基于机器学习的大跨度拱桥悬臂浇筑施工技术研究

郑宋旭，林木景

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

0 引言

桥梁施工受周围环境变化、材料性能差异、临时施工荷载变化等因素影响，若这些影响未能及时有效消除，会导致结构实际状态与目标状态产生较大差异，从而危及施工安全。大跨度拱桥施工过程中，常因支架拱桥的限制导致定位距离过大，悬臂浇筑过程中常存在标记点遗漏现象，使施工路线迂回，延长工程周期。为解决这一问题，在进行拱桥施工中引入了无支架技术，即通过悬臂扣挂技术进行混凝土浇筑，减少高空桥梁对模板的重度依赖[1]。将悬臂浇筑施工技术应用在大跨度拱桥中，主要是采用斜拉索锚固挂篮法确定浇筑点位，保证整个拱桥的主拱施工中呈现出拉索式的支撑结构体系。

为促使大跨度拱桥在施工中减少自身重力，将拱桥以主拱圈作为基准点，使用高强混凝土的单箱双室结构作为截面，增厚承受应力较大的拱脚。但在实际施工中，拱桥存在部分的受力体系转换，采用原有应用方式无法进行精准定位，造成施工过程中的安全隐患问题越来越严重，建造工期不断延长，因此，对应用技术的改良是现阶段拱桥施工的重点问题[2]。本文引入机器学习方式改进施工方法，研究基于机器学习的大跨度拱桥悬臂浇筑技术施工方法，为恢复拱桥的竞争力提供理论支持，使其能够在规定周期内完成标准化施工。

1 大跨度拱桥悬臂浇筑施工技术

悬臂桁架浇筑法是将主拱圈、拱上立柱、桥面板齐头并进，边浇筑边构成桁架发挥效应，施工时用预应力钢筋或钢绞线作为桁架的临时斜拉杆。桥面板的临时明索用拉杆或桥面梁锚固于台后的岩盘上，向河中悬臂施工，最终实现桥体拱顶合龙。悬臂浇筑施工技术主要是在桥墩左右两侧设置工作平台，利用两个可以独立行走的挂篮在已张拉锚固且与墩身形成整体的梁段上平衡向跨中悬臂浇筑水泥混凝土，并逐段绑扎钢筋、立模及施加预应力，直至悬臂梁段浇筑完成的施工方法。

1.1 零位移法设计大跨度拱桥施工轴线

从施工角度来讲，此类结构是一种扣塔-斜拉索-曲梁的组合体系，其施工张力主要受控制于拉索张力，可以直接通过斜拉索的自身携带张力，进行施工的承载受力[3]。但斜拉索只作为临时索，并没有成桥索力，在实际拱桥悬臂浇筑施工过程中会存在成拱索力，需要将其索力与拱桥节段进行平衡力设定，使拱段上所有的索扣点位置均处于同一水平线，引入零位移法设计大跨度拱桥施工拱轴线。

零位移法即保证拉索和拱段的锚固点，位移量控制在零距离，使约束反力的条件也为零，在拉力索的各个平面方向上呈现平衡力。其主要将拱圈的线形作为控制目标，参考拱圈的截面应力，进行多条拉线索的索扣定位，可以直接通过轴线位置进行拉线索的顺序调整和数量排放[4]。定位轴线设计过程中，可以根据各个扣索的缩放长度进行倒推分析，依靠扣索自身的弹性拉伸长度选择拱段的长短，使其能够在同一水平线上完成施工。在扣索定长过程中要确定拱段的高程，根据其自身拉伸张力反应拉索的应力，直接用应力检测仪进行阶段测量，保证在零位移的基础上进行轴线布置。通过拱段中各个施工节点的依次布置，在带有一定曲率的变截面桥梁中也会存在反向约束力，仍以零位移法进行水平和竖向的反力增量测量。

1.2 基于机器学习构建悬臂浇筑定点模型

根据悬臂浇筑法施工的大跨度RC 拱桥受力特点，选取可能发生并会对结构实际状态产生较大影响的结构参数，根据施工控制经验确定各结构参数变化范围。利用梁单元模拟主拱圈、交界墩、立柱、临时塔架及锚箱，利用仅受拉的桁架单元模拟扣锚索；利用节点集中力模拟挂篮、横隔板荷载。拱圈与立柱通过设置刚性连接模拟，扣点与塔架、锚点与塔架之间采用弹性连接模拟，拱脚、锚索约束条件采用固结。计算时仅变化单一参数，其余参数保持不变，计算在各参数影响下拱圈截面应力、拱圈线形、扣索索力、塔架偏位等结构行为的变化情况，选出对结构行为产生较大影响的参数，确定主要敏感性参数，从而在悬浇过程中对各主要敏感性参数进行有效识别、分析、控制。

沿拉索的拉力变化方向完成吊装，使拱段的线性轴线也符合施工要求，在机器学习的技术下进行悬臂浇筑的定点模型构建，完成施工方向上的点位设计[5]。机器学习包含的计算方式有很多，此次选择最小二乘支持向量机原理构建模型，保证在最小风险原则下选择各个浇筑施工点的定位。将施工方案中涉及的浇筑点位置设置为一个向量集合，用W表示，在其中包含实际施工点位和参考施工点位，利用最小二乘法进行统计学习，以原始点位设定作为数量样本。在每次训练过程中每个实例均包含一个目标值和相关属性，即输出变量QE和输入变量PE。其中，E= 1,2,...,L，输入变量和输出变量均属于TI，T表示一维向量空间，TI表示I维向量空间[6]。通过多次训练拟合一个代理定点集合[QE,PE]，反映每组集合之间的输出和输入关系，分别设置模型中的最小化和限制条件，表达式为：

式（1）～（2）中：G为浇筑点的可调整权重向量；V为定点偏差向量；H为在训练定位过程中存在的误差向量，其中HE为拟合的误差向量元素；γ为正规化常数；为浇筑点的定位误差总和。在反复确定正规化常数和核心常数η中，能够产生局部定点的最小值，以此寻找定点的最优解目标，将其设置为浇筑点位置，完成悬臂浇筑施工[7]。

1.3 对角拉索式分段完成悬臂浇筑施工

浇筑过程中可以选择对角拉索形式分段处理拱桥，即在桥体成拱形结构前，两岸主拱和拱桥之间的上梁与桥面板都能够通过和临时斜拉索组成的悬臂结构或桁架桥构件，完成悬臂桁架法浇筑施工。其中，大跨度拱桥的主拱为下弦杆，基本在竖向腹柱结构拱的支撑下担当主体受力，对其采用高强度混凝土材料，以确保在浇筑完成后的自身承受压力能够达到设计使用标准。而桥面板和斜向腹梁则作为上弦柱，受力程度基本依靠拉绳硬度，因此需要使用钢梁和钢绞线。设定拱桥的施工顺序，按照设定标准依次进行有序循环，在每相邻支柱中间段完成施工后进行一次循环。

首次浇筑拱桥的桥台基础，并通过打锚索方法固定拉索和路台基础，以确保在主拱桥悬臂式结构浇筑施工中的平衡，同时降低了桥面钢板对路台的抗拉强度[8]。在路台基础浇筑完成后，再进行两端的基础施工，分别将桥梁两端的桥座和拱座进行基础浇筑施工，并安置吊篮以进行主拱桥的悬臂式结构桁架基础施工。每拱段均被分为三个节段，每个节段长度为6m，在挂篮自身移动至下一个阶段位置后布置拉索和钢筋。对角拉索安装完毕后设定张拉角度，钢桥面板要在旋转180°后才能进行就位安装，并用强应力螺栓固定[9]。至此在零位移法和机器学习方式基础上，构建悬臂浇筑定点模型，选择对角拉索式分段进行悬臂浇筑施工，完成大跨度拱桥悬臂浇筑施工技术的应用方法设计。

2 实验测试与分析

为验证此次设计的方法具有实际应用效果，采用实验测试的方法进行论证。结合某省木蓬特大拱桥，将其建造思路和设计方案上传至MATLAB 测试平台，应用本文方法进行施工模拟，整个设计按原有设定对比工程的施工周期。其桥跨结构形式为1×26m+1×34m+（52+90+52）m连续梁+10×34m+2×26m+（34+52+34）m连续梁+5×34m，桥孔布置为52～34m，全长为4 200m，总工期为24 个月。该工程主要选择悬臂浇筑法，配合两岸矩形空心桥台（含六个墩高超过30m 的圆形空心墩）支持下的碗扣式满堂脚手架现浇法施工。悬臂浇筑段挂篮形式为菱形，中跨合龙段、边跨合龙段分别采用一侧挂篮悬空吊架法、挂篮+碗扣式满堂脚手架现浇法，需要分别采用先合龙边跨后合龙中跨、先合龙中跨后合龙边跨的施工方法。此次大桥的设计荷载为一级公路设置，行驶车速为95km/h，桥面横截面坡度为15～30°，桥梁跨径组合梁箱为T 字结构，拱轴系数为2.025。对大桥的总体布置进行分段设定，具体如表1所示。

表1 木蓬特大拱桥分段长度设计标准 单位：m

根据表1可知，在拱桥两端分别设置起点桩号和终点桩号，线路全长约为420m，两个桩号之间均匀划分为8 个阶段。标记每个拱桥分段的长度和高度，应用本文方法进行施工，按照设定的顺序进行阶段浇筑。在对整体拱桥施工中需要保证索扣的位置排列，主要是防止赶工期而产生工程问题。由于大跨度拱桥对变形的要求很高，在施工结束后测量每个拱段的连接应力，直接采用专业桥梁测试仪进行检查，每个拱段的应力要求都符合施工标准，说明本文方法能够投入正常施工。在符合桥梁的应力测试标准后，统计每个桥段的施工时间，与原有施工方法所用的时间进行对比，具体如表2所示。

表2 不同方法下桥段施工时间对比结果 单位：d

如表2所示，在本文方法应用下悬臂浇筑技术的整体施工时间较为均等，每个桥段所用时间波动不大，总计用时1 个月，而传统方法下每个桥段的用时不统一，总计用时超过三个月。综合实验结果可知：本次设计的方法能够保证悬臂浇筑技术的施工标准，在符合大跨度拱桥的使用负荷下，比传统方法缩短了建造工期。

3 结语

本文在分析悬臂浇筑技术施工要点的基础上，通过机器学习方式重新设计一个施工技术应用方法，为减少建造工期提供理论指导。研究结果表明：在本文方法应用下，能够对选择的施工段进行工期控制，比传统方法缩短了两个月，具有实际应用效果。但由于时间限制，在进行测试过程中只对整个拱桥的施工进行测试，所得结果具有一定偏差。后续研究中应分类处理施工阶段，为实现建造周期控制提供更加科学的依据。