一种拱桥拱肋吊装线形控制方法与流程

1.本发明涉及桥梁工程结构施工技术领域，具体涉及一种拱桥拱肋吊装线形控制方法。


背景技术：

2.在大跨度钢管混凝土拱桥拱肋节段吊装过程中，拱肋安装线形往往通过几个不共线的线形点来控制。但是在实际吊装过程中，由于前序节段拱肋受到施工中焊接、施工临时荷载、两节段对接偏差等，环境中风向和温度等，以及拱肋制造尺寸精度的影响，将导致拱肋节段线形控制点实测值与预测值产生一定的误差。若不对此误差及时进行修正，按原来的拼装角度对拱肋进行吊装，产生的累计误差将影响后续拱肋节段的吊装精度，改变整个拱肋的预测线形，同时将对已安装拱肋节段产生次内力，影响拱肋的受力安全。
3.在现有技术中，为了对拱肋节段线形控制点实测值与预测值之间的误差进行修正，一般采用cad作图法作出后续拱肋位置图进行修正，存在费时效率低，误差修正的准确度无法保证的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种拱桥拱肋吊装线形控制方法，能够解决现有技术中为了对拱肋节段线形控制点实测值与预测值之间的误差进行修正，一般采用cad作图法作出后续拱肋位置图进行修正，存在费时效率低，误差修正的准确度无法保证的问题。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.本方案提供一种拱桥拱肋吊装线形控制方法，包括：
7.测量获取已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值；
8.根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，以及下一段拱肋线形控制点坐标理论值，通过刚体运动变换公式，确定下一段拱肋线形控制点坐标预测值；
9.根据下一段拱肋线形控制点坐标预测值，吊装拼接下一段拱肋节段。
10.在一些可选的方案中，根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，以及下一段拱肋线形控制点坐标理论值，通过刚体运动变换公式，确定下一段拱肋线形控制点坐标预测值，包括：
11.建立拱肋节段线形控制点的刚体运动控制方程；
12.根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，确定刚体运动控制方程中的旋转矩阵和平移参数；
13.根据旋转矩阵、平移参数和下一段拱肋线形控制点坐标理论值，结合刚体运动控制方程，确定下一段拱肋线形控制点预测值。
14.在一些可选的方案中，所述刚体运动控制方程为：
[0015][0016]
其中，[x
s y
s zs]
t
为线形控制点坐标预测值，[y
l y
l z
l
]
t
为线形控制点坐标理论值，xs为横坐标预测值，ys为纵坐标预测值，zs为竖坐标预测值，x
l
为横坐标理论值，y
l
为纵坐标理论值，z
l
为竖坐标理论值，r为旋转矩阵，t
x
为第一平移参数，ty为第二平移参数，tz为第三平移参数。
[0017]
在一些可选的方案中，根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，确定刚体运动控制方程中的旋转矩阵和平移参数，包括：
[0018]
利用罗德里格矩阵对旋转矩阵降次，将旋转矩阵的旋转角度参数转换为替代参数；
[0019]
根据刚体运动控制方程与其一阶泰勒展开式之差，获取误差方程；
[0020]
利用最小二乘法，迭代求解误差方程，获取替代参数和平移参数。
[0021]
在一些可选的方案中，利用罗德里格矩阵对旋转矩阵降次，将旋转矩阵的旋转角度参数转换为替代参数，包括：
[0022]
旋转矩阵原始为：
[0023][0024]
降次后的矩阵为：
[0025][0026]
其中，α为第一旋转角度参数，β为第二旋转角度参数，γ为第三旋转角度参数，a为第一替代参数，b为第二替代参数，c为第三替代参数。
[0027]
在一些可选的方案中，所述误差方程为：v＝aδx+l；
[0028]
式中，δx＝(δa δb δc δt
x δt
y δtz)
t
；
[0029][0030]
l＝(l
1 l
2 l3)
t
；
[0031]
[0032][0033][0034]
其中，v为误差值，δx为参数增量，带δ的参数均表示其增量，a为误差方程系数，i为线形控制点序号，l为常数项矩阵，l1为第一常数项，l2为第二常数项，l3为第三常数项。
[0035]
在一些可选的方案中，利用最小二乘法，迭代求解误差方程，获取替代参数和平移参数，包括：
[0036]
设定替代参数和平移参数的初始值，利用最小二乘法，获取参数增量和误差值；
[0037]
继续通过最小二乘法迭代，当误差值小于设定值时，将此时的替代参数和平移参数作为结果。
[0038]
在一些可选的方案中，最小二乘法公式为：δx＝(a
t
a)-1
(a
t
l)；
[0039]
其中，a
t
为矩阵a的转置。
[0040]
在一些可选的方案中，根据拱肋设计线形和有限元分析手段，获取已架设拱肋节段线形控制点坐标理论值和下一段拱肋线形控制点坐标理论值。
[0041]
在一些可选的方案中，一段拱肋上包括至少三个不共线的线形控制点。
[0042]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本方案通过测量获取已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值；根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，以及下一段拱肋线形控制点坐标理论值，通过刚体运动变换公式，确定下一段拱肋线形控制点坐标预测值；根据下一段拱肋线形控制点坐标预测值，吊装拼接下一段拱肋节段。解决了现有技术中为了对拱肋节段线形控制点实测值与预测值之间的误差进行修正，一般采用cad作图法作出后续拱肋位置图进行修正，存在费时效率低，误差修正的准确度无法保证的问题。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1为本发明实施例中拱桥拱肋吊装线形控制方法的流程示意图；
[0045]
图2为本发明实施例中已拼接拱肋节段的结构示意图；
[0046]
图3为本发明实施例中下一段拱肋的结构示意图；
[0047]
图4为本发明实施例中已拼接拱肋节段测点布置的剖面示意图。
具体实施方式
[0048]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0049]
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
[0050]
如图1所示，本发明提供一种拱桥拱肋吊装线形控制方法，包括：
[0051]
s1：测量获取已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值。
[0052]
s2：根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，以及下一段拱肋线形控制点坐标理论值，通过刚体运动变换公式，确定下一段拱肋线形控制点坐标预测值。
[0053]
步骤s2具体包括：
[0054]
s21：建立拱肋节段线形控制点的刚体运动控制方程。
[0055]
在本实施例中，刚体运动控制方程为：
[0056]
其中，[x
s t
s zs]
t
为线形控制点坐标预测值，[x
l y
l z
l
]
t
为线形控制点坐标理论值，xs为横坐标预测值，ys为纵坐标预测值，zs为竖坐标预测值，x
l
为横坐标理论值，y
l
为纵坐标理论值，z
l
为竖坐标理论值，r为旋转矩阵，t
x
为第一平移参数，ty为第二平移参数，tz为第三平移参数。
[0057]
s22：根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，确定刚体运动控制方程中的旋转矩阵和平移参数。
[0058]
步骤s22具体包括：
[0059]
s221：利用罗德里格矩阵对旋转矩阵降次，将旋转矩阵的旋转角度参数转换为替代参数。
[0060]
在本实施例中，旋转矩阵原始为：
[0061][0062]
降次后的矩阵为：
[0063][0064]
其中，α为第一旋转角度参数，β为第二旋转角度参数，γ为第三旋转角度参数，a为第一替代参数，b为第二替代参数，c为第三替代参数。
[0065]
s222：根据刚体运动控制方程与其一阶泰勒展开式之差，获取误差方程。
[0066]
在本实施例中，误差方程为：v＝aδx+l；
[0067]
式中，δx＝(δa δb δc δt
x δt
y δtz)
t
；
[0068]
[0069]
l＝(l
1 l
2 l3)
t
；
[0070][0071][0072][0073]
其中，v为误差值，δx为参数增量，带δ的参数均表示其增量，a为误差方程系数，i为线形控制点序号，l为常数项矩阵，l1为第一常数项，l2为第二常数项，l3为第三常数项。
[0074]
s223：利用最小二乘法，迭代求解误差方程，获取替代参数和平移参数。
[0075]
在本实施例中，利用最小二乘法，迭代求解误差方程，获取替代参数和平移参数，包括：
[0076]
设定替代参数和平移参数的初始值，利用最小二乘法，获取参数增量和误差值；
[0077]
继续通过最小二乘法迭代，当误差值小于设定值时，将此时的替代参数和平移参数作为结果。
[0078]
最小二乘法公式为：δx＝(a
t
a)-1
(a
t
l)，其中，a
t
为矩阵a的转置。
[0079]
s23：根据旋转矩阵、平移参数和下一段拱肋线形控制点坐标理论值，结合刚体运动控制方程，确定下一段拱肋线形控制点预测值。
[0080]
在本实施例中，步骤s2可通过matlab实施。
[0081]
s3：根据下一段拱肋线形控制点坐标预测值，吊装拼接下一段拱肋节段。
[0082]
在一些可选的实施例中，根据拱肋设计线形和有限元分析手段，获取已架设拱肋节段线形控制点坐标理论值和下一段拱肋线形控制点坐标理论值。
[0083]
在一些可选的实施例中，一段拱肋上包括至少三个不共线的线形控制点。
[0084]
综上所述，本发明通过测量获取已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值；根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，以及下一段拱肋线形控制点坐标理论值，通过刚体运动变换公式，确定下一段拱肋线形控制点坐标预测值；根据下一段拱肋线形控制点坐标预测值，吊装拼接下一段拱肋节段。解决了现有技术中为了对拱肋节段线形控制点实测值与预测值之间的误差进行修正，一般采用cad作图法作出后续拱肋位置图进行修正，存在费时效率低，误差修正的准确度无法保证的问题。
[0085]
本发明使拱肋成桥线形满足设计和规范要求，满足拱肋曲率要求，使拱肋一次吊装到位，减小吊装拱肋节段调整次数。计算效率高，能对已安装拱肋节段线形进行复核。
[0086]
以下提供一种具体示例，用于方便对本发明的理解。
[0087]
如图2、图3和图4所示，在某钢管混凝土拱桥拱肋吊装拼接中：
[0088]
在右幅第一段拱肋拼装后，使用全站仪测得第一段拱肋线形控制点坐标实测值为：g1-1(307.861，11.749，632.390)，g1-2(307.860，8.249，632.391)，g1-3：(307.432，
11.751，631.982)，g1-4(307.430，8.250，631.980)。
[0089]
已知第一段拱肋线形控制点坐标理论值为：g1-1'(308.020，11.750，632.545)，g1-2'(308.020，8.250，632.545)，g1-3'(307.586，11.750，632.131)，g1-4'(307.586，8.25，632.131)。第二段拱肋线形控制点坐标理论值为：g2-1'(307.861，11.749，632.390)，g2-2'(308.860，8.249，632.391)，g2-3'(307.432，11.751，631.982)，g2-4'(307.430，8.250，631.980)。
[0090]
根据上述方案，可获得第二段拱肋线形控制点坐标预测值为：g2-1”(307.868，11.754，632.395)，g2-2”(308.865，8.254，632.398)，g2-3”(307.435，11.756，631.991)，g2-4”(307.431，8.255，631.991)。
[0091]
此时第二段拱肋线形控制点坐标预测值与理论值的偏差为：
[0092]
(g2-1”)-(g2-1')：(0.007，0.005，0.005)；
[0093]
(g2-2”)-(g2-2')：(0.005，0.005，0.007)；
[0094]
(g2-3”)-(g2-3')：(0.003，0.005，0.009)；
[0095]
(g2-4”)-(g2-4')：(0.001，0.005，0.011)。
[0096]
根据第二段拱肋线形控制点坐标预测值与理论值的偏差，可定量描述不作调整时第二段拱肋预测线形和理论线形的偏差，从而可以提前采取措施修正第二段拱肋的拼装角度，确保成桥后的拱肋线形满足设计要求。仅需测量第一段拱肋线形控制点坐标实测值，便可得出第二段拱肋线形控制点坐标预测值。采用最小二乘法求解刚体运动参数，综合考虑制造误差和测量误差，结果精度高。
[0097]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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技术和简化描述，而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技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0098]
需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0099]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，包括：测量获取已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值；根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，以及下一段拱肋线形控制点坐标理论值，通过刚体运动变换公式，确定下一段拱肋线形控制点坐标预测值；根据下一段拱肋线形控制点坐标预测值，吊装拼接下一段拱肋节段。2.如权利要求1所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，以及下一段拱肋线形控制点坐标理论值，通过刚体运动变换公式，确定下一段拱肋线形控制点坐标预测值，包括：建立拱肋节段线形控制点的刚体运动控制方程；根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，确定刚体运动控制方程中的旋转矩阵和平移参数；根据旋转矩阵、平移参数和下一段拱肋线形控制点坐标理论值，结合刚体运动控制方程，确定下一段拱肋线形控制点预测值。3.如权利要求2所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，所述刚体运动控制方程为：其中，[x
s y
s z
s
]
t
为线形控制点坐标预测值，[x
l y
l z
l
]
t
为线形控制点坐标理论值，x
s
为横坐标预测值，y
s
为纵坐标预测值，z
s
为竖坐标预测值，x
l
为横坐标理论值，y
l
为纵坐标理论值，z
l
为竖坐标理论值，r为旋转矩阵，t
x
为第一平移参数，t
y
为第二平移参数，t
z
为第三平移参数。4.如权利要求2所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，确定刚体运动控制方程中的旋转矩阵和平移参数，包括：利用罗德里格矩阵对旋转矩阵降次，将旋转矩阵的旋转角度参数转换为替代参数；根据刚体运动控制方程与其一阶泰勒展开式之差，获取误差方程；利用最小二乘法，迭代求解误差方程，获取替代参数和平移参数。5.如权利要求4所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，利用罗德里格矩阵对旋转矩阵降次，将旋转矩阵的旋转角度参数转换为替代参数，包括：旋转矩阵原始为：降次后的矩阵为：其中，α为第一旋转角度参数，β为第二旋转角度参数，γ为第三旋转角度参数，a为第一替代参数，b为第二替代参数，c为第三替代参数。
6.如权利要求4所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，所述误差方程为：v＝aδx+l；式中，δx＝(δa δb δc δt
x δt
y δt
z
)
t
；l＝(l
1 l
2 l3)
t
；；；其中，v为误差值，δx为参数增量，带δ的参数均表示其增量，a为误差方程系数，i为线形控制点序号，l为常数项矩阵，l1为第一常数项，l2为第二常数项，l3为第三常数项。7.如权利要求4所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，利用最小二乘法，迭代求解误差方程，获取替代参数和平移参数，包括：设定替代参数和平移参数的初始值，利用最小二乘法，获取参数增量和误差值；继续通过最小二乘法迭代，当误差值小于设定值时，将此时的替代参数和平移参数作为结果。8.如权利要求7所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，最小二乘法公式为：δx＝(a
t
a)-1
(a
t
l)；其中，a
t
为矩阵a的转置。9.如权利要求1所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，根据拱肋设计线形和有限元分析手段，获取已架设拱肋节段线形控制点坐标理论值和下一段拱肋线形控制点坐标理论值。10.如权利要求1所述的拱桥拱肋吊装线形控制方法，其特征在于，一段拱肋上包括至少三个不共线的线形控制点。

技术总结
本发明公开了一种拱桥拱肋吊装线形控制方法，涉及桥梁工程结构施工技术领域，该方法包括：测量获取已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值；根据已架设拱肋节段线形控制点坐标实测值和坐标理论值，以及下一段拱肋线形控制点坐标理论值，通过刚体运动变换公式，确定下一段拱肋线形控制点坐标预测值；根据下一段拱肋线形控制点坐标预测值，吊装拼接下一段拱肋节段。解决了现有技术中为了对拱肋节段线形控制点实测值与预测值之间的误差进行修正，一般采用CAD作图法作出后续拱肋位置图进行修正，存在费时效率低，误差修正的准确度无法保证的问题。题。题。


技术研发人员：谢国武 彭旭民 刘金平 王俊文 王文洋 蔡正东 陈忠宇 王克兵 陈伟
受保护的技术使用者：中铁大桥局集团有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/28