基于機器學習的大跨度拱橋懸臂澆筑施工技術研究

鄭宋旭，林木景

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

0 引言

橋梁施工受周圍環(huán)境變化、材料性能差異、臨時施工荷載變化等因素影響，若這些影響未能及時有效消除，會導致結(jié)構實際狀態(tài)與目標狀態(tài)產(chǎn)生較大差異，從而危及施工安全。大跨度拱橋施工過程中，常因支架拱橋的限制導致定位距離過大，懸臂澆筑過程中常存在標記點遺漏現(xiàn)象，使施工路線迂回，延長工程周期。為解決這一問題，在進行拱橋施工中引入了無支架技術，即通過懸臂扣掛技術進行混凝土澆筑，減少高空橋梁對模板的重度依賴[1]。將懸臂澆筑施工技術應用在大跨度拱橋中，主要是采用斜拉索錨固掛籃法確定澆筑點位，保證整個拱橋的主拱施工中呈現(xiàn)出拉索式的支撐結(jié)構體系。

為促使大跨度拱橋在施工中減少自身重力，將拱橋以主拱圈作為基準點，使用高強混凝土的單箱雙室結(jié)構作為截面，增厚承受應力較大的拱腳。但在實際施工中，拱橋存在部分的受力體系轉(zhuǎn)換，采用原有應用方式無法進行精準定位，造成施工過程中的安全隱患問題越來越嚴重，建造工期不斷延長，因此，對應用技術的改良是現(xiàn)階段拱橋施工的重點問題[2]。本文引入機器學習方式改進施工方法，研究基于機器學習的大跨度拱橋懸臂澆筑技術施工方法，為恢復拱橋的競爭力提供理論支持，使其能夠在規(guī)定周期內(nèi)完成標準化施工。

1 大跨度拱橋懸臂澆筑施工技術

懸臂桁架澆筑法是將主拱圈、拱上立柱、橋面板齊頭并進，邊澆筑邊構成桁架發(fā)揮效應，施工時用預應力鋼筋或鋼絞線作為桁架的臨時斜拉桿。橋面板的臨時明索用拉桿或橋面梁錨固于臺后的巖盤上，向河中懸臂施工，最終實現(xiàn)橋體拱頂合龍。懸臂澆筑施工技術主要是在橋墩左右兩側(cè)設置工作平臺，利用兩個可以獨立行走的掛籃在已張拉錨固且與墩身形成整體的梁段上平衡向跨中懸臂澆筑水泥混凝土，并逐段綁扎鋼筋、立模及施加預應力，直至懸臂梁段澆筑完成的施工方法。

1.1 零位移法設計大跨度拱橋施工軸線

從施工角度來講，此類結(jié)構是一種扣塔-斜拉索-曲梁的組合體系，其施工張力主要受控制于拉索張力，可以直接通過斜拉索的自身攜帶張力，進行施工的承載受力[3]。但斜拉索只作為臨時索，并沒有成橋索力，在實際拱橋懸臂澆筑施工過程中會存在成拱索力，需要將其索力與拱橋節(jié)段進行平衡力設定，使拱段上所有的索扣點位置均處于同一水平線，引入零位移法設計大跨度拱橋施工拱軸線。

零位移法即保證拉索和拱段的錨固點，位移量控制在零距離，使約束反力的條件也為零，在拉力索的各個平面方向上呈現(xiàn)平衡力。其主要將拱圈的線形作為控制目標，參考拱圈的截面應力，進行多條拉線索的索扣定位，可以直接通過軸線位置進行拉線索的順序調(diào)整和數(shù)量排放[4]。定位軸線設計過程中，可以根據(jù)各個扣索的縮放長度進行倒推分析，依靠扣索自身的彈性拉伸長度選擇拱段的長短，使其能夠在同一水平線上完成施工。在扣索定長過程中要確定拱段的高程，根據(jù)其自身拉伸張力反應拉索的應力，直接用應力檢測儀進行階段測量，保證在零位移的基礎上進行軸線布置。通過拱段中各個施工節(jié)點的依次布置，在帶有一定曲率的變截面橋梁中也會存在反向約束力，仍以零位移法進行水平和豎向的反力增量測量。

1.2 基于機器學習構建懸臂澆筑定點模型

根據(jù)懸臂澆筑法施工的大跨度RC 拱橋受力特點，選取可能發(fā)生并會對結(jié)構實際狀態(tài)產(chǎn)生較大影響的結(jié)構參數(shù)，根據(jù)施工控制經(jīng)驗確定各結(jié)構參數(shù)變化范圍。利用梁單元模擬主拱圈、交界墩、立柱、臨時塔架及錨箱，利用僅受拉的桁架單元模擬扣錨索；利用節(jié)點集中力模擬掛籃、橫隔板荷載。拱圈與立柱通過設置剛性連接模擬，扣點與塔架、錨點與塔架之間采用彈性連接模擬，拱腳、錨索約束條件采用固結(jié)。計算時僅變化單一參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，計算在各參數(shù)影響下拱圈截面應力、拱圈線形、扣索索力、塔架偏位等結(jié)構行為的變化情況，選出對結(jié)構行為產(chǎn)生較大影響的參數(shù)，確定主要敏感性參數(shù)，從而在懸澆過程中對各主要敏感性參數(shù)進行有效識別、分析、控制。

沿拉索的拉力變化方向完成吊裝，使拱段的線性軸線也符合施工要求，在機器學習的技術下進行懸臂澆筑的定點模型構建，完成施工方向上的點位設計[5]。機器學習包含的計算方式有很多，此次選擇最小二乘支持向量機原理構建模型，保證在最小風險原則下選擇各個澆筑施工點的定位。將施工方案中涉及的澆筑點位置設置為一個向量集合，用W表示，在其中包含實際施工點位和參考施工點位，利用最小二乘法進行統(tǒng)計學習，以原始點位設定作為數(shù)量樣本。在每次訓練過程中每個實例均包含一個目標值和相關屬性，即輸出變量QE和輸入變量PE。其中，E= 1,2,...,L，輸入變量和輸出變量均屬于TI，T表示一維向量空間，TI表示I維向量空間[6]。通過多次訓練擬合一個代理定點集合[QE,PE]，反映每組集合之間的輸出和輸入關系，分別設置模型中的最小化和限制條件，表達式為：

式（1）～（2）中：G為澆筑點的可調(diào)整權重向量；V為定點偏差向量；H為在訓練定位過程中存在的誤差向量，其中HE為擬合的誤差向量元素；γ為正規(guī)化常數(shù)；為澆筑點的定位誤差總和。在反復確定正規(guī)化常數(shù)和核心常數(shù)η中，能夠產(chǎn)生局部定點的最小值，以此尋找定點的最優(yōu)解目標，將其設置為澆筑點位置，完成懸臂澆筑施工[7]。

1.3 對角拉索式分段完成懸臂澆筑施工

澆筑過程中可以選擇對角拉索形式分段處理拱橋，即在橋體成拱形結(jié)構前，兩岸主拱和拱橋之間的上梁與橋面板都能夠通過和臨時斜拉索組成的懸臂結(jié)構或桁架橋構件，完成懸臂桁架法澆筑施工。其中，大跨度拱橋的主拱為下弦桿，基本在豎向腹柱結(jié)構拱的支撐下?lián)斨黧w受力，對其采用高強度混凝土材料，以確保在澆筑完成后的自身承受壓力能夠達到設計使用標準。而橋面板和斜向腹梁則作為上弦柱，受力程度基本依靠拉繩硬度，因此需要使用鋼梁和鋼絞線。設定拱橋的施工順序，按照設定標準依次進行有序循環(huán)，在每相鄰支柱中間段完成施工后進行一次循環(huán)。

首次澆筑拱橋的橋臺基礎，并通過打錨索方法固定拉索和路臺基礎，以確保在主拱橋懸臂式結(jié)構澆筑施工中的平衡，同時降低了橋面鋼板對路臺的抗拉強度[8]。在路臺基礎澆筑完成后，再進行兩端的基礎施工，分別將橋梁兩端的橋座和拱座進行基礎澆筑施工，并安置吊籃以進行主拱橋的懸臂式結(jié)構桁架基礎施工。每拱段均被分為三個節(jié)段，每個節(jié)段長度為6m，在掛籃自身移動至下一個階段位置后布置拉索和鋼筋。對角拉索安裝完畢后設定張拉角度，鋼橋面板要在旋轉(zhuǎn)180°后才能進行就位安裝，并用強應力螺栓固定[9]。至此在零位移法和機器學習方式基礎上，構建懸臂澆筑定點模型，選擇對角拉索式分段進行懸臂澆筑施工，完成大跨度拱橋懸臂澆筑施工技術的應用方法設計。

2 實驗測試與分析

為驗證此次設計的方法具有實際應用效果，采用實驗測試的方法進行論證。結(jié)合某省木蓬特大拱橋，將其建造思路和設計方案上傳至MATLAB 測試平臺，應用本文方法進行施工模擬，整個設計按原有設定對比工程的施工周期。其橋跨結(jié)構形式為1×26m+1×34m+（52+90+52）m連續(xù)梁+10×34m+2×26m+（34+52+34）m連續(xù)梁+5×34m，橋孔布置為52～34m，全長為4 200m，總工期為24 個月。該工程主要選擇懸臂澆筑法，配合兩岸矩形空心橋臺（含六個墩高超過30m 的圓形空心墩）支持下的碗扣式滿堂腳手架現(xiàn)澆法施工。懸臂澆筑段掛籃形式為菱形，中跨合龍段、邊跨合龍段分別采用一側(cè)掛籃懸空吊架法、掛籃+碗扣式滿堂腳手架現(xiàn)澆法，需要分別采用先合龍邊跨后合龍中跨、先合龍中跨后合龍邊跨的施工方法。此次大橋的設計荷載為一級公路設置，行駛車速為95km/h，橋面橫截面坡度為15～30°，橋梁跨徑組合梁箱為T 字結(jié)構，拱軸系數(shù)為2.025。對大橋的總體布置進行分段設定，具體如表1所示。

表1 木蓬特大拱橋分段長度設計標準 單位：m

根據(jù)表1可知，在拱橋兩端分別設置起點樁號和終點樁號，線路全長約為420m，兩個樁號之間均勻劃分為8 個階段。標記每個拱橋分段的長度和高度，應用本文方法進行施工，按照設定的順序進行階段澆筑。在對整體拱橋施工中需要保證索扣的位置排列，主要是防止趕工期而產(chǎn)生工程問題。由于大跨度拱橋?qū)ψ冃蔚囊蠛芨?，在施工結(jié)束后測量每個拱段的連接應力，直接采用專業(yè)橋梁測試儀進行檢查，每個拱段的應力要求都符合施工標準，說明本文方法能夠投入正常施工。在符合橋梁的應力測試標準后，統(tǒng)計每個橋段的施工時間，與原有施工方法所用的時間進行對比，具體如表2所示。

表2 不同方法下橋段施工時間對比結(jié)果 單位：d

如表2所示，在本文方法應用下懸臂澆筑技術的整體施工時間較為均等，每個橋段所用時間波動不大，總計用時1 個月，而傳統(tǒng)方法下每個橋段的用時不統(tǒng)一，總計用時超過三個月。綜合實驗結(jié)果可知：本次設計的方法能夠保證懸臂澆筑技術的施工標準，在符合大跨度拱橋的使用負荷下，比傳統(tǒng)方法縮短了建造工期。

3 結(jié)語

本文在分析懸臂澆筑技術施工要點的基礎上，通過機器學習方式重新設計一個施工技術應用方法，為減少建造工期提供理論指導。研究結(jié)果表明：在本文方法應用下，能夠?qū)x擇的施工段進行工期控制，比傳統(tǒng)方法縮短了兩個月，具有實際應用效果。但由于時間限制，在進行測試過程中只對整個拱橋的施工進行測試，所得結(jié)果具有一定偏差。后續(xù)研究中應分類處理施工階段，為實現(xiàn)建造周期控制提供更加科學的依據(jù)。