鑒定資料之一
工作總結(jié)報(bào)告
0.引 言
“蔡甸漢江公路大橋施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控及技術(shù)研究”課題，是湖北省交通科技項(xiàng)目，編號(hào)為鄂交技[2000]320號(hào)。項(xiàng)目起止年限為2000年5月至2001年12月。
本項(xiàng)目以京珠高速公路(國(guó)道主干線(xiàn))和武漢市外環(huán)公路上的重要橋梁——蔡甸漢江公路大橋工程為依托，聯(lián)合科研單位（武漢理工大學(xué)）、設(shè)計(jì)單位（湖北省交通規(guī)則設(shè)計(jì)院）和施工單位（湖北省路橋公司），立足于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁施工過(guò)程預(yù)拱控制和箱梁應(yīng)力測(cè)試，對(duì)大橋上構(gòu)施工實(shí)施跟蹤監(jiān)測(cè)監(jiān)控。通過(guò)解決監(jiān)測(cè)監(jiān)控中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，將科研服務(wù)于工程建設(shè)，確保了大橋質(zhì)量和安全。
截止2001年12月底，本項(xiàng)目組已完成項(xiàng)目的全部研究?jī)?nèi)容，現(xiàn)將課題研究工作報(bào)告如下。
1.項(xiàng)目研究的目的和意義
在大跨度橋梁施工中，結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)很難與設(shè)計(jì)計(jì)算的理論狀態(tài)完全吻合。我國(guó)傳統(tǒng)的橋梁施工主要是施工單位按設(shè)計(jì)的圖紙、規(guī)范來(lái)保證橋梁質(zhì)量，這就使設(shè)計(jì)與施工形成了兩張皮。將兩者如何有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，已引起工程界的關(guān)注。近年來(lái)，人們已開(kāi)始探索大跨度橋梁的監(jiān)測(cè)與施工控制，并逐步付諸實(shí)踐。由于施工過(guò)程中造成誤差的原因是多方面的（其中包括設(shè)計(jì)參數(shù)的誤差、施工誤差、測(cè)量誤差等），雖然有些參數(shù)誤差引起的狀態(tài)變化可通過(guò)物理力學(xué)模型予以分析，但僅通過(guò)個(gè)別參數(shù)來(lái)反推上述諸多原因的實(shí)際參數(shù)值有相當(dāng)?shù)碾y度。況且有些原因的影響機(jī)理尚不十分明確，并含相當(dāng)?shù)碾S機(jī)因素。因此，只有通過(guò)施工控制才能使橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)盡可能與設(shè)計(jì)狀態(tài)相一致。
衡量一座橋梁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)就是要保證已成橋梁的線(xiàn)形以及受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于多工序、多階段自架設(shè)體系施工的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)而言，要求結(jié)構(gòu)的線(xiàn)形和內(nèi)力最終符合設(shè)計(jì)要求，通常的做法是：首先利用結(jié)構(gòu)有限元分析；使用性能可靠的傳感元件和測(cè)試設(shè)備，通過(guò)先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)獲取實(shí)際數(shù)據(jù)；借助系統(tǒng)識(shí)別、誤差分析與處理等理論，將施工中的實(shí)測(cè)值與預(yù)計(jì)值進(jìn)行比較，逐步調(diào)整，直至達(dá)到較理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)。由于施工中影響因素的復(fù)雜性，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)狀態(tài)的多樣性，其施工工藝參數(shù)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，要進(jìn)行科學(xué)的研究。這就要求施工監(jiān)測(cè)和控制理論和技術(shù)的不斷完善，以適應(yīng)建設(shè)質(zhì)量高、外形美的橋梁結(jié)構(gòu)的需要。
橋梁施工控制又是橋梁建設(shè)的安全保證。通過(guò)監(jiān)測(cè)手段跟蹤各施工階段結(jié)構(gòu)的實(shí)際內(nèi)力和變形，及時(shí)掌握施工進(jìn)程和發(fā)展情況。當(dāng)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值異常時(shí)，要進(jìn)行檢查和原因分析，避免突發(fā)事故的出現(xiàn)。同時(shí)，施工監(jiān)控測(cè)試工作，還可用于橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)；其分析結(jié)果，可進(jìn)一步用于完善橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)而形成完整的特大型橋梁施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)，具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
大型橋梁的施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作，不僅涉及到橋梁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、測(cè)量技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、參數(shù)識(shí)別理論、數(shù)據(jù)分析與處理等方面的理論知識(shí)，而且還會(huì)遇到許多尚待深入研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)理論與試驗(yàn)的融合。通過(guò)文獻(xiàn)檢索和工程調(diào)研，本課題組認(rèn)為：大跨度橋梁施工的監(jiān)測(cè)監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)難題亟待解決；監(jiān)測(cè)監(jiān)控的內(nèi)容可進(jìn)一步豐富發(fā)展；大跨度梁橋最優(yōu)施工控制和施工檢測(cè)技術(shù)有待總結(jié)形成。認(rèn)真總結(jié)成功的經(jīng)驗(yàn)，為同類(lèi)結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)積累技術(shù)資料，形成大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋最優(yōu)施工控制和施工檢測(cè)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)。真正發(fā)揮科技優(yōu)勢(shì)，服務(wù)于工程建設(shè)，將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，推動(dòng)橋梁科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
2.項(xiàng)目研究技術(shù)方案和主要內(nèi)容
2.1本項(xiàng)目的技術(shù)方案：
①運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，估計(jì)出混凝土配合比、徐變、溫度及張拉工藝等因素造成的線(xiàn)形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值間的偏差，預(yù)測(cè)出下一節(jié)段的預(yù)拱度值，提供合理的施工預(yù)拱度指令，保證橋梁結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)線(xiàn)形。
②經(jīng)分析計(jì)算和實(shí)測(cè)，使箱梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布盡可能合理，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
③運(yùn)用混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論，通過(guò)應(yīng)力理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，理論上提出合理配置豎向和縱向預(yù)應(yīng)力大?。贿M(jìn)一步可優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。
④通過(guò)溫度觀測(cè)，合理給出溫度對(duì)結(jié)構(gòu)線(xiàn)形和應(yīng)力的影響。
2.2 項(xiàng)目研究的基本內(nèi)容
本課題主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究：
①梁橋施工的工藝性研究，保證橋梁按合同工期竣工和橋梁施工的高質(zhì)量；
②橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算，為施工工藝的可靠性提供科學(xué)基礎(chǔ)；
③線(xiàn)形監(jiān)測(cè)和預(yù)拱度控制理論和方法的研究，保證橋梁順利合攏，使合攏段的相對(duì)高差控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)；
④混凝土的應(yīng)變測(cè)試和應(yīng)力分析、箱梁溫度跟蹤測(cè)量等工作，保證結(jié)構(gòu)受力合理；
⑤箱梁豎向預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.2.1 梁橋施工的工藝特點(diǎn)
蔡甸漢江公路大橋由雙向四車(chē)道國(guó)道主干線(xiàn)和兩車(chē)道農(nóng)用道構(gòu)成，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽—超20、掛—120。工程總投資1.41億元人民幣,是目前漢江上規(guī)模最大的公路橋梁。主橋?yàn)槿蝾A(yù)應(yīng)力混凝土箱型變截面連續(xù)剛構(gòu)（左幅截面為單箱單室，右幅截面為單箱雙室）；兩岸引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土Ｔ型組合梁（橋面連續(xù)），橋跨布置為20×30m+（110+180+110）m+20×30m，全長(zhǎng)1607.0m。箱梁混凝土Ｔ構(gòu)采用懸臂現(xiàn)澆法施工。主墩0#塊長(zhǎng)12m，每側(cè)懸臂各分為26節(jié)段，分段長(zhǎng)度2.5～4.0m；最大節(jié)段分別重1500kN（左幅）和2630kN（右幅），掛籃分別重600kN（左幅）和900kN（右幅）；兩個(gè)邊墩處19m箱梁段用支架現(xiàn)澆施工。110m邊孔首先合攏，形成兩個(gè)單臂體系，最后合攏主孔，完成三孔一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)。箱梁采用50#混凝土，其強(qiáng)度大于75%時(shí)施加預(yù)應(yīng)力。橋面平整層采用8cm輕質(zhì)混凝土，其上再鋪55mm厚的瀝青混凝土。體系轉(zhuǎn)換、張拉工藝復(fù)雜，施工難度大、技術(shù)要求高。
2.2.2 結(jié)構(gòu)有限元分析
監(jiān)測(cè)監(jiān)控的第一項(xiàng)工作是對(duì)監(jiān)控橋梁的應(yīng)力、位移等進(jìn)行有限元分析計(jì)算，以確保橋梁施工工藝的科學(xué)性。
進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)， 將大橋簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，選用平面梁?jiǎn)卧?。主橋合龍前后結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生轉(zhuǎn)變，即由對(duì)稱(chēng)的Ｔ構(gòu)靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱(chēng)的超靜定結(jié)構(gòu)。兩個(gè)主墩根部視為固定端，南北兩邊跨端視為活動(dòng)鉸支座。對(duì)于選定的計(jì)算模型，單元和節(jié)點(diǎn)的劃分按施工過(guò)程的節(jié)段來(lái)定(重要截面：主跨懸臂根部、l/8、l/4、3l/8、跨中和邊跨的對(duì)稱(chēng)位置)，共有節(jié)點(diǎn)144個(gè)，梁?jiǎn)卧?43個(gè)。
結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，彈性模量、Poisson比、質(zhì)量密度和重度等材料特性和幾何特性參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙與設(shè)計(jì)計(jì)算值取值相同。由于主梁結(jié)構(gòu)為變截面箱梁，每一截面箱梁高h(m)、箱梁頂面到形心的距離hc(m)、截面面積A(m2)、截面慣性矩Iz(m4)和截面模量Wz(m3)按節(jié)段取不同的值。
預(yù)應(yīng)力索的張拉對(duì)結(jié)構(gòu)的外效應(yīng)是使其懸臂端上翹。針對(duì)這種影響，計(jì)算中采用可模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)后張法的曲索單元。當(dāng)鋼索受到一定拉力時(shí)，將能夠反映預(yù)應(yīng)力索對(duì)混凝土的壓縮作用，可分析計(jì)算預(yù)應(yīng)力索的張拉所引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力的重新分布，以及新索的張拉產(chǎn)生的內(nèi)力重分配。依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 023—85)，根據(jù)預(yù)應(yīng)力束的幾何要素，并計(jì)入預(yù)應(yīng)力束的摩阻損失；徐變收縮中考慮環(huán)境溫度、理論厚度和收縮應(yīng)變終值。
載荷考慮連續(xù)剛構(gòu)各梁段單元的自重、掛籃自重及鋼筋、人員和設(shè)備的重量，掛籃移動(dòng)各施工階段的施工荷載，同時(shí)考慮二期恒載的重力。其他荷載包括溫度荷載、風(fēng)荷載及與結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程有關(guān)的荷載，如混凝土的收縮徐變等，這些荷載能引起結(jié)構(gòu)的附加變形和應(yīng)力。溫度荷載的影響非常復(fù)雜，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的分布和溫度的變化難以準(zhǔn)確測(cè)量、定量分析，一般按公路橋梁規(guī)范取值，考慮其變化±10°C的影響。混凝土的收縮、徐變是一種十分復(fù)雜的化學(xué)物理過(guò)程，按公路橋梁規(guī)范的有關(guān)規(guī)定取值，同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析，掌握有關(guān)混凝土的收縮、徐變的第一手資料，為進(jìn)一步的深入研究打下一定的基礎(chǔ)。
2.2.3 線(xiàn)形測(cè)量和預(yù)拱度控制原理和技術(shù)研究
大橋軸線(xiàn)和里程測(cè)量采用日產(chǎn)索佳全站儀(SOKISHA-1100)，高程測(cè)量采用國(guó)產(chǎn)自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀(DSZ2)。利用大橋兩岸大地控制網(wǎng)點(diǎn)，用后方交會(huì)的測(cè)量方法，將后視點(diǎn)引至固定處(即：0#塊箱梁和過(guò)度墩上)，用遠(yuǎn)點(diǎn)控制近距離點(diǎn)。在施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)監(jiān)控組進(jìn)行了箱梁撓度(反拱值)按每一個(gè)施工節(jié)段(三種工況)的跟蹤觀測(cè)、箱梁立模標(biāo)高的抽查、箱梁頂面高程的測(cè)量、同跨兩邊對(duì)稱(chēng)截面相對(duì)高差的直接測(cè)量等。當(dāng)溫度變化時(shí)，對(duì)箱梁撓度進(jìn)行了科研測(cè)量，掌握撓度隨溫度的變化規(guī)律(如第25#節(jié)段在澆筑混凝土后工況不變的情況下，當(dāng)溫度由15℃上升到26℃時(shí)，第26‘#截面下降41mm等)。
箱梁懸澆段的各節(jié)段立模標(biāo)高各參數(shù)在有限元分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測(cè)信息進(jìn)行前期預(yù)測(cè)和后期調(diào)整，確定最佳預(yù)拱度。傳統(tǒng)的誤差調(diào)整方法主要有卡爾曼（kalman）濾波法、灰色系統(tǒng)（如：GM（1，N））、最小二乘法等。這些方法在橋梁施工控制應(yīng)用中取得了一些成效，但是對(duì)于非線(xiàn)性系統(tǒng)，有的方法還存在一定的局限性。在蔡甸漢江大橋施工預(yù)拱度控制中，運(yùn)用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)拱度信息預(yù)測(cè)和調(diào)整。這種方法既克服了灰色理論GM（1，N）輸入?yún)?shù)單一的缺點(diǎn)，又改進(jìn)了卡爾曼（kalman）濾波法中僅能考慮輸入與輸出的線(xiàn)性關(guān)系的不足，建立了輸入與輸出之間的多參數(shù)、非線(xiàn)性的映射關(guān)系。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人腦結(jié)構(gòu)和功能的信息處理系統(tǒng)，具有學(xué)習(xí)和容錯(cuò)等特點(diǎn)。它起步于50年代初，雖幾經(jīng)周折，到80年代后期國(guó)內(nèi)外再次興起神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱潮，并成功地運(yùn)用于許多領(lǐng)域。BP網(wǎng)絡(luò)是一類(lèi)前向無(wú)反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可通過(guò)對(duì)若干樣本的自學(xué)習(xí)，建立網(wǎng)絡(luò)輸入變量與輸出變量之間的全局非線(xiàn)性映射關(guān)系。這是目前應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因采用1986年問(wèn)世的反向傳播法(BP)算法而得名。由于其有連續(xù)函數(shù)表現(xiàn)定理，選用3層網(wǎng)絡(luò)，輸入層和輸出層有與網(wǎng)絡(luò)輸入變量
在施工控制中，當(dāng)掛籃前移立模完畢、混凝土澆筑完成和預(yù)應(yīng)力索張拉后，均對(duì)橋面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量。由于實(shí)際的模板、混凝土重量，混凝土彈性模量及收縮、徐變參數(shù)，尤其是通長(zhǎng)索的預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)和測(cè)量溫度等與理論計(jì)算的設(shè)定值總會(huì)存在一定的差異，使得實(shí)測(cè)的標(biāo)高與理論計(jì)算值有一定的偏離量。對(duì)此偏差，通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模索出一些規(guī)律。例如在日照情況下氣溫每升高1℃，26#截面標(biāo)高降低約4mm，溫度降低亦有逆向的對(duì)應(yīng)關(guān)系；又如隨著預(yù)應(yīng)力索長(zhǎng)度的增大，預(yù)應(yīng)力損失呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)，表現(xiàn)為1#塊截面預(yù)埋鋼弦應(yīng)變計(jì)所反應(yīng)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)明顯趨緩，索的張拉延伸量顯著不足，預(yù)應(yīng)力張拉后所產(chǎn)生的反拱與理論計(jì)算值的偏離逐漸加大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)索長(zhǎng)在154～178m時(shí)與設(shè)計(jì)延伸量相比，頂板TC索的延伸量不足達(dá)7.8～13.5%，而腹板下彎WC索則為11.7～18.0%。究其原因，顯然是理論計(jì)算時(shí)對(duì)波紋管逐節(jié)段拼接的定位、平直度誤差及局部漏漿所引起的磨阻力增大估計(jì)不足。其中存在較多的隨機(jī)和偶然因素，實(shí)測(cè)的延伸量不足數(shù)據(jù)亦較離散；沒(méi)有大量的模擬施工狀況的超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力索張拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也難于給出合理的磨阻力損失系數(shù)。
由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可建立各工況下實(shí)測(cè)橋面標(biāo)高偏差與引起此偏差的諸多因素之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系。此類(lèi)映射是能夠反映因果之間的客觀規(guī)律(雖不是顯式表達(dá))，而且抗噪性能好，適宜于處理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)際發(fā)生的橋面標(biāo)高偏差預(yù)測(cè)實(shí)施方案如下：
每節(jié)段按掛籃前移立模、混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力索張拉三個(gè)施工工序進(jìn)行。監(jiān)控的實(shí)踐表明，前兩工況下的實(shí)測(cè)標(biāo)高值變化量與計(jì)算值偏差不大，僅為mm量級(jí)。而預(yù)應(yīng)力張拉后則出現(xiàn)較大的偏差，尤其是索長(zhǎng)超過(guò)150m之后其偏差十分顯著，可達(dá)77mm之多。施工控制中必須對(duì)該工況下的標(biāo)高偏差進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)。以該橋左幅施工過(guò)程為例，對(duì)其偏差作如下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)分析。
引起施工實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論計(jì)算值偏差的原因是多方面的，不加分析將所有因素均予以羅列可多達(dá)幾十種參數(shù)，必將增加分析的難度。根據(jù)分析，取影響標(biāo)高偏差的因素(即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量)為：測(cè)量溫度T(℃)；張拉截面、討論截面的箱梁高度(m)及其至“Ｔ”構(gòu)中心的距離(m)，它們分別記作H1,H2,L1和L2；理論計(jì)算的張拉后標(biāo)高變化值W(m)，共計(jì)6個(gè)參數(shù)。當(dāng)然，預(yù)應(yīng)力索的張拉力大小應(yīng)該是影響張拉后反拱的重要因素，不過(guò)設(shè)計(jì)上在各節(jié)段懸臂施工中，預(yù)應(yīng)力索的數(shù)量和張拉力是一個(gè)不變值，故沒(méi)有作為影響參數(shù)考慮。樣本的期望輸出自然取標(biāo)高偏差ΔW(m)。即BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元數(shù)L=6，而輸出層N=1。第1#～16#節(jié)段的結(jié)構(gòu)剛度較大，引起的標(biāo)高偏差僅為mm量級(jí)，含噪測(cè)量數(shù)據(jù)不能較好地反映客觀規(guī)律。為此，采用第17#節(jié)段(18#截面)及后續(xù)施工節(jié)段，逐步積累測(cè)量的標(biāo)高偏差樣本。如第24#節(jié)段完成后，累計(jì)有172個(gè)樣本，可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些樣本進(jìn)行自學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)后的網(wǎng)絡(luò)只需輸入第25#節(jié)段(26#截面)的有關(guān)信息，就可以輸出該節(jié)段張拉后第1#～26#截面標(biāo)高偏差的預(yù)測(cè)值。由于樣本數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)其差異很大，如果不進(jìn)行適當(dāng)處理，勢(shì)必使網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)量級(jí)相差過(guò)大，影響網(wǎng)絡(luò)映射精度和自學(xué)習(xí)的收斂性。按照連續(xù)函數(shù)表示定理，要求網(wǎng)絡(luò)輸入變量的值域?yàn)閇0,1]。為此需對(duì)全部樣本的6個(gè)輸入作歸一化處理。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元采用Sigmoid形式作為其傳遞函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的輸出值域是(0,1)，故樣本的期望輸出(標(biāo)高偏差)
采用本課題開(kāi)發(fā)的BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件，具有良好的人機(jī)對(duì)話(huà)功能，可以顯示自學(xué)習(xí)過(guò)程中各樣本的收斂情況，由此也可以反映出個(gè)別樣對(duì)全樣本總體規(guī)律的奇異性。要求每個(gè)樣本的網(wǎng)絡(luò)輸出與期望輸出的相對(duì)誤差δ=5％為收斂條件。計(jì)算表明：當(dāng)絕大多數(shù)樣本已達(dá)到此條件時(shí)，而這些奇異樣本的相對(duì)誤差仍在13～20％之間。顯然，要滿(mǎn)足這些奇異樣本，反而會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的映射性態(tài)惡化，觀察其前后截面的數(shù)據(jù)，可明顯發(fā)現(xiàn)這些奇異樣本具有突跳性，不合理。從工況和結(jié)構(gòu)形式上考慮，標(biāo)高偏離亦應(yīng)是距離的連續(xù)光滑曲線(xiàn)，可知這些點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較大的偶然誤差。處理辦法有兩種，其一是剔除這類(lèi)樣本；其二是用前后截面數(shù)據(jù)的線(xiàn)性插值替代。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程表明，172個(gè)樣本中此類(lèi)樣本僅有8個(gè)（小于5％），采用線(xiàn)性插值方法對(duì)其進(jìn)行處理。自學(xué)習(xí)訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)只要輸入第25#節(jié)段施工時(shí)的截面有關(guān)參數(shù)和測(cè)量溫度，立即可自動(dòng)得到反歸一化變換后的各截面標(biāo)高偏差預(yù)測(cè)值。將第25#節(jié)段張拉后的實(shí)測(cè)值與本預(yù)測(cè)值繪圖，其吻合程度良好。
第25#節(jié)段張拉后的各截面標(biāo)高偏差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值是一條光滑的連續(xù)曲線(xiàn)。用第17#～24#節(jié)段的172個(gè)樣本(稱(chēng)為多樣本)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，得到的預(yù)測(cè)值在第14#～24#截面處與實(shí)測(cè)值相當(dāng)一致；第1#～13#截面預(yù)測(cè)值總體上要小于實(shí)測(cè)值，由于實(shí)測(cè)值波動(dòng)性較大，在第1#～6#、8#及第12#截面實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值也較吻合；對(duì)于第25#和26#兩截面，預(yù)測(cè)值顯然對(duì)偏差估計(jì)不足，其差值分別達(dá)到6.8mm和11.8mm。圖中還給出了利用第17#～23#節(jié)段施工后的147個(gè)樣本(稱(chēng)為少樣本)，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)后來(lái)提前預(yù)測(cè)第25#節(jié)段張拉后的標(biāo)高偏差，當(dāng)然預(yù)測(cè)值對(duì)偏差量的普遍存在估計(jì)不足，要小10mm左右，不過(guò)曲線(xiàn)趨勢(shì)與多樣本的結(jié)果基本一致。網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)可以在少樣本情況下完成，而當(dāng)樣本增多時(shí)只需在此基礎(chǔ)上增加樣本數(shù)再補(bǔ)充學(xué)習(xí)即可，這樣可大量節(jié)省再學(xué)習(xí)時(shí)間。從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)將可以通過(guò)新添樣本的學(xué)習(xí)而增加“聰明”程度，使映射的關(guān)系更加符合客觀規(guī)律，這正是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能的優(yōu)越性。
值得指出的是，針對(duì)影響大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工過(guò)程的預(yù)拱度因素復(fù)雜，僅采用灰色理論GM(1,1)的單參數(shù)一階線(xiàn)性灰微分方程模型預(yù)測(cè)，將無(wú)法充分考慮諸多因素例如溫度、變截面等，對(duì)施工過(guò)程中標(biāo)高誤差的影響。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能建立標(biāo)高誤差與其眾多影響因素之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系，可以較客觀地反映施工規(guī)律。
左幅、右幅箱梁主跨合攏前后，湖北省京珠高速公路總監(jiān)辦第四高級(jí)駐地監(jiān)理工程師辦公室測(cè)量監(jiān)理工程師等技術(shù)人員對(duì)合攏段相對(duì)高差進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明：左幅箱梁主跨南北兩岸南岸第26‘#截面與北岸第26‘#截面的相對(duì)高差平均值底板為4mm，頂板為5mm，軸線(xiàn)最大偏差10mm；右幅箱梁主跨南岸第26‘#截面底板比北岸第26‘#截面底板高6mm，軸線(xiàn)最大偏差10mm，箱梁成橋豎曲線(xiàn)與施工控制豎曲線(xiàn)的調(diào)整量小于20mm。拱軸線(xiàn)偏差等技術(shù)指標(biāo)均控制在JTJ071-98標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。
2.2.4 應(yīng)變測(cè)量和應(yīng)力分析
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制中，設(shè)計(jì)單位事先提供了關(guān)鍵截面的應(yīng)力值。箱梁在懸澆過(guò)程中，各截面的應(yīng)力隨工況的不同，同一截面上下表面的應(yīng)力在不斷變化。箱梁在懸澆過(guò)程中按靜定結(jié)構(gòu)考慮控制截面，懸澆完成后結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，按超靜定結(jié)構(gòu)考慮控制截面，再加上二期恒載的影響，但這個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)力值與施工過(guò)程中的測(cè)量值總有一定的差距，必須隨著施工的進(jìn)度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)全橋應(yīng)力分布的要求，通過(guò)預(yù)應(yīng)力的張拉進(jìn)行調(diào)整，以保證全橋建成后的應(yīng)力分布滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋適當(dāng)調(diào)整預(yù)拱度值，有時(shí)會(huì)使得局部結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力過(guò)大，從而會(huì)引起橋梁產(chǎn)生局部裂紋，影響結(jié)構(gòu)的使用和安全。施工中必須對(duì)關(guān)鍵截面的應(yīng)力進(jìn)行有效的控制。蔡甸漢江大橋左右幅的應(yīng)力控制選在0#塊根部、L/8、L/4、3L/8、L/2、合攏段等38個(gè)截面。每個(gè)截面的布點(diǎn)時(shí)間選在箱梁鋼筋布置基本就緒、混凝土澆筑之前,在這些截面的上下表面內(nèi)共布置鋼弦傳感元件400余個(gè)。箱梁懸澆施工過(guò)程中，應(yīng)變測(cè)量的讀數(shù)頻度按各工序(混凝土澆筑前后；預(yù)應(yīng)力索張拉前后、掛籃前移以及溫度變化等特殊情況)進(jìn)行應(yīng)變跟蹤測(cè)量和應(yīng)力分析。工作期間，監(jiān)測(cè)監(jiān)控組共向有關(guān)單位提交正式應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析報(bào)告各15份。測(cè)試結(jié)果表明，箱梁混凝土下表面的最大應(yīng)力約為16.0MPa，小于控制應(yīng)力17.0MPa，左右幅箱梁1’#（1’）截面上表面應(yīng)力偏小，其它截面應(yīng)力分布比較合理。
2.2.5 箱梁豎向預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)
在大跨度三向預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁箱梁結(jié)構(gòu)豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)中 ,提高混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是一個(gè)很重要的指標(biāo)。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)有的箱梁有開(kāi)裂現(xiàn)象（特別是箱梁腹板開(kāi)裂）。箱梁腹板開(kāi)裂的原因是相當(dāng)復(fù)雜的。如①車(chē)輛荷載嚴(yán)重超載；②施工中對(duì)質(zhì)量要求不嚴(yán)，縱向、豎向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；③設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、主拉應(yīng)力等問(wèn)題考慮不周等等?；炷恋钠茐氖怯衫炫言斐傻模茐拿媾c最大拉應(yīng)力或拉應(yīng)力方向正交。從腹板裂縫來(lái)看，表現(xiàn)出斜截面上抗主拉應(yīng)力不夠。
理論和實(shí)踐表明：豎向預(yù)應(yīng)力是抵抗剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力的關(guān)鍵。沒(méi)有設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋的箱梁腹板，開(kāi)裂更為嚴(yán)重。在施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的實(shí)際縱向預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)值有一些差異，只有通過(guò)施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作，一方面，保證結(jié)構(gòu)有足夠的豎向預(yù)應(yīng)力和縱向預(yù)應(yīng)力大小；另一方面，通過(guò)實(shí)際測(cè)量的縱向預(yù)應(yīng)力大小，來(lái)合理配置和調(diào)整豎向預(yù)應(yīng)力，以提高結(jié)構(gòu)的抗破壞能力。反之，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高的前提下，可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小結(jié)構(gòu)截面的幾何尺寸（減輕自重），從而可大大節(jié)省原材料的投入，降低成本。從這個(gè)意義上講，拓展了橋梁施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控應(yīng)力測(cè)試的范疇，具有更重要的作用。
三向預(yù)應(yīng)力張拉工藝的運(yùn)用，使得預(yù)應(yīng)力損失準(zhǔn)確計(jì)算的重要性尤為突出，其計(jì)算結(jié)果直接影響施工過(guò)程及成橋后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形。對(duì)于后張拉預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，有預(yù)留孔道摩擦、錨具變形和構(gòu)件彈性壓縮等引起的瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失和鋼束應(yīng)力松馳、砼干縮、徐變等引起的后期預(yù)應(yīng)力損失。由于大跨度橋梁施工節(jié)段較多，使得分期張拉的批數(shù)亦多，從而各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失的定量分析十分復(fù)雜，且相互影響。
3 課題研究的主要成果
①本課題的研究結(jié)果運(yùn)用于京珠高速公路蔡甸漢江公路大橋的施工控制，全橋按合同要求，于2001年10月底前竣工。經(jīng)湖北省公路科研所靜、動(dòng)試驗(yàn)，橋梁質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。
②運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，估計(jì)出混凝土配合比、徐變、溫度及張拉工藝等因素造成的線(xiàn)形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值間的偏差，預(yù)測(cè)出下一節(jié)段的預(yù)拱度值，提供合理的施工預(yù)拱度令，保證了結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)線(xiàn)形。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種具有自學(xué)習(xí)的智能方法于大跨度橋梁的施工控制，是對(duì)橋梁施工控制理論和方法的一種創(chuàng)新。
③通過(guò)對(duì)蔡甸漢江公路大橋施工過(guò)程控制的研究，為同類(lèi)結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)積累技術(shù)資料，形成了一套大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋最優(yōu)施工控制和施工檢測(cè)的完整技術(shù)，推動(dòng)橋梁科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
④利用混凝土強(qiáng)度理論，從理論上探討了豎向預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高結(jié)構(gòu)的抗破壞能力。提出了只有通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，才能合理地實(shí)行豎向預(yù)應(yīng)力配置和調(diào)整，從而可減小結(jié)構(gòu)截面的幾何尺寸和自重，節(jié)省原材料的投入，降低成本。
⑤創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益1000萬(wàn)元，左幅在2001年2月底東西湖區(qū)京珠工程的運(yùn)料車(chē)已安全通過(guò)，為保證京珠高速公路整個(gè)湖北段的工期具有特別重要的意義。
⑥在《武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)》、《橋梁建設(shè)》等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表課題研究相關(guān)技術(shù)的學(xué)術(shù)論文5篇。
