基于傳感器數據融合的高速公路框架橋頂進施工偏差控制

周海娟

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300222）

0 引言

高速公路框架橋作為公路交通中承載車輛載荷的重要結構［1］，其特點包括橫跨大距離、承受巨大荷載、對運營安全要求高等［2］。在施工過程中，特別是頂進施工中，由于施工材料的變化以及非均勻壓力的作用，容易產生橋梁結構的偏差問題［3］。因此，有效地對高速公路框架橋頂施工應力與變形進行控制，是高速公路增建中的一個重要環節。

目前，已經有學者對框架橋的頂進施工偏差進行了一定程度的研究。陳卓等［4］通過將灰色預測理論和傳統GM（1，1）預測模型進行優化，建立了一種非齊次一階指數灰色模型（NCBC-GM（1，1）），用于預測隧道圍巖變形的發展趨勢。但該方法僅利用隧道圍巖變形實測值作為原始數據進行預測，未充分利用其他相關信息，影響結果準確性。肖宏笛等［5］通過施加一對頂力來抵消塔墩縱向偏位產生的不利影響，以消除混凝土收縮徐變及溫差效應對大跨徑預應力混凝土矮塔斜拉橋的負面影響。但該方法采集到的數據準確性較低，且只分析了混凝土收縮徐變及溫差效應因素，限制了偏差的全面性和有效性。

為了解決上述問題，本文采用傳感器數據融合的方法控制高速公路框架橋頂進施工偏差。通過采用傳感器數據融合技術，將多個傳感器節點之間的興趣關系度考慮在內，提高數據的準確性和可靠性。在建立橋梁的有限元模型的基礎上，給出頂進施工的材料參數，并分析了框架橋頂進施工過程的受力行為，更全面地了解橋梁的受力情況，從而有針對性地控制施工偏差。通過對實際施工數據與糾偏設備數據的比較，進行偏差控制，提高了施工質量和效果。

1 高速公路框架橋頂進施工偏差控制方法設計

1.1 分析框架橋頂進施工過程的受力行為

利用通用的空間有限元分析軟件Midas Civil對框架橋頂進施工進行數值模擬，首先構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，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，建立橋梁的整體結構。使用自動網格方法，對有限元模型的單元尺寸進行細化，選中的板單元尺寸為0.5 m×0.5 m，為了對刃角網絡進行精細化劃分，將網格劃分為“正方形+三角形”等類型［7］，構建細化后的有限元模型，其節點數目為1 169個，單元格數目為14 529個，框架橋結構的有限元模型如圖1所示。

圖1 框架橋結構的有限元模型

在對框架橋進行有限元分析過程中，最重要的就是選取合適的計算參數。根據設計圖紙、現場勘察及土工測試結果［8］，對高速公路框架橋的材料參數、土壓力及頂進力進行了研究，得出了以下結論。

1）對于高速公路框架橋頂進的主體結構，主要由混凝土材料構成，彈性模量為3.25×103MPa，泊松系數為0.2。

2）框架橋的邊墻外部受到的土體側壓力，根據庫侖（cullen）主動土壓力原理進行了分析［9］，在此基礎上，填充物的容重為24 kN/m3，土的內摩擦角為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，合理的受力點距離邊墻底部為3.17 m，邊墻土側壓力分布圖如圖2所示。

圖2 邊墻土側壓力分布圖

3）在框架橋頂進作業中，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《城鎮地道橋頂進施工及驗收規程》［10］中有關的有關要求，可以通過式（1）來確定高速公路框架橋頂進的最大推力Fmax：

式中：?表示頂進施工的安全系數；f1表示頂進摩擦角；R1表示頂進的最大受應力；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表示頂進施工的正向阻力；S表示框架橋頂進面積。

根據高速公路框架橋的材料參數、土壓力及頂進力，分析了框架橋頂進施工過程的受力行為。

1.2 構建框架橋頂進施工數據融合模型

在框架橋頂進施工過程中，采用傳感器對框架橋的頂進過程進行實時監控，以提高頂進過程的準確性，并將傳感器節點x采集到T時間區域內，對施工數據進行歸一化處理［11］，構建傳感器的支持度函數pr，如式（2）所示：

式中：yr(t)表示節點i的數據采集信息；y'(t)表示第n個傳感器節點的數據采集均值。

經過式（2）的處理求解，使獲得的結果更為適中。假設ki表示節點i與節點yi之間的距離，kj表示節點i與節點yj之間的距離，則節點之間的興趣關系度如式（3）所示：

式中：k'i表示節點yi與融合節點y'i之間的距離相關度值；k'j表示表示節點yj與融合節點y'j之間的距離相關度值；d表示距離系數；G表示距離相關度系數。

結合節點間興趣相關度的特點，在數據融合的過程中，利用式（4）構建框架橋頂進施工數據融合模型Q(t)：

式中：Y(t)表示第t次測量傳感器得到的數據；βt(t)表示傳感器數據融合過程中的噪聲。

通過將傳感器安裝在框架橋中，監測框架橋頂進施工過程中的數據，根據傳感器節點之間的興趣關系度，構建框架橋頂進施工數據融合模型。

1.3 控制框架橋頂進施工偏差

當框架橋頂進施工的過程中，由于側向位移過大，將導致支座上的反力發生很大的改變。當結構的局部應力較大時，其反力的改變可能導致結構的不穩定或破壞，還會造成某些支座出現脫空現象，使其不能順利進行頂進施工，造成整體推力不夠，滑動困難［12］。通過控制框架橋頂進施工偏差，可以避開這些問題，但是由于其傾斜角較大，可能導致橋體被限制在限位裝置中間，從而影響了后續頂推工作。圖3給出了框架橋軸線示意圖。

圖3 框架橋軸線示意圖

假設該框架橋的整個寬度是K，該主梁的外部極限邊界到該結構之間的豎直距離是k（圖3（a）），在頂進過程中，當結構整體出現如圖3（b）中所示的橋梁軸線橫向偏位的情況時，結構外側邊緣與限位邊界產生了碰撞，產生了極大的摩擦力，這將使得整個頂進過程不能進行下去，如果強行頂進，還會對梁體造成損傷［13］。因此，若要確保梁體頂推工作能夠順利進行，則在圖形中的幾何參數必須要符合k1+k2

由于每次框架橋推進都會產生一定程度的誤差，因此需要通過連續觀察2次推進的同步以及整個推進系統的軸向偏移，從而達到提升框架橋頂進的精度及安全性的目的。

在索引梁端部、系梁節段的跨距和系梁尾部的3個截面上，分別設置了3個位置的觀測點，分別位于框架橋的橋梁軸線兩端，如圖4所示。

圖4 傳感器監測點示意圖

在框架橋正式頂進之前，將各觀測點的三向坐標作為初值，在頂進過程中，以每30 min觀測一次的頻率對各測點三向坐標進行量測，那么在每一輪監測完成之后，根據此次觀測值相對于初值和上次觀測值的變化量來得到測點的行程及偏位數據［14］。

在獲得了施工偏移數據之后，將所有糾偏裝備設置在框架橋上，使用傳感器收集了該裝置的施工信息，并將其與真實的施工信息進行比較，得到了該裝置的偏移量，從而實現對高速公路框架橋頂進施工過程中的偏差的控制，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

該糾偏裝置由導向輪、千斤頂、鋼板立架等部件構成，當偏差較小時，只需調節插入聚四氟乙烯片的厚度即可糾正偏差，使梁體在導向鋼框架的限制下向前移動，在這種狀態下，其實是一種被動式導向。在梁體橫向位移比較大的情況下，對梁體進行了側向施力處理，從而進行了糾正［15］。在框架橋頂進過程中，設有2套糾偏裝置，并隨頂進作業的推進而輪流向前移動，從而實現對橋梁結構的有效控制。由于其本身的結構比較復雜，因此，該系統更適合于大跨度和大重量的高難度項目。但是，在高速公路框架橋頂進施工中，可以大大地簡化這個問題，可以使用一個水平放置的小千斤頂來進行側向施力，同時，還可以利用當地的原材料，在地面上建立起一個千斤頂的反力架。

綜上所述，根據框架橋頂進施工偏差的產生機理，利用傳感器采集糾偏設備的施工數據，通過與實際頂進施工數據的對比，采用糾偏裝置的偏差控制原理，實現框架橋頂進施工偏差的控制。

2 驗證實驗及結果分析

2.1 安裝傳感器

為了驗證文中方法在框架橋頂進施工偏差控制中的效果，需要先將傳感器布置在框架橋中，以便數據采集的實時性，從而提高頂進施工偏差控制精度。將傳感器安裝在系梁內部的頂底板和拱肋處，避免傳感器受到惡劣環境影響而損壞，提高框架橋頂進施工數據的監測穩定性，傳感器安裝步驟如下。

第1步：根據框架橋中的預設位置，進入到箱梁內部，做好標記。

第2步：為了使傳感器與框架橋有效固定，通過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，牽引頂進施工測量導線。

2.2 布置監測點

根據傳感器所在位置，布置監測點S01~S10，如圖7所示。

圖7 監測點布置

根據圖7中各個監測點的布置情況，采集頂進施工的偏差數據，為施工偏差控制提供依據。

2.3 數據采集

將同一頂進起始施工的測試值作為初始施工數據，頂進施工中，根據傳感器的響應情況，采集頂進施工偏差數據，包括應力偏差和變形量偏差，具體如表1所示。

表1 頂進施工偏差數據

表1中，高速公路框架橋頂進施工過程中，應力值的偏差均>0.5 MPa，變形量偏差>0.05 mm，無法滿足框架橋頂進施工的穩定性要求，需要對頂進施工產生的偏差進行控制。

2.4 施工偏差控制測試

利用文中方法對表1中的偏差數據進行控制，得到如圖8所示的結果。

圖8 施工偏差控制結果

由圖8可知，經過文中方法的控制之后，框架橋頂進施工的應力值偏差和變形量偏差分別可以控制在0.5 MPa和0.05 mm以內，通過減小施工偏差提高頂進施工的穩定性。

2.5 對比分析

為了避免實驗結果的單一性，引入基于可靠度理論的控制方法和基于Sirovision的控制方法作對比，在不同監測點，測試了框架橋頂進施工偏差控制精度，結果如圖9所示。

圖9 框架橋頂進施工偏差控制精度

從圖9可以看出，采用基于可靠度理論的控制方法時，框架橋頂進施工偏差控制精度為50%~75%，說明該方法對框架橋頂進施工偏差進行控制的時候，僅考慮到了可靠度指標，缺失施工安全方面的考慮，導致控制精度偏低。采用基于Sirovision的控制方法時，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，由于在框架橋上安裝了傳感器，能夠實時采集施工過程中的各項數據，通過傳感器數據的融合，將施工偏差控制精度提高到90%以上。

3 結束語

本文提出一種基于傳感器數據融合的高速公路框架橋頂進施工偏差控制方法，經過實驗測試發現，該方法能夠控制頂進施工產生的偏差，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，如只研究了應力值和變形量2個施工數據的偏差，在今后的研究中，將對拱肋傾斜角度、跨徑等施工數據偏差進行控制，提高框架橋的穩定性。