基于无迹卡尔曼滤波的超高墩垂直度预测及控制方法.pdf

中文摘要 摘 要 目前，超高墩连续刚构桥在我国西南山区屡见不鲜，施工过程中超高墩的垂直 度控制是整个桥梁建设中的关键环节，垂直度控制好坏直接影响桥墩的受力状态， 甚至影响整个桥梁结构的内力分布。当前，对于超高墩垂直度影响因素的研究较为 单一，大多数只是针对一种或两种影响因素进行理论分析，缺乏对初始缺陷、日照 温差、风荷载等因素的综合考虑，致使在施工过程中很难对桥墩垂直度进行准确的 动态控制；常用的预偏置法等垂直度控制方法较为简单，控制过程中立模指标不明 确，存在纠偏量不足或纠偏量过大等问题，导致桥墩施工质量不佳，甚至无法满足 规范要求。针对以上问题，提出一种新的超高墩垂直度施工控制方法，通过理论推 导得出超高墩偏位理论公式，基于无迹卡尔曼滤波原理构建超高墩垂直度控制方 法，可大幅降低人为误差、测量误差等对桥墩节段浇筑立模坐标的影响，从而准确 控制超高桥墩的垂直度，为连续刚构桥超高墩施工控制提供新的技术方法和手段。 本文的主要研究内容及结论如下： ① 分别分析初始几何缺陷、风荷载和日照温度荷载对超高墩偏位的影响规律。 在考虑几何非线性的前提下，利用有限元软件 Midas 分析初始缺陷对超高墩垂直 度的影响并作出定性的判断结果；其次，通过等效静力风荷载的方式建立平衡微分 方程，推导出风荷载影响下超高墩偏位公式，并利用实测数据进行定量分析；最后， 研究截面日照温差对超高墩偏位的影响规律，针对线性温差和非线性温差两种不 同的温差梯度模式，分别推导超高墩偏位公式并进行对比。 ② 推导综合因素影响下超高墩偏位理论公式。为了综合考虑初始缺陷、风荷 载和截面温差的影响，将风荷载静力等效，且将线性日照温差所形成的墩体线型与 初始缺陷结合并将桥墩简化成一端固定一端自由的力学模型，基于力学原理推导 出综合因素影响下超高墩的偏位公式，为超高墩垂直度施工控制奠定理论基础。 ③ 基于无迹卡尔曼滤波建立超高墩垂直度控制方法。基于超高墩偏位理论公 式建立状态空间方程，将桥墩高度视为状态量，桥墩偏位视为观测量，每一节段的 施工高度视为控制量，温度、风速等作为输入量，从而将超高墩施工过程赋予非线 性动态系统的概念，并引入无迹卡尔曼滤波技术构建超高墩垂直度施工控制方法。 ④ 将所提垂直度施工控制方法应用于贵州复兴特大桥的超高桥墩施工中。实 践表明，墩身最大偏位仅为6mm，远小于规范规定，收到了良好的控制效果。 关键词：连续刚构桥；超高墩；垂直度；施工控制；无迹卡尔曼滤波；偏位值预测 I 英文摘要 Abstract At present, the ultra-high pier continuous rigid frame bridge is not uncommon in the southwestern mountainous areas of China.The verticality control of ultra-high piers during construction is a key link in the construction of the entire bridge.The verticality control directly affects the stress state of the pier and even affects the internal force distribution of the entire bridge structure.At present, the research on the factors affecting the verticality of ultra-high piers is relatively simple. Most of them only theoretically analyze one or two influencing factors, and lack comprehensive