn)體斜拉索索力調(diào)整值，代入Midas Civil中模擬驗(yàn)算，得出轉(zhuǎn)體施工階段主橋模擬結(jié)果，將計(jì)算模擬得到的主梁位移值與設(shè)計(jì)目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，如圖7和表9所示。

圖7 索力識(shí)別調(diào)整后主梁線(xiàn)形模擬圖

表9 索力識(shí)別調(diào)整后主梁變形數(shù)據(jù)表 m

由表9中位移值與目標(biāo)值對(duì)比可看出，整體吻合度較高，主梁線(xiàn)形得到大幅優(yōu)化，能夠確保在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中順利對(duì)接合龍。同時(shí)說(shuō)明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法在龍巖大橋轉(zhuǎn)體施工線(xiàn)形控制中，取得較為理想的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立龍巖大橋有限元分析模型，對(duì)主橋第二次轉(zhuǎn)體階段各施工影響因素進(jìn)行敏感性分析，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別并優(yōu)化調(diào)整，得到斜拉索索力調(diào)整方案，以實(shí)現(xiàn)主梁線(xiàn)形的有效控制，并得出以下結(jié)論：

(1)橋塔偏位和斜拉索初拉力對(duì)主梁線(xiàn)形變化的影響程度較高。對(duì)各敏感性參數(shù)進(jìn)行歸一化分析，進(jìn)一步看出斜拉索初拉力對(duì)轉(zhuǎn)體階段主梁線(xiàn)形具有最大影響，并比較得到對(duì)主梁線(xiàn)形影響最大的6組斜拉索索力。

(2)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)斜拉索索力進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并應(yīng)用到龍巖大橋的參數(shù)識(shí)別和主梁線(xiàn)形控制當(dāng)中。根據(jù)輸出結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)值對(duì)比的情況，整體吻合度高，有效且快速得到斜拉索索力優(yōu)化調(diào)整值以及主梁調(diào)整線(xiàn)形，有利于主梁順利對(duì)接合龍。