基于二分法的斜拉桥施工控制过程参数识别.doc

　 第 35卷 , 第 3期 2010年 6月
公 路 工 程 H ighway Engineering
Vol . 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 , 通过多次迭代计算 , 可获得满足精度参数值 , 避免了传统方法计算繁琐和无法考虑混凝土收缩 徐变和几何非线性等问题 , 并且通过一座实际桥梁计算分析 , 证明了本方法实用性 , 具有一定应用价值 。
[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— 04
Parameters i denti fi cati on of constructi on control procedure of
cable st ayed bri dge based on di choto my method
GUO M uhua
(Nanning Lvjianxin Garden Aff orestati on Engineering td, 530011, China
　　 [Key words]on; dichot omy method; For ward 2analysis iterative on
0　 概述
在现代大跨度桥梁施工控制过程中 , 最常用 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 、 混凝土收缩徐变等及实际参数之间有偏差 。如 果能够在重复性很强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参数作为未 知变量或带有噪声变量 , 在各个施工阶段进行实 时识别 , 并将识别得到参数用于下一个施工阶段 实时结构分析 、 重复循环 , 这样在经过若干个施工 阶段计算及实测磨合 , 必然可以使得系统模型参 数取值趋于精确合理 , 使系统模型反映规律适 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
乘法是最经典算法 , 然而最小二乘法是基于线性 理论一种算法 , 因此在非线性影响较大桥梁施
工控制中势必受到限制 , 且最小二乘法在计算结构 影响刚度矩阵很复杂 , 本文提出二分法利用现 有结构分析程序解决上述问题 , 简单实用 。通过一 座实际桥梁计算分析 , 表明本文提出方法是可 行 , 具有一定推广价值 。
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 需要识别参数 {A }, 把 {A 0}(参数设计值 输入按 照已拟定施工步骤程序进行正装计算 , 计算完 毕后查看有限元模型相应施工阶 段 主梁挠 度
{D0}, 那么实测值 {D}及理论 {D 0}可能会存在一个
差值 {ΔD 0}:
{ΔD 0}={D }-{D 0}
(1 为消除这一差值 {ΔD 0}, 在下一轮正装分析 中 , 取计算参数 {A1}, {A 1}按如下原则取值 :
{ΔD 0}>0时 , 选取参数应使主梁挠度大于 实测值 ;
{ΔD 0}<0时 , 选取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}及第 一次迭代计算参数 {A1}会存在一个差值 :
{ΔA 1}={A1}-{A0}
(3 开始第二次迭代计算 , 取 {A 2}=2
{ΔA 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 0}(4 假定 :{D1}<{D }<{D 2}, 第一次迭代计算参 数 {A1}及第二次迭代计算参数 {A 2}会存在一个差 值 :
{ΔA 2}={A2}-{A1}
(5
开始第三次迭代计算 , 取 {A 3}=
2
{ΔA 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 =
n
n
{ΔD }n [k ]式中 :{Dn ;
{ΔD 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. 005
[6-7]
。
2　 二分法误差分析及流程图设计
2. 1　 二分法误差分析
第一次迭代计算主要目是为了确定被识别
参数 {A}所处区间 :
{A}:({A0}, {A 1} 或 {A}:({A1}, {A 0}
(7 第二次迭代计算所取被识别参数 {A 2}=
2
{ΔA 1}+{A 0}2
({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 2}2
({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 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 }也具有很高精度 。 2. 2　 二分法流程图设计
根据二分法原理设计具体迭代计算流程图 见图 1。
图 1　 迭代流程图
3　 算例
3. 1　 工程简介
建设中广州番禺沙湾特大桥为双塔单索面矮 塔斜拉桥 , 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 S09标段工程 , 该桥跨越 沙湾水道 , 桥跨组合 :137. 5
m +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 过程钢筋混凝土实际容重及设计值有很大差 别 , 故取钢筋混凝土混凝土容重作为被识别参 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 0}
26kN /m3
-2. 607-3. 538-4. 589-5. 734-6. 941
0. 0935>[p ] {ΔD 0}-0. 279-0. 386-0. 409-0. 501-0. 614
第一次迭代
{D 1}
28kN /m3
-3. 115-4. 260-5. 357-6. 686-8. 118
0. 0704>[p ] {ΔD 1}0. 2290. 3360. 3590. 4510. 563
第二次迭代
{D 2}
27kN /m3
-2. 774-3. 770-4. 834-6. 035-7. 309
0. 0354>[p ] {ΔD 2}-0. 112-0. 154-0. 164-0. 200-0

. 245
第三次迭代
{D

3
}
27. 5kN /m3
-2. 920-3. 990-5. 071-6. 335-7. 688
0. 0156>[p ]
{ΔD 3}0. 0340. 0660730. 1000
第四次迭代
{D 4}
27. 25kN /m3
-2. 847-3. 880-6. 1857.
. 0092>[p ]
{ΔD 4}-0. 039-. -0. 0. 050

.
第五次迭代
{D 5}
27. 375/m3
-2. 3. 4. -6. -7. 528
0. 0033<[p ]满足要求 {ΔD 5}009-. -0. 020-0. 026
　　 注 :其中 , k
1
{Δ
{D 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 , 随着迭代次数增加主梁挠度及实际
测试高差越来越接近 , 主梁挠度及实际测试高差
误差越来越小 , 说明了二分法识别参数实用性 。
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 算确定参数所处区间 , 然后通过多次迭代计算缩 小参数所处区间 , 从而识别满足精度要求参数 , 二分法有如下优点 :
①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 ;
②服了最小二乘法无法考虑混凝土收缩徐变 、 几何非线性缺点 , 计算速度比较快 , 且能得到比较 满意精度 ;
③二分法具有收敛性 , 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 。
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(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 及 E p 相关系数 r 为 0. 9519, 表 明动 、 静回弹模量之间存在良好双对数关系 。 E b =3. 3643E 0. 72
p
　 (n =14, R 2=0. 9062 (2 4. 2　 PF WD 模量 (E p 及施工指标之间关系 根据国内外大量参考文献和大量实测结果统 计分析表明 , 路基回弹模量及施工指标之间统计 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 , 施工 压实时 , 含水量过高或过低 , 压实度都较难达到规定 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压实度 。 同 时 , 在路基运营过程中 , 含水量对路基强度 、 刚度 和稳定性起着决定性影响作用 , 含水量高压实度 低路基 , 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 (E
p
及及压实度和含水量关系 , 建立了以下 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 WD 模量及压实度和含 水量相关系数 r 为 0. 8475, 具有较好相关性 , 随着压实度提高 , 路基模量值增加 ; 而随着含水量 增加 , 路基模量值减小 , 即路基模量及压实度呈正 比而及含水量呈反比 。
5　 结语
通过现场 PF WD 、 承载板 、 压实度和含水量对 比检测 , 分析了 PF WD 模量及承载板模量 、 压实度 和含水量相关性 。现场检测结果表明 , PF WD 模 量 (E
p
及承载板模量 (E b 具有良好双对数关系 ; PF WD 模量 (E p 及施工控制指标 (含水量和压实 度 具有较好双对数关系 , 路基模量及压实度呈 正比而及含水量呈反比 。说明 WD 用于路基强
]
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