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一种基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法

申请号 CN202311718040.5 申请日 2023-12-14 公开(公告)号 CN117513194A 公开(公告)日 2024-02-06
申请人 中交第二航务工程局有限公司; 发明人 周浩; 黄灿; 郑建新; 朱浩; 朱金柱; 代百华; 谢波; 孙南昌; 陈圆; 李焜耀;
摘要 本 发明 公开了一种基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,从 桥梁 全寿命期的结构状态演变的 角 度出发,通过对桥梁设计‑新建‑运营‑拆除等关键阶段的连续分析解决了旧桥结构真实状态难以确定等问题,以数据驱动 质量 的理念,通过建立结构相应自动化监测系统以及旧桥拆除施工控制辅助决策机制,解决了旧桥参数识别以及行为预测等关键难题,同时通过最优化理论实现了桥梁拆除过程中偏差最优控制。
权利要求

1.一种基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、从桥梁全寿命期的结构状态演变出发,桥梁全寿命期包括桥梁设计、新建、运营和旧桥拆除四个关键阶段,结合桥梁的设计及新建方案,建立桥梁的理论成桥状态模型;
S2、于运营阶段监测桥梁实际状态,对理论成桥状态模型进行修正,得到旧桥拆除前的实际状态模型;
S3、设置旧桥拆除施工方案,结合旧桥拆除前的实际状态模型得到旧桥拆除理论分析模型;
S4、根据待拆桥梁的构造特点及学特性分析确定需关注的结构响应,对旧桥结构划分子结构,并通过参数敏感性分析确定所有子结构中影响结构响应的关键的结构参数,以旧桥拆除理论分析模型为基础进行训练,建立子结构参数识别模型和子结构行为预测模型,子结构参数识别模型以结构响应为输入、结构参数为输出,子结构行为预测模型以结构参数为输入、结构响应的输出;
S5、建立子结构响应自动化监测系统,以对子结构的结构响应数据进行监测;
S6、建立旧桥拆除施工辅助决策机制,在当前拆除施工阶段中,通过子结构参数识别模型确定真实影响当前子结构的结构响应的结构参数,再通过子结构行为预测模型预测,分析后续拆除施工阶段中结构响应的预测值,若预测值影响到结构施工安全时,调整旧桥拆除对应的施工措施,以保证拆除阶段结构安全性。
2.如权利要求1所述的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,其特征在于,在步骤S2中,需修正的参数包括材料强度与弹性模量、预应力束有效预应力、预应力钢束锚固长度和传递长度、结构真实几何尺寸、混凝土箱梁刚度及重量、结构损伤情况。
3.如权利要求2所述的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,其特征在于,在步骤S4中,确定需关注的结构响应后,以各子结构为研究对象,采用旧桥拆除理论分析模型进行仿真分析得到学习样本,通过正交试验得到训练集,通过训练得到子结构参数识别模型和子结构行为预测模型。
4.如权利要求3所述的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,其特征在于,在训练前,将待识别的结构参数或待预测的结构响应按理论值变化±10%进行取值,通过旧桥拆除理论分析模型进行仿真分析,得到对应的结构响应或结构参数的变化情况,进行归一化处理后得到学习样本,通过正交试验得到训练集,采用Bayes网络建立子结构参数识别模型和子结构行为预测模型。
5.如权利要求1所述的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,其特征在于,在步骤S5中,所述子结构响应自动化监测系统包括传感器检测组、数据采集传输模服务器,传感器检测组对应每个步骤S4中确定的结构响应分别对应设置一组,每组传感器将监测数据通过数据采集传输模块采用无线通信的方式传输给云端服务器,通过云端服务器建立各子结构相应的实测值数据库
6.如权利要求5所述的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,其特征在于,在步骤S6中,设置有与所述实测值数据库连接的旧桥拆除施工辅助决策系统,旧桥拆除施工辅助决策系统中设置最优化分析模块,旧桥拆除施工辅助决策系统调取所述实测值数据库中存储的监测数据,以所述子结构参数识别模型和所述子结构行为预测模型为基础,通过所述所述子结构参数识别模型响应误差识别得到真实关键参数,通过所述子结构行为预测模型代入真实关键参数得到后续施工阶段的结构响应的预测值,判断预测值是否影响结构施工安全性,若影响响结构施工安全性,则最优化分析模块借助所述子结构行为预测模型确定参数最优调整范围,根据参数最优调整范围调整旧桥拆除对应的施工措施。
7.如权利要求1所述的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,其特征在于,步骤S6中调整的施工措施包括调整拆除梁段的梁长,局部加固、预应力拆除时机调整以及自锚效应修正。

说明书全文

一种基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法

技术领域

[0001] 本发明涉及桥梁施工技术领域。更具体地说,本发明涉及一种基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法。

背景技术

[0002] 我国在上世纪90年代修建的部分桥梁受当时勘察设计标准不完善、施工平较低,桥梁服役后超负荷运营以及桥梁养护不到位等因素的影响,在服役超过30年后面临着
因出现严重病害导致无法继续服役而必须拆除重建的情况,同时,按我国相关的桥梁设计
规范,桥梁按照50年或者100年的寿命进行设计,桥梁在达到设计周期后均面临着加固或者
拆除重建的情况,因此有必要针对旧桥拆除施工进行研究。
[0003] 桥梁施工监控作为保障桥梁施工过程安全以及质量的重要手段,已经在行业内获得了广泛的认可。目前,桥梁施工监控的研究大部分集中在新建桥梁,对于旧桥的拆除涉及
较少,已有的部分旧桥拆除施工监控也是按照新建桥梁施工监控的思路进行。相较于新桥,
旧桥由于经过运营以及养护等阶段后,能够反映桥梁结构学状态的各关键参数与理论值
有较大差距,并且,在上述监控过程涉及到大量的数据采集与分析,传统的施工监控理论难
以实现如此大量且复杂的数据分析,因此,有必要研究出一种适合指导旧桥拆除的施工监
控方法。

发明内容

[0004] 本发明的一个目的是解决至少上述问题,并提供至少后面将说明的优点。
[0005] 本发明还有一个目的是提供一种基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,以解决现有技术中对旧桥拆除的施工监控方案与旧桥实际状态存在明显差异、而不利于确保拆除
施工安全的技术问题。
[0006] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了一种基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,包括如下步骤:
[0007] S1、从桥梁全寿命期的结构状态演变出发,桥梁全寿命期包括桥梁设计、新建、运营和旧桥拆除四个关键阶段,结合桥梁的设计及新建方案,建立桥梁的理论成桥状态模型;
[0008] S2、于运营阶段监测桥梁实际状态,对理论成桥状态模型进行修正,得到旧桥拆除前的实际状态模型;
[0009] S3、设置旧桥拆除施工方案,结合旧桥拆除前的实际状态模型得到旧桥拆除理论分析模型;
[0010] S4、根据待拆桥梁的构造特点及力学特性分析确定需关注的结构响应,对旧桥结构划分子结构,并通过参数敏感性分析确定所有子结构中影响结构响应的关键的结构参
数,以旧桥拆除理论分析模型为基础进行训练,建立子结构参数识别模型和子结构行为预
测模型,子结构参数识别模型以结构响应为输入、结构参数为输出,子结构行为预测模型
结构参数为输入、结构响应的输出;
[0011] S5、建立子结构响应自动化监测系统,以对子结构的结构响应数据进行监测;
[0012] S6、建立旧桥拆除施工辅助决策机制,在当前拆除施工阶段中,通过子结构参数识别模型确定真实影响当前子结构的结构响应的结构参数,再通过子结构行为预测模型预
测,分析后续拆除施工阶段中结构响应的预测值,若预测值影响到结构施工安全时,调整旧
桥拆除对应的施工措施,以保证拆除阶段结构安全性
[0013] 优选的是,在步骤S2中,需修正的参数包括材料强度与弹性模量、预应力束有效预应力、预应力钢束锚固长度和传递长度、结构真实几何尺寸、混凝土箱梁刚度及重量、结
构损伤情况。
[0014] 优选的是,在步骤S4中,确定需关注的结构响应后,以各子结构为研究对象,采用旧桥拆除理论分析模型进行仿真分析得到学习样本,通过正交试验得到训练集,通过训练
得到子结构参数识别模型和子结构行为预测模型。
[0015] 优选的是,在训练前,将待识别的结构参数或待预测的结构响应按理论值变化±10%进行取值,通过旧桥拆除理论分析模型进行仿真分析,得到对应的结构响应或结构参
数的变化情况,进行归一化处理后得到学习样本,通过正交试验得到训练集,采用Bayes网
络建立子结构参数识别模型和子结构行为预测模型。
[0016] 优选的是,在步骤S5中,所述子结构响应自动化监测系统包括传感器检测组、数据采集传输模服务器,传感器检测组对应每个步骤S4中确定的结构响应分别对应设
置一组,每组传感器将监测数据通过数据采集传输模块采用无线通信的方式传输给云端服
务器,通过云端服务器建立各子结构相应的实测值数据库
[0017] 优选的是,在步骤S6中,设置有与所述实测值数据库连接的旧桥拆除施工辅助决策系统,旧桥拆除施工辅助决策系统中设置最优化分析模块,旧桥拆除施工辅助决策系统
调取所述实测值数据库中存储的监测数据,以所述子结构参数识别模型和所述子结构行为
预测模型为基础,通过所述所述子结构参数识别模型响应误差识别得到真实关键参数,通
过所述子结构行为预测模型代入真实关键参数得到后续施工阶段的结构响应的预测值,判
断预测值是否影响结构施工安全性,若影响响结构施工安全性,则最优化分析模块借助所
述子结构行为预测模型确定参数最优调整范围,根据参数最优调整范围调整旧桥拆除对应
的施工措施。
[0018] 优选的是,步骤S6中调整的施工措施包括调整拆除梁段的梁长,局部加固、预应力拆除时机调整以及自锚效应修正。
[0019] 本发明至少包括以下有益效果:本发明的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,从桥梁全寿命期的结构状态演变的度出发,通过对桥梁设计‑新建‑运营‑拆除等关键
阶段的连续分析解决了旧桥结构真实状态难以确定等问题,以数据驱动质量的理念,通过
建立结构相应自动化监测系统以及旧桥拆除施工控制辅助决策机制,解决了旧桥参数识别
以及行为预测等关键难题,同时通过最优化理论实现了桥梁拆除过程中偏差最优控制。
[0020] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0021] 图1为本发明的一个实施例预应力混凝土连续刚构桥根据设计图纸建立的有限元模型的结构示意图;
[0022] 图2为本发明一个实施例的预应力混凝土连续刚构桥的有限元模型对应选择修正参数的示意图;
[0023] 图3为本发明的一个实施例的桥梁子结构划分的结构示意图;
[0024] 图4为本发明的一个实施例的子结构参数识别模型与子结构行为预测模型建立的流程图
[0025] 图5为本发明的一个实施例的子结构响应自动化监测系统建立的流程图;
[0026] 图6为本发明的一个实施例对应步骤S6的流程图;
[0027] 图7为本发明的一个实施例的桥梁拆除过程中每个施工阶段对应的施工控制流程图;

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0029] 需要说明的是,下述实施方案中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得;在本发明的描述中,术语“横向”、“纵
向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,
并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因
此不能理解为对本发明的限制。
[0030] 如图1‑7所示,本发明提供一种基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,包括如下步骤:
[0031] S1、从桥梁全寿命期的结构状态演变出发,桥梁全寿命期包括桥梁设计、新建、运营和旧桥拆除四个关键阶段,结合桥梁的设计及新建方案,建立桥梁的理论成桥状态模型。
[0032] 在建立桥梁的理论成桥状态模型时,先根据设计图纸,采用midas软件建立桥梁设计有限元模型,然后结合新建方案,在桥梁设计有限元模型的基础上得到理论成桥状态模
型。
[0033] S2、于运营阶段监测桥梁实际状态,对理论成桥状态模型进行修正,得到旧桥拆除前的实际状态模型。
[0034] 理论成桥状态模型未考虑施工误差对桥梁成桥状态的影响,因此结合桥梁交工检测、加固维修、荷载试验以及施工监控对理论成桥状态模型进行修正得到成桥的实际状态
模型。
[0035] S3、设置旧桥拆除施工方案,结合旧桥拆除前的实际状态模型得到旧桥拆除理论分析模型。
[0036] S4、根据待拆桥梁的构造特点及力学特性分析确定需关注的结构响应,对旧桥结构划分子结构,并通过参数敏感性分析确定所有子结构中影响结构响应的关键的结构参
数,以旧桥拆除理论分析模型为基础进行训练,建立子结构参数识别模型和子结构行为预
测模型,子结构参数识别模型以结构响应为输入、结构参数为输出,子结构行为预测模型以
结构参数为输入、结构响应的输出。
[0037] 结构响应包括如应力、线形、索力、预应力等,桥梁按同一批次或类似条件施工的构件为同一子结构,子结构参数识别模型和子结构行为预测模型为相反过程,通过设置的
子结构参数识别模型在输入某一结构响应、对应输出得到结构参数,来验证并找出结构响
应在桥梁拆除施工的当前阶段中会被哪些参数明显影响,从而将明显影响这些结构响应的
参数作为关键结构参数,完成识别过程,而对于子结构行为预测模型则通过将结构参数输
入,获取后续施工阶段中结构响应的预测值情况。
[0038] S5、建立子结构响应自动化监测系统,以对子结构的结构响应数据进行监测,根据前一步骤确定的结构响应,针对性的设置监测系统,实时获取监测数据,建立数据库,一方
面用于建立模型过程中作为学习样本,另一方面用于与后续施工阶段中结构响应的预测值
进行对比,若相差太大,则说明拆除施工方案需要进行修改,以保证施工安全。
[0039] S6、建立旧桥拆除施工辅助决策机制,在当前拆除施工阶段中,通过子结构参数识别模型确定真实影响当前子结构的结构响应的结构参数,再通过子结构行为预测模型预
测,分析后续拆除施工阶段中结构响应的预测值,若预测值影响到结构施工安全时,调整旧
桥拆除对应的施工措施,以保证拆除阶段结构安全性。
[0040] 旧桥拆除施工辅助决策机制取决于数据的对比结构,针对预测值是否影响结构施工安全,可对应设置数据的允许误差范围,若超出允许误差范围,则说明当前拆除手段会对
桥梁及周围环境造成不利影响,针对特定超出允许误差范围的结构参数,对应设置调整的
施工措施,以从预测的角度将当前结构参数调整到安全范围内,再反馈进行实际的施工作
业,通过实时的监测与反馈以确保旧桥拆除的每个施工阶段顺利进行。
[0041] 本发明的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,从桥梁全寿命期的结构状态演变的角度出发,通过对桥梁设计‑新建‑运营‑拆除等关键阶段的连续分析,最终得到桥梁拆
除施工阶段的旧桥拆除理论分析模型,在建立旧桥拆除理论分析模型的过程中,依次采用
建立桥梁当前寿命期的结构模型、利用当前寿命期内的实测数据进行对于修正的模式,经
迭代的方式最终获得与旧桥拆除前实际状态最为接近的模型,以旧桥拆除理论分析模型
为基础建立子结构参数识别模型和子结构行为预测模型,一个作为桥梁结构响应的敏感影
响参数的识别模型、一个作为以识别出的敏感参数为基础对后续结构施工进行预测的数据
模型,找到能够反映桥梁结构力学状态的各关键参数,避免了如传统方式所面临的大量且
复杂的数据分析,然后在旧桥拆除阶段针对性建立桥梁应力、线形等自动化监测系统,将子
结构参数识别模型和子结构行为预测模型与自动化监测系统联合,共同建立旧桥拆除施工
辅助决策机制,以此指导旧桥拆除各阶段施工。
[0042] 在另一种技术方案中,如图2所示,在步骤S2中,需修正的参数包括材料强度与弹性模量、预应力钢束有效预应力、预应力钢束锚固长度和传递长度、结构真实几何尺寸、混
凝土箱梁刚度及重量、结构损伤情况。可根据不同桥梁的所反映桥梁结构安全状况的重要
参数进行设置。
[0043] 在另一种技术方案中,如图3所示,在步骤S4中,确定需关注的结构响应后,以各子结构为研究对象,采用旧桥拆除理论分析模型进行仿真分析得到学习样本,通过正交试验
得到训练集,通过训练得到子结构参数识别模型和子结构行为预测模型。
[0044] 以桥梁拆除施工阶段理论分析模型为基础,根据待拆桥梁的构造特点及力学特性分析确定需关注的结构响应;通过对全桥划分子结构和正交试验,得到影响各子结构应力
变形的关键参数,以各子结构为研究对象,通过正交试验得到训练集。
[0045] 在另一种技术方案中,在训练前,将待识别的结构参数或待预测的结构响应按理论值变化±10%进行取值,通过旧桥拆除理论分析模型进行仿真分析,得到对应的结构响
应或结构参数的变化情况,进行归一化处理后得到学习样本,通过正交试验得到训练集,采
用Bayes网络建立子结构参数识别模型和子结构行为预测模型,可以处理大量变量之间的
复杂关系,能够有效地描述变量之间的依赖关系。
[0046] 在另一种技术方案中,如图5所示,在步骤S5中,所述子结构响应自动化监测系统包括传感器检测组、数据采集传输模块、云端服务器,传感器检测组对应每个步骤S4中确定
的结构响应分别对应设置一组,每组传感器将监测数据通过数据采集传输模块采用无线通
信的方式传输给云端服务器,通过云端服务器建立各子结构相应的实测值数据库。
[0047] 在另一种技术方案中,如图6所示,在步骤S6中,设置有与所述实测值数据库连接的旧桥拆除施工辅助决策系统,旧桥拆除施工辅助决策系统中设置最优化分析模块,旧桥
拆除施工辅助决策系统调取所述实测值数据库中存储的监测数据,以所述子结构参数识别
模型和所述子结构行为预测模型为基础,通过所述所述子结构参数识别模型响应误差识别
得到真实关键参数,通过所述子结构行为预测模型代入真实关键参数得到后续施工阶段的
结构响应的预测值,判断预测值是否影响结构施工安全性,若影响响结构施工安全性,则最
优化分析模块借助所述子结构行为预测模型确定参数最优调整范围,根据参数最优调整范
围调整旧桥拆除对应的施工措施。
[0048] 以下给出一个对于旧桥拆除的具体实施例:某跨度组成为(39+72+39)m的预应力混凝土连续刚构桥,大桥于1997年建成通车,期间经过两次维修后因承载力不满足要求拆
除主梁,根据设计图纸建立设计有限元模型,如图1所示。
[0049] 在设计有限元模型的基础上,针对大桥不同阶段各关键阶段参数的实测值,修正模型对应的参数,主要参数包括材料强度与弹性模量、预应力钢束有效预应力、预应力钢束
锚固长度和传递长度、结构真实几何尺寸、混凝土箱梁刚度及重量、结构损伤情况等,本项
目在拆除前最终选择的修正参数如图2所示,经过修正后得到实际状态模型,结合拆除方
案,得到旧桥拆除理论分析模型。
[0050] 以旧桥拆除理论分析模型为基础,根据待拆桥梁的构造特点及力学特性分析确定需关注的结构响应;通过对全桥划分子结构和正交试验,得到影响各子结构应力和变形的
关键参数;以各子结构为研究对象,通过正交试验得到训练集,通过训练得到结构响应为输
入、结构参数为输出的子结构参数识别模型和以结构参数为输入、结构响应的输出的子结
构行为预测模型,建立流程如图3所示。
[0051] 本项目按悬臂施工拆除的施工阶段可以划分为13个子结构,如图4所示,以子结构参数识别模型建立思路说明,由参数敏感性分析可知,主梁重量对子结构⑥‑⑩的线形敏
感,因此选择主梁刚度作为目标向量,即待识别的参数;选择主梁悬臂施工过程中最前端5
个节段(子结构⑧‑⑩)的标高作为输入向量,采用Bayes网络建立子结构参数识别模型。采
用拆除阶段旧桥拆除理论分析模型的结果作为学习样本,将待识别的参数按理论值变化±
10%进行取值,得到最大悬臂阶段主梁标高的变化情况,得到模型的学习样本。
[0052] 将主梁混凝土的设计容重按上下10%(即90%γ‑110%γ)的波动幅度取9个值,取值详见下表1,然后分别带入有限元模型中计算,即得到前5个节段(子结构⑧‑⑩)的前端
挠度变化情况,这样便得到9组学习样本,另选3组测试样本见下表2,在学习前,将样本进行
归一化处理,归一化后的学习样本见下表3,测试样本见下表4,样本训练完成后,可以对测
试样本进行测试,以模拟参数识别过程,预测值和实测值及它们之间的误差见下表5。
[0053] 表1学习样本
[0054]
[0055]
[0056] 表2测试样本
[0057]
[0058] 表3归一化后的学习样本
[0059]
[0060] 表4归一化后的测试样本
[0061]
[0062]
[0063] 表5预测值与实测值的误差
[0064]
[0065] 建立子结构响应自动化监测系统,根据确定的结构响应,选择相应的传感器并采用无线传输,通过数据采集与传输模块将数据传输至云端服务器,建立各子结构相应实测
值数据库,建立流程如图5所示。
[0066] 如图6所示,建立旧桥拆除施工辅助决策系统,该系统以子结构参数识别Bayes模型和子结构行为预测Bayes模型为基础,首先分析当前施工阶段对应各子结构的响应,当理
论和实测值相差超过10%时,通过子结构参数识别模型得到各子结构的真实关键参数,以
子结构真实关键参数为输入代入到子结构行为预测模型中预测后续施工中各子结构的响
应,当预测值影响到结构施工安全时,通过最优化理论分析并确定需采取的调整措施,调整
措施包括调整拆除梁段的梁长,局部加固措施、预应力拆除时机以及自锚效应修正等。主梁
拆除施工控制流程如图7所示。
[0067] 对该桥的拆除过程进行监控,各关键施工节段主梁线形偏差实测值与理论值偏差结果如下表6所示,均在10%以内,说明本发明所建立的监控方法及系统能够有效指导旧桥
进行拆除。
[0068] 表6主梁拆除过程中悬臂端最大位移监测结果统计/mm
[0069]
[0070]
[0071] 综上所述,本发明的基于数据驱动的旧桥拆除施工监控方法,从桥梁全寿命期的结构状态演变的角度出发,通过对桥梁设计‑新建‑运营‑拆除等关键阶段的连续分析解决
了旧桥结构真实状态难以确定等问题,以数据驱动质量的理念,通过建立结构相应自动化
监测系统以及旧桥拆除施工控制辅助决策机制,解决了旧桥参数识别以及行为预测等关键
难题,同时通过最优化理论实现了桥梁拆除过程中偏差最优控制。
[0072] 尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地
实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限
于特定的细节和这里示出与描述的图例。
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