摘要：以广州轨道交通4号线沙湾大桥为研究背景，对该桥进行有限元结构分析。编写BP神经网络程序对施工控制的立模标高进行预测，为同类桥梁的施工控制提供参考。通过静动载的测试和有限元计算的分析和对比，对该桥性能作出评价，满足设计要求。
关键词：连续刚构桥梁；有限元模型；施工控制；动静载试验
Abstract: the guangzhou rail transit line 4 as the research background, cheung sha wan bridge and to simulate the finite element analysis. Write the BP neural network program to the construction control of the vertical mold elevation to carry on the forecast, for the same bridge construction control to provide the reference. Through the static dynamic load test and finite element analysis and comparison, the bridge to evaluate performance, meet the design requirements.
Keywords: continuous rigid frame bridge; The finite element model. Construction control; Static load test
中图分类号： K928 文献标识码：A 文章编号：
连续刚构桥在悬臂节段施工中将受到许多复杂因素的影响，导致其结构的实际状态偏离理想状态，有必要采用合理的分析理论和计算方法来进行施工控制，达到合理的成桥状态[1]。通过荷载试验测试桥梁的结构受力性能，判断桥梁结构的实际承载能力和施工质量 [2]。
1工程概况
广州地铁沙湾大桥跨越番禺区沙湾水道，上部结构采用（70＋2×120+70）m四跨变截面连续刚构桥型。梁体采用C50混凝土，三向预应力体系，单箱单室斜腹板截面，中支点梁高6.5m，边支点及跨中梁高3.5m，翼沿悬臂1.2m，顶板25cm，底板变厚度，中墩支座厚80cm，梁端支座厚50cm，跨中厚30cm。中墩支座腹板厚75cm，梁端60cm，其余均为45cm。大桥采用挂篮悬臂浇筑法施工，共分14个节段，其中0号块采用支架施工，1-14号节段采用挂篮悬臂浇筑，边跨9m段采用满堂支架。
2 结构有限元计算分析
沙湾大桥有限元模型根据施工过程按61个计算步骤进行仿真分析，T构悬臂施工共14个周期，每个周期简化模拟为挂篮反力前移阶段、混凝土浇筑阶段及预应力束张拉等3个阶段，计算模型如图1所示。主桥全桥共有187个节点，170个单元。模型所考虑荷载：1、自重：各梁段、挂篮自重及施工设备和材料的重力，施工荷载，二期恒载等。2、基础不均匀沉降：边墩5 mm，中墩10 mm。3、温度荷载：升降温按士15℃，上下缘温差按士8℃考虑。4、风荷载： ，5、混凝土的收缩徐变（时间为1000 天）。
图1 沙湾大桥有限元模型
3施工线形与应力控制
3.1 线形预测与控制
通过采用BP神经网络预测标高偏差，对分析系统误差作出判定，即时修正施工计算参数，作为新的理想状态进行施工仿真，控制合理施工预拱度。施工阶段立模标高：箱梁顶面设计标高， ：施工阶段计算预拱度； ：实验测试挂蓝变形值， ：误差调整值。
对实测状态（当前梁段各工序挠度变化）与原定理想状态（原计算挠度状态）进行对比分析，张拉预应力束产生的挠度的实测与理论值偏差较大，由于实际预应力束长度、孔道摩阻损失、空间位置等原因引起。因此进行BP神经网络训练主要考虑6个主要的因素作为输入参数：即混凝土的弹性模量、测量温度、节段加载龄期、理论计算浇筑混凝土标高变化和张拉预应力前后的标高变化，截面距墩顶中心的距离[3,4]。样本的期望输出为张拉预应力产生的上挠度。编写神经网络程序由matlab下的神经网络工具箱来实现。选用前6个节段施工的实测数据作为样本，训练BP神经网络。通过训练好的BP网络，输入截面参数，即可获得预测张拉预应力产生的上挠值。BP网络预测与实测结果较为吻合如表1所示。悬臂施工各个阶段挠度控制如下图2所示，合拢精度小里程、大里程中跨为1.1cm，1.4cm，成桥线形达到较为理想效果。
表1 张拉各阶段预测值与实测上挠值（mm）
图2 T构施工阶段挠度实测与理论值
3.2 应力监测
应力监控采用钢弦式应变计进行测试，T构0号块、L/4、L/2、及合拢段作为应变监测控制截面，实测应变主要由荷载的弹性应变、混凝土收缩徐变、温度、混凝土强度、施工误差等影响，因此所测应变需修正[5,6]。T构墩顶截面通过剔除混凝土收缩徐变与温度影响的应力实测值与理论计算值如图3所示，两者较为吻合，能有效消除实测值的非应力应变，控制合理的成桥内力。
图3 0#块悬臂施工上缘理论与实测应力值
4荷载试验研究
4.2静载实验研究
试验荷载大小和加载位置采用静载试验效率 控制。 ：试验荷载作用下的控制截面内力计算值； ：设计荷载标准作用下控制截面最不利内力计算值； ：冲击系数。 可采用0.8～1.05。应用内力包络图有限元计算方法，通过 ，即截面最大弯矩与截面的抗弯刚度比值判定结构受力薄弱截面[9]。本文采用MIDAS有限元程序计算内力包络图，参数 ，选取中跨跨中截面最大弯矩、边跨跨中截面最大弯矩和边跨3/L最大负弯矩的偏载和对称加载等六个工况实验。
实验加载列车共2列，列车组成为1台轨道车带3台平板车（轨道车轴重约为125kN，平板车轴重为110kN）在各跨控制截面对称布置应变测点：顶板5个，梁底3个，腹板4个（测点为施工监控埋设在箱梁内的应变测点）。在边、中跨各支座截面、跨中、L/4、3L/4，及相邻跨中点左右两侧对称布置挠度测点。限于篇幅，介绍中跨跨中截面最大弯矩实验工况。在最不利荷载作用下,实测挠度、应力如表2，3所示。在最不利荷载作用下最大静挠度23.65mm，满足铁路桥梁检定规范L/1800限值要求。卸载后相对残余变位小于0.2，未发现有裂缝开展且试验荷载作用下应力、挠度校验系数 ，说明该桥强度和刚度满足要求，有较大承载力储备。
表2工况六挠度测试成果表（mm）
表3工况六中跨跨中截面应变测试成果表（ ）
4.2动载实验研究
桥梁环境随机振动、行车试验，通过在各跨跨中，四分之一跨等控制截面布置941B型拾振器，获得各个测点加速度与位移时程曲线，经相应的放大器放大后，进入INV306振动分析仪直接进行采集并记录，可实时在电脑上观察采集的时程曲线。
图4测点脉动加速度时间历程曲线
表4振动频率实测及理论结果 （Hz）
频率阶次 实测值 理论计算值
竖向一阶 1.257 1.206
横向一阶 1.509 1.312
行车实验按照轨道车辆以10¬―80km/h等不同的车速行驶，部分不同车速下的位移幅值如表5所示。随着行车速度的增加，各跨跨中竖向动位移响应呈现增加趋势；所测各跨竖向、横桥向最大振幅为分别0.703mm、1.088mm，远小于铁路桥梁检定规范横向振幅行车安全限值规定，满足规范要求。
表5行车动位移测试结果（mm）
5结论
1、施工控制过程中运用BP神经网络预测立模标高偏差，判定系统误差，通过修正计算参数。
2、静动载试验测试与理论分析的各项力学性能指标较为符合，其应变、挠度检验系数，行车振幅，固有振动频率等各项指标均达到承载能力检定规范要求，有足够安全储备。
参考文献
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