【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 預(yù)測(cè)控制是“采樣瞬間規(guī)?！笨刂?，其過(guò)程是：每采集一個(gè)新數(shù)據(jù)便建立一個(gè)新模型，隨之更新一組模型參數(shù)，所以控制過(guò)程也就是不斷采集數(shù)據(jù)，不斷建模，不斷更新參數(shù)，不斷預(yù)測(cè)，不斷提高新模型下的預(yù)測(cè)值的過(guò)程。這實(shí)際時(shí)實(shí)采集模型參數(shù)的不斷更新，來(lái)適應(yīng)行為的不斷變化、環(huán)境的不斷影響、噪聲的不斷干擾，所以這種控制方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。④ 灰色理論將無(wú)規(guī)律的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行生成，使其變成較有規(guī)律的生成數(shù)列再建模，還可以通過(guò)殘差分析來(lái)調(diào)整、修正、提高精度。⑤ 灰色預(yù)測(cè)控制是后果控制、行為控制，不需要追究行為變化的原因，也不必將系統(tǒng)的控制行為與噪聲加以分離，即不必處置復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，這使得控制大為簡(jiǎn)化。⑥ 影響主梁撓度變化的主要因素都具有灰色信息的特征。 自適應(yīng)控制法鑒于連續(xù)梁橋已完成節(jié)段的不可控性以及施工中對(duì)線形誤差的糾正措施有限，控制誤差的發(fā)生就顯得極為重要，所以，采用自適應(yīng)控制法對(duì)其進(jìn)行控制也是很有效的。自適應(yīng)控制法的基本思路是當(dāng)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果不符時(shí)，通過(guò)將誤差的計(jì)算模型誤差輸入到參數(shù)識(shí)別算法中去調(diào)節(jié)計(jì)算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，得到修正的計(jì)算模型參數(shù)后，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)節(jié)段的反復(fù)辨識(shí)后，計(jì)算模型就基本與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，從而對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行有效控制。 線形回歸分析法線形回歸分析法是通過(guò)對(duì)懸臂箱梁撓度與懸臂長(zhǎng)度、懸臂重量的一元線形回歸處理或二元線形回歸處理，總結(jié)建立撓度線形回歸數(shù)學(xué)模型。它可以用于分析箱梁撓度變形的規(guī)律，也可以用于預(yù)測(cè)待施工梁段的撓度。但它無(wú)法對(duì)溫度和施工引起的誤差進(jìn)行修正，并且要求有較多有規(guī)律的數(shù)據(jù)才行，在梁段數(shù)比較少時(shí)所得到的回歸曲線的精度難以保證。：我公司已利用卡爾曼濾波及最小二乘法理論研制開(kāi)發(fā)了橋梁監(jiān)控誤差分析軟件，該程序用高級(jí)語(yǔ)言編寫附有詳細(xì)注釋，完全透明。已在多座連續(xù)剛構(gòu)橋上采用，通俗易懂，操作簡(jiǎn)單，精度高。誤差分析流程如圖9所示。前期結(jié)構(gòu)分析計(jì)算預(yù)告掛藍(lán)定位標(biāo)高施 工標(biāo)高、溫度、應(yīng)力、彈性模量掛藍(lán)定位誤差彈性模量誤差溫度影響徐變影響計(jì)算圖式誤差應(yīng)力測(cè) 量誤差分析精度判斷修改設(shè)計(jì)參數(shù)新模型結(jié)構(gòu)計(jì)算滿足要求圖9 誤差分析流程圖最小二乘法的基本原理從整體上考慮近似函數(shù)同所給數(shù)據(jù)點(diǎn)(i=0,1,…,m)誤差(i=0,1,…,m)的大小，常用的方法有以下三種：①是誤差(i=0,1,…,m)絕對(duì)值的最大值，即誤差 向量的∞—范數(shù)；②是誤差絕對(duì)值的和，即誤差向量r的1—范數(shù)；③是誤差平方和的算術(shù)平方根，即誤差向量r的2—范數(shù)；前兩種方法簡(jiǎn)單、自然，但不便于微分運(yùn)算 ，后一種方法相當(dāng)于考慮 2—范數(shù)的平方，因此在曲線擬合中常采用誤差平方和來(lái) 度量誤差(i=0，1，…，m)的整體大小。數(shù)據(jù)擬合的具體作法是：對(duì)給定數(shù)據(jù) (i=0,1,…，m)，在取定的函數(shù)類中,求,使誤差(i=0,1,…,m)的平方和最小，即 =從幾何意義上講，就是尋求與給定點(diǎn)(i=0,1,…,m)的距離平方和為最小的曲線（圖61）。函數(shù)稱為擬合 函數(shù)或最小二乘解，求擬合函數(shù)的方法稱為曲線擬合的最小二乘法。在曲線擬合中，函數(shù)類可有不同的選取方法. 主跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)識(shí)別這里所指的參數(shù)是一個(gè)廣義的概念，既包括參數(shù)誤差本身對(duì)應(yīng)的參數(shù)，還包括通過(guò)其他方式能夠參數(shù)化的施工誤差，參數(shù)調(diào)整以敏感性分析為基礎(chǔ)。對(duì)于懸澆與懸拼體系，影響撓度及預(yù)留拱度的參數(shù)雖然很多，但有些參數(shù)在施工中的變異相對(duì)卻是不大的。如一般情況下，施工過(guò)程中混凝土強(qiáng)度變異很小，其影響可以忽略。還有些參數(shù)，雖然變異很大，難以把握，但其影響可以通過(guò)某種方法濾除（如溫度），在此也不考慮。對(duì)于參數(shù)調(diào)整應(yīng)著重考慮的參數(shù)項(xiàng)有：①塊件重量；②有效預(yù)加力；③彈性模量；④混凝土收縮徐變；⑤合攏方式。對(duì)于這些參數(shù)如果在各施工階段能獲得其實(shí)際值，并將實(shí)際結(jié)果與原定理想狀態(tài)比較，就可以確定其調(diào)整量，下面分別進(jìn)行討論。（1）塊件重量塊件重量變異主要由施工截面尺寸偏差或漲模產(chǎn)生。為確定塊件實(shí)際重量，可預(yù)先在懸臂根部某截面II（距懸臂根部約h/2處，h為懸臂根部梁高）的箱梁頂?shù)装鍍?nèi)埋置應(yīng)力傳感器（見(jiàn)圖10）。圖10 塊件重量計(jì)算示意圖對(duì)于施工階段K，在塊件混凝土澆筑前后，觀測(cè)到II截面頂、底板的應(yīng)力變化量分別為 、令對(duì)應(yīng)于頂、底板應(yīng)力觀測(cè)值、的懸臂端塊件重量分別為、。其中：WS、WX——II截面頂、底板截面模量 L——塊件重心到截面II的距離塊件實(shí)際重量則為P=（Ps+Px）/2 （416）P=（）/2L （417）應(yīng)力計(jì)是根據(jù)變形轉(zhuǎn)換為應(yīng)力的工作原理研制的，因此量測(cè)的應(yīng)力值中會(huì)含有收縮、徐變的影響。但由于該項(xiàng)檢測(cè)可在混凝土澆筑前后完成，時(shí)間很短，其影響也很小，這樣確定的P，其精度取決于應(yīng)力傳感器與頻率測(cè)定儀的精度，而與溫度變化及混凝土收縮徐變關(guān)系不大。調(diào)整塊重的另一有效方法是進(jìn)行施工過(guò)程截面尺寸檢測(cè)。施工控制中塊重的調(diào)整方法為：隨后狀態(tài)計(jì)算時(shí)一律采用當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)際截面觀測(cè)值。（2）有效預(yù)加力這里有效預(yù)加力系指力筋束張拉后瞬時(shí)損失完成時(shí)的預(yù)加力。在理論上，若在預(yù)加力張拉前后觀測(cè)到II截面頂、底板應(yīng)力變化分別為、令對(duì)應(yīng)于觀測(cè)應(yīng)力、的II截面頂?shù)装宸此阌行ьA(yù)加力分別為、則 （418） （419）其中：WS，WX——截面模量； A——II截面面積； e——力筋束形心距II截面形心的距離。實(shí)際有效預(yù)應(yīng)力則為 （420）然而在施工中，有效預(yù)應(yīng)力量測(cè)值一般受影響較大。因此，實(shí)用的有效預(yù)加力調(diào)整還是通過(guò)引伸量及千斤頂油表雙控來(lái)實(shí)施。（3）彈性模量彈性模量是混凝土的物理參數(shù)，由規(guī)范或試驗(yàn)確定，但彈性模量的增長(zhǎng)往往滯后于混凝土強(qiáng)度，當(dāng)箱梁塊件施工周期較短時(shí)，對(duì)梁端撓度的影響非常大。確定混凝土彈性模量可以采用兩種方法來(lái)進(jìn)行。一種方法是試驗(yàn)，采集有代表性混凝土集料和水泥，通過(guò)加載試驗(yàn)確定彈性模量及其增長(zhǎng)規(guī)律。另一種方法是反算，可考慮在節(jié)段施工的某道工序前后（如混凝土澆筑或預(yù)加力張拉前后），觀測(cè)懸臂端的撓度變化值，根據(jù)工序施加的效應(yīng)與撓度變化之間的關(guān)系反算彈性模量，但這種方法很難得到滿意的精度，這是因?yàn)閾隙扔^測(cè)中含有混凝土收縮徐變的成分，另外還有溫度變化的干擾，相比之下，試驗(yàn)測(cè)定具有較好的可靠性，是一種可取的方法。（4）混凝土收縮徐變對(duì)于懸臂體系，主梁的混凝土收縮表現(xiàn)為水平位移，不影響主梁自身的撓度，只有墩身混凝土的收縮才使主梁產(chǎn)生向下的撓度，但墩身的齡期較長(zhǎng)，后期收縮量很小，因此對(duì)主梁撓度的影響也很小?；炷列熳儎t是主梁撓度的主要影響因素，必須認(rèn)真對(duì)待?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣，模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下的收縮徐變?cè)囼?yàn)結(jié)果來(lái)計(jì)算并得到主梁收縮和徐變撓度，將此撓度與計(jì)算的撓度比較可判定收縮、徐變誤差并借以確定參數(shù)調(diào)整量，具體而言，可對(duì)收縮、徐變系數(shù)引入一個(gè)綜合變異參數(shù)，先將觀測(cè)值平滑處理，再調(diào)整變異參數(shù)試算，反復(fù)試算即可確定變異參數(shù)調(diào)整量。在本橋的監(jiān)控過(guò)程中采用模擬實(shí)橋環(huán)境通過(guò)試驗(yàn)確定混凝土的收縮徐變系數(shù)。至于溫度和合龍次序修正，則在敏感性分析中已討論。（5）施工周期偏差實(shí)際的施工周期安排（包括箱梁塊件施工周期、總體工期）往往與施工圖設(shè)計(jì)時(shí)的模擬周期偏差較大，因此結(jié)構(gòu)變形（主要是撓度）也就不可避免地產(chǎn)生了偏差。（6）外荷載偏差主要是施工臨時(shí)荷載偏差，譬如大橋設(shè)計(jì)時(shí)模擬掛籃重和實(shí)際重量有偏差，同時(shí)掛籃長(zhǎng)度及支點(diǎn)和后錨點(diǎn)位置同時(shí)也有所變動(dòng)，需按實(shí)際調(diào)整。（7）掛籃彈性變形誤差掛籃在結(jié)構(gòu)分析計(jì)算一般采用一組外力進(jìn)行模擬，而其自身在施工過(guò)程中要產(chǎn)生一定的彈性變形和非彈性變形，施工前要通過(guò)外力加載法試驗(yàn)消除其非彈性變形，實(shí)測(cè)其彈性變形，并予以調(diào)整。無(wú)論采用前面討論的直接分析判定法還是參數(shù)識(shí)別法，都可以估計(jì)出參數(shù)誤差。根據(jù)參數(shù)誤差，就可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。用調(diào)整后的參數(shù)和修正后的結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行前進(jìn)與倒退分析，可得到各階段撓度及預(yù)留拱度的新的理想狀態(tài)，即隨后理想狀態(tài)，隨后理想狀態(tài)與原定理想狀態(tài)相比，更具有合理性。通過(guò)以上分析，可獲得塊件重量、預(yù)加力、彈性模量、徐變等項(xiàng)參數(shù)的變異量，但在對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，需要特別的謹(jǐn)慎，由于觀測(cè)誤差及觀測(cè)量與被確定量之間的關(guān)系誤差的存在，這些變異量不一定都是可靠的，為判定其可靠性，可將相鄰若干節(jié)段的參數(shù)及其變異情況聯(lián)系起來(lái)考慮。此外，反饋控制分析所進(jìn)行的預(yù)留拱度系統(tǒng)誤差估計(jì)得到的估計(jì)值也會(huì)對(duì)此判定提供很有益的幫助。因此，需要將這些信息綜合起來(lái)分析，最終才能確定出較為合理的變異量，據(jù)之進(jìn)行的調(diào)整才是合理的調(diào)整。 誤差調(diào)整（1）直接分析判定法上節(jié)討論的方法是從參數(shù)的間接觀測(cè)與實(shí)測(cè)入手，通過(guò)人工分析逐個(gè)確定實(shí)際參數(shù)。這種方法對(duì)塊件重量與預(yù)加力兩項(xiàng)重要參數(shù)借助于應(yīng)力觀測(cè)來(lái)反算，由于應(yīng)力是從應(yīng)變轉(zhuǎn)換而來(lái)的，其值仍受到溫度及混凝土收縮徐變的影響，但由于上述兩項(xiàng)觀測(cè)可在很短的時(shí)間內(nèi)完成，因此觀測(cè)量仍具有較好的可靠性，缺點(diǎn)是分析判定量大，使用不夠方便。（2）參數(shù)識(shí)別法對(duì)于懸澆與懸拼體系的控制，可以采用參數(shù)識(shí)別法，應(yīng)用最小二乘原理對(duì)該參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。如果在某一施工階段測(cè)得主梁懸臂端m個(gè)節(jié)段的撓度為S=[S（1），S（2），…，S（m）]T設(shè)原定理想狀態(tài)的理論計(jì)算撓度為 μ=[μ（1），μ（2），…，μ（m）]T則有誤差向量Y=[Y（1），Y（2），…，Y（m）]TY=μS （421）若記待識(shí)別的參數(shù)誤差為θ=[θ（1），θ（2），…，θ（n）]Tn為參數(shù)誤差識(shí)別的項(xiàng)數(shù)由θ引起的各節(jié)段撓度誤差為γ=[γ（1），γ（2），…，γ（m）]Tγ=Φθ （422）其中Φ為參數(shù)誤差θ到γ的線性變換矩陣，由結(jié)構(gòu)性能給定。殘差ε=Yγ=YΦθ （423）Y=Φθ+ε （424）方差 V=εTε =（Yγ）T（Yγ） =（YΦθ）T（YΦθ） =YTYYTΦθθTΦY+θTΦTΦθ （425）將上式配成完全平方的形式V=（θ（ΦTΦ）1ΦTY）TΦTΦ（θ（ΦTΦ）1ΦTY） +YTYYTΦ（ΦTΦ）1ΦTY ≥YTYYTΦ（ΦTΦ）1ΦTY當(dāng)θ（ΦTΦ）1ΦTY=0時(shí)，上述不等式中的等號(hào)成立，此時(shí)V達(dá)到最小，因此θ的最小二乘估計(jì)為 （426）引入加權(quán)矩陣有 （427）在實(shí)際應(yīng)用中，可預(yù)先計(jì)算Φ，定義ρ，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)S，由（417）式得到Y(jié)，最后由（423）式得到誤差參數(shù)估計(jì)值。這種方法雖然方便，但線性變換陣Φ的因子很難充分合理地給出，這是因?yàn)閾隙鹊挠行┯绊懸蛩兀ㄈ缁炷列熳?、預(yù)加力損失等）本身又受多種因素影響，這些因素難以充分合理地參數(shù)化，因此矩陣Φ中不可避免會(huì)含有較大的誤差，這些誤差必然會(huì)影響到參數(shù)估計(jì)值?；谶@些分析，由此得到的參數(shù)誤差估計(jì)值，也必須經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析判定并與預(yù)測(cè)理論對(duì)比后才能采用。 有限元分析計(jì)算模型的優(yōu)化大跨徑連續(xù)梁橋的施工控制是一個(gè)施工→量測(cè)→識(shí)別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過(guò)程。施工控制的最基本要求是確保施工中結(jié)構(gòu)的安全，其次必須保證結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。由于在施工控制中，同樣會(huì)受到或多或少的噪聲干擾，需要用濾波的方法，從被噪聲污染的狀態(tài)中估計(jì)出真實(shí)的狀態(tài)。同時(shí)，為了達(dá)到施工控制的最基本要求，也即它的最優(yōu)性能指標(biāo)，就必須遵循最優(yōu)控制規(guī)律，組成隨機(jī)最優(yōu)控制系統(tǒng)，進(jìn)行分析、調(diào)整、預(yù)測(cè)。本橋運(yùn)用工程控制論的思想，采用最優(yōu)控制理論與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的技術(shù)，將主橋成橋線形和施工期結(jié)構(gòu)變位狀態(tài)，作為線性離散、確定性動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)最優(yōu)控制的對(duì)象，建立隨機(jī)的數(shù)學(xué)模型和性能指標(biāo)，用誤差分析的思想，從被噪聲污染的狀態(tài)中估計(jì)出真實(shí)的狀態(tài)，并用估計(jì)出來(lái)的狀態(tài)變量，按確定性的最優(yōu)控制規(guī)律構(gòu)成閉環(huán)狀態(tài)反饋系統(tǒng)，求出最優(yōu)控制變量值，不斷對(duì)各階段進(jìn)行調(diào)整、控制，最終達(dá)到隨機(jī)最優(yōu)控制的目的。 穩(wěn)定性分析結(jié)合本橋的施工方案和施工方法，采用Midas分析軟件對(duì)不同施工階段時(shí)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，防止異常情況下的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果及時(shí)向施工單位及監(jiān)理工程師發(fā)出書面通知，并提出相應(yīng)的整改措施。 掛籃設(shè)計(jì)安全評(píng)估及靜載試驗(yàn)：掛籃是大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行懸臂施工的主要設(shè)備，為此應(yīng)對(duì)掛籃進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析、變形驗(yàn)算以及穩(wěn)定性分析，確保安全及變形滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。本次掛籃驗(yàn)算采用Midas結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行