基于神經網(wǎng)絡的自錨式懸索

引 言

自錨式懸索一斜拉混合體系橋梁作為一種較為新穎的橋梁結構體系，通過斜拉橋與懸索橋相互協(xié)作，可以有效地避免斜拉橋和懸索橋分別作為大跨度橋型表現(xiàn)出了的不足，通過綜合它們的優(yōu)點，可以滿足實際的工程設計要求。由于自錨式懸索—斜拉混合體系橋梁可供借鑒的實例較少，其結構和邊界條件本身都比較復雜，因此，橋梁在施工時，必須對施工進行實時監(jiān)控，從而獲取現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)，通過與理論的結構參數(shù)進行比較，對出現(xiàn)的偏差進行糾正，保證施工過程與設計參數(shù)盡可能保持一致。

1、自錨式懸索—斜拉混合體系橋梁介紹

自錨式懸索一斜拉混合體系橋梁是由懸索橋和斜拉橋組合而成的一種全新體系的橋梁，由主纜、斜拉索，加勁梁、索塔，吊索等構件構成整個橋梁的懸吊組合體系，成橋時，主要由主纜、斜拉索、加勁梁和主塔共同承受結構的自重和外荷載。其結構如圖1所示。

自錨式懸索一斜拉混合體系橋梁部分采用了混凝土結構之后，不僅有效降低了橋梁的工程造價，而且提高了梁的強度和剛度。在結構上采用懸索和斜拉結構組合，因此同時具有懸索橋和斜拉橋的特點，整個橋梁體系的結構受力就會異常復雜。另外，由于懸索和斜拉索結構強烈的幾何非線性，在施工中主纜從空纜狀態(tài)到成橋狀態(tài)位移很大。自錨式懸索一斜拉混合體系橋梁非線性比較明顯，理論計算和施工控制難度很大，所以自錨式懸索一斜拉混合體系橋梁的在其施工期間應該進行實時監(jiān)控。

2、施工監(jiān)控概述

2.1 施工監(jiān)控的研究現(xiàn)狀

國外在這方面的研究比較早，現(xiàn)在已經積累了較多經驗。傳統(tǒng)的施工監(jiān)控方法一般為，建立監(jiān)測施工控制所需應力、撓度等參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)與計算機進行連接，實時的對橋梁施工時的應力，撓度等參數(shù)進行現(xiàn)場處理，并傳回控制室，對這些參數(shù)數(shù)據(jù)分析整理，最后將分析結果返回現(xiàn)場進行施工控制。現(xiàn)在，隨著計算機技術和自動控制技術的快速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)逐漸向自動監(jiān)控方向發(fā)展，并建立了自己的數(shù)據(jù)庫。通過自動測量數(shù)據(jù)采集、精度控制支持和結構計算分析，進行實時反饋和跟蹤分析。

2.2 橋梁施工監(jiān)控的主要內容

在橋梁的施工過程中，主要從以下幾個方面加強橋梁的監(jiān)控，保證橋梁的設計要求。

(1)橋梁結構變形

對橋梁結構變形的控制主要表現(xiàn)在對結構尺寸，線性和合龍時的位移的控制。由于現(xiàn)在現(xiàn)場經驗的缺乏，實際施工和設計總存在的一定的誤差，通過對橋梁結構變形的實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場橋梁實際結構變形與理論變形期望值之間的誤差，并進行及時有效分析，得出結論，對后續(xù)施工進行合理有效的指導和控制。

(2)橋梁結構應變

對橋梁結構的應變進行監(jiān)控是保證橋梁安全的基礎。施工期間的應力測試是一項長期的現(xiàn)場觀測，通過監(jiān)測各施工狀態(tài)下監(jiān)測截面的應力值，準確了解橋梁結構各個控制截面的應力狀況，從而對施工過程中各工況施工荷載變化情況進行分析判斷，確保結構施工安全。施工時的應力測試截面可以根據(jù)施工計算的控制截面確定，常用的應力控制截面有上部結構安裝調整過程中的最大正、負彎矩截面，成橋狀態(tài)的最大正負彎矩截面，主塔及其橫梁的應力控制截面以及設計院從設計角度考慮的其它控制截面。

(3)橋梁結構的穩(wěn)定控制

橋梁結構的穩(wěn)定控制主要包括粱體、高墩的局部和整體的屈曲穩(wěn)定以及施工過程中的傾覆穩(wěn)定性等方面的控制。對這些方面進行有效的控制在保證橋梁的安全性上具有重要意義，但是，在橋梁的施工期間，不可避免的會發(fā)生一些意外事件，因此，除了前期設計階段進行有效的計算，對后期施工中的隨機因素還要有充分的認識，并作出合理的評估。

2.3 橋梁施工監(jiān)控的主要方法

針對目前的研究現(xiàn)狀，根據(jù)控制論思想分類，橋梁施工監(jiān)控的主要方法有開環(huán)控制監(jiān)控、反饋控制監(jiān)控和自適應控制監(jiān)控。這三種方法針對不同的橋梁結構，所起的作用不同，比如開環(huán)控制對結構簡單的橋梁更有效，而預應力混凝土橋梁適合自適應控制。它們有各自的優(yōu)缺點，應該根據(jù)具體情況選取合適的監(jiān)控方法。

3、神經網(wǎng)絡概述

神經網(wǎng)絡系統(tǒng)是指利用工程技術手段模擬人腦神經網(wǎng)絡的結構和功能的一種技術系統(tǒng)，它是一種大規(guī)模并行的非線性系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的特色在于信息的分布式存儲和并行協(xié)同處理。整個神經網(wǎng)絡由許多并行運算的神經元組成。一個神經元實際上是一個獨自的信息處理單元，它可以劃分為輸入處理、活化處理和輸出處理三個環(huán)節(jié)。神經元的處理過程是把每個輸入活性乘以用于該連接上的權值，并把所有這些加權輸入相加，獲得一個總輸入;通過輸入輸出函數(shù)把總輸入變換為輸出活性。雖然單個神經元的結構極其簡單，功能有限，單元的集合構成的網(wǎng)絡系統(tǒng)所能實現(xiàn)的行為和功能卻邑復雜的。因此，在神經網(wǎng)絡系統(tǒng)中，通過模型中適當?shù)膫鬟f函數(shù)來模擬橋梁施工這樣的非線性系統(tǒng)，實現(xiàn)對橋粱結構監(jiān)控的目的

神經網(wǎng)絡具有非線性、非局限性、非常定性和非凸性四個典型的特點，它們可以實現(xiàn)各自不同的功能。由于這些獨特的特點，可以提高系統(tǒng)的容錯性和存儲容量，加強系統(tǒng)的自適立、自組織和自學習的能力，實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)想記也的功能。

4、神經網(wǎng)絡在施工控制中的應用

4.1 神經網(wǎng)絡對橋梁結構荷載的識別

荷載識別是對橋梁結構損傷識別的前提。可以根據(jù)橋梁結構上的監(jiān)測系統(tǒng)傳遞來的變形、應變和結構穩(wěn)定信息對橋梁結構進行荷載識別。通過橋梁結構上有限點的監(jiān)測數(shù)據(jù)對荷載進行識別，是實現(xiàn)橋梁監(jiān)測的主要技術之一。識別的快速性和準確性是荷載識別的關鍵技術。可以利用神經網(wǎng)絡比較強的非線性函數(shù)映射能力及其聯(lián)想記憶功能，模擬混凝土橋梁的荷載與撓度曲線，通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)，建立完善的混凝土橋梁模型數(shù)據(jù)庫，用于混凝土橋梁快速準確的荷載識別。

4.2 神經網(wǎng)絡對橋梁結構損傷的識別

通過前期對橋梁結構的荷載識別，就可以進行損傷的識別。通過損傷識別，修正橋梁結構的的模態(tài)參數(shù)，為橋梁的安全可靠性評估提供有效依據(jù)。利用神經網(wǎng)絡，在獲得的較為充分的橋梁結構荷載與裂縫信息基礎上，建立橋梁結構損傷識別的模型，粗略的估算結構中可能出現(xiàn)的最大裂縫寬度，為后期的整體評估與應急做好準備。由于現(xiàn)在研究的局限性，在損傷定位方面還存在不足，這應該是以后研究工作的重點。

5、小 結

自錨式懸索一斜拉混合體系橋梁是一種樣式新型結構復雜的橋型，由于經驗較少，對其施工監(jiān)控是橋粱建設的重要內容。通過神經網(wǎng)絡模型，利用它的特點，解決橋梁施工監(jiān)控復雜非線性和不確定系統(tǒng)的監(jiān)控問題，對自錨式懸索一斜拉混合體系橋梁的施工過程進行有效地預測控制，為橋梁的安全可靠性建立可靠基礎。同時，由于研究的局限性，對自錨式懸素一斜拉混合體系橋梁施工中的很多問題還沒有有效地解決，應該加大研究力度，爭取有較大的突破，獲得更多新的發(fā)現(xiàn)。