一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法与流程

1.本发明涉及桥梁的技术领域，尤其是一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法。


背景技术：

2.随着我国交通事业的发展，立体交叉线路不断增多，如何避免施工对既有线路的干扰成为目前桥梁工程领域的研究重点。桥梁转体技术本质上是利用桥梁本身的结构来做支撑，以避免在河道或交通线上搭设支架，待修建完成后再旋转到位。桥梁转体施工对交通干线造成的干扰小，交通运输部明确规定存在跨越的地方必须转体施工。因此，进一步研究和完善桥梁转体施工技术，实现“转得动，转得稳，转得准”的目标对于桥梁工程发展具有重要意义。现有的转体施工控制主要采用牵引索牵拉转体，若转体超过设计角度，则只能采用千斤顶顶推回位，因此对精准转体提出了较高的要求。另一方面，由于固定在上部结构（上转盘）的撑脚与滑道之间存在空隙，转体过程中梁体在绕竖轴转动的同时，还存在绕结构纵、横向的转动，导致转体结构的空间位置在一定范围内具有不确定性。因此，要确保“转得准”，实现转体桥梁跨越障碍、穿越指定空间等精准动作，对桥梁转体全过程进行监测是重要的环节。转体过程监控主要包括结构变形监控与转体角度监控，监测设备和方法包括转盘指针、全站仪、卫星定位等。
3.转盘指针法是目前最广泛应用的转体角度监测方法，分为激光投线仪法与机械转盘指针法，二者原理相同，利用各类“指针”对位来实现对桥梁转体过程中的位置监测，能够防止转体过度。但这类方法对精度控制较差，少量的角度指示误差就可导致梁体悬臂端产生明显偏差；另一方面单一的角度监测而忽略对结构竖向位移量测，不利于桥梁转体的顺利实施。卫星定位系统监控可实现全自动的测量，但其设备使用有较高的条件要求，且通信信号受外界干扰较大、稳定性差，不利于精准转体的实施，这类方法目前还处于探索阶段。全站仪观测法操作简单、方法成熟，对于大多数转体桥梁，只要找到一个可进行全过程监测的测站点就可进行关键点坐标直接量测，故受到广泛青睐。


技术实现要素：

4.本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，可根据刚体基准点的初始坐标和变化后坐标计算出刚性变换矩阵，并将其与控制点初始姿态结合以得到控制点的目标形态，有效提高转体桥梁空间位置实时预测的精确性和鲁棒性。
5.本发明目的实现由以下技术方案完成：一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：（s1）在转体桥梁上布置基准点并建立对应的三维空间坐标系，采集所述基准点的初始坐标a0和转体变化后的坐标a1；
（s2）基于刚体空间位置变换基本理论以及所述基准点的初始坐标a0和转体变化后的坐标a1，计算刚性变换矩阵h，确定结构运动特征；（s3）获取梁体的关键位置测点的初始坐标值b0，根据结构运动特征，计算所述梁体的关键位置测点在转体过程中任意时刻的坐标值b1，实现所述转体桥梁的空间位置的高精度实时预测。
6.在步骤s1中，在所述转体桥梁的上转盘上选取所述基准点的位置。
7.在步骤s2中，空间中一组点集p={p
i |pi∈r,i=1,2,
…
n}通过空间变换为点集q={q
i |qi∈r,i=1,2,
…
n}，按下式（1）计算从p到q的坐标变换：qi=hpi（1），式中，qi和pi为空间点集p和q中的四维列向量，表示p和q中每个点的三个位置坐标，pi=[xi，yi，zi，1]
t
、qi=[xi′
，yi′
，zi′
，1]
t
；h为空间物体坐标变换矩阵；按下式（2）计算空间物体坐标变换矩阵h：
ꢀꢀꢀꢀ
（2），式中，r为旋转变换矩阵，t为平移向量，v为透视变换向量，s为整体比例因子；对于空间刚体，为保证其变换后形状大小保持不变，在式（2）中，设v为0向量，s为1，按下式（3）和式（4）计算旋转变换矩阵r和平移向量t：
ꢀꢀ
（3），
ꢀꢀꢀꢀ
（4），式中，α、β、γ分别为物体绕x、y、z三轴的旋转角度，t
x
、ty、tz分别为物体沿三轴方向的位移；此时空间物体坐标变换矩阵h称为刚性变换矩阵，当不考虑形状大小变化时，由三个转角和三个位移参数可形成该刚性变换矩阵；对于刚体位置变换，可结合坐标点的变化来识别空间物体坐标变换矩阵h；按下式（5）和式（6）计算旋转变换矩阵r：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（5），
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（6），
式中，ai=[xi，yi，zi]
t
，i=1~3为实体点集p中选取三个不共线的关键点，其运动后对应的点为bi=[xi′
，yi′
，zi′
]
t
，i=1~3；ηi和ηi′
为对应向量间的向量方向；按下式（7）计算平移向量t：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7），式中，[xi，yi，zi]
t
和[xi′
，yi′
，zi′
]
t
分别为关键点变化前、变化后坐标，r为旋转变换矩阵；按下式（8）计算刚性变换矩阵h：
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（8），式中，r为旋转变换矩阵，t为平移向量，o为0向量；根据上述刚体空间位置变换基本理论及计算公式，由所述基准点的初始坐标a0和转体变化后的坐标a1可得刚性变换矩阵h，作为结构运动特征。
[0008]
在步骤s3中，按下式（9）计算关键位置测点在转体过程中任意时刻的坐标值b1：b1=hb
0 （9），式中，b0为梁体关键位置测点初始坐标值，h为刚性变换矩阵。
[0009]
本发明的优点是：可根据刚体基准点的初始坐标和变化后坐标计算出刚性变换矩阵，并将其与控制点初始姿态结合以得到控制点的目标形态；只需监测转体中心附近基准点坐标，而不用对悬臂端控制点坐标进行直接监测，即可预测桥梁在转体过程中任意时刻的空间位置；具有操作方便快捷的优点，可以节省大量人力物力财力，有效提高转体桥梁空间位置实时预测的精确性和鲁棒性。
附图说明
[0010]
图1为本发明大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法的流程示意图；图2为本发明转体桥上转盘局部坐标监测点图；图3为本发明转体桥观测站位置区域图；图4为本发明转体桥梁端布置测点图；图5为本发明转台基点坐标数据表；图6为本发明正式转体桥面坐标数据表。
具体实施方式
[0011]
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：实施例：如图1所示，本实施例涉及一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，其预测方法包括以下步骤：
s1：在转体桥梁上布置基准点并建立对应的三维空间坐标系，采集基准点的初始坐标a0和转体变化后的坐标a1。
[0012]
其中，转体桥梁一般由上、下转盘、球铰和梁体等部分组成。对于实际结构而言，上转盘上的点易于进行坐标监测；梁体梁端顶板或底板等关键点则由于转体过程中跨越距离大，且受光线、距离或其他因素影响而不便于直接监测。因此，一般在转体桥梁上转盘选取基准点的位置。
[0013]
s2：基于刚体空间位置变换基本理论以及基准点的初始坐标a0和转体变化后的坐标a1，计算刚性变换矩阵h，确定结构运动特征。
[0014]
其中，空间中一组点集p={p
i |pi∈r,i=1,2,
…
n}通过空间变换为点集q={q
i |qi∈r,i=1,2,
…
n}，按下式（1）计算从p到q的坐标变换：qi=hpi（1），式中，qi和pi为空间点集p和q中的四维列向量，表示p和q中每个点的三个位置坐标，pi=[xi，yi，zi，1]
t
、qi=[xi′
，yi′
，zi′
，1]
t
；h为空间物体坐标变换矩阵；按下式（2）计算空间物体坐标变换矩阵h：
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（2），式中，r为旋转变换矩阵（旋转变换子块），t为平移向量，v为透视变换向量，s为整体比例因子；对于空间刚体，为保证其变换后形状大小保持不变，在式（2）中，设v为0向量，s为1，按下式（3）和式（4）计算旋转变换矩阵r和平移向量t：
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（3），
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（4），式中，α、β、γ分别为物体绕x、y、z三轴的旋转角度，t
x
、ty、tz分别为物体沿三轴方向的位移；此时空间物体坐标变换矩阵h称为刚性变换矩阵，当不考虑形状大小变化时，由三个转角和三个位移参数可形成该刚性变换矩阵；对于刚体位置变换问题，则可直接结合坐标点的变化来识别空间物体坐标变换矩阵h；按下式（5）和式（6）计算旋转变换矩阵r：
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（5），
ꢀꢀꢀꢀ
（6），式中，ai=[xi，yi，zi]
t
，i=1~3为实体点集p中选取三个不共线的关键点，其运动后对应的点为bi=[xi′
，yi′
，zi′
]
t
，i=1~3；ηi和ηi′
为对应向量间的向量方向；按下式（7）计算平移向量t：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7），式中，[xi，yi，zi]
t
和[xi′
，yi′
，zi′
]
t
分别为关键点变化前、变化后坐标，r为旋转变换矩阵；按下式（8）计算刚性变换矩阵h：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（8），式中，r为旋转变换矩阵，t为平移向量，o为0向量；根据上述刚体空间位置变换基本理论及计算公式，由基准点的初始坐标a0和转体变化后的坐标a1可得刚性变换矩阵h，作为结构运动特征。
[0015]
s3：获取梁体的关键位置测点的初始坐标值b0，根据结构运动特征，计算梁体的关键位置测点在转体过程中任意时刻的坐标值b1，实现转体桥梁的空间位置的高精度实时预测。
[0016]
其中，按下式（9）计算关键位置测点在转体过程中任意时刻的坐标值b1：b1=hb
0 （9），式中，b0为梁体关键位置测点初始坐标值，h为刚性变换矩阵。
[0017]
另外，大型转体桥梁转速缓慢，整体过程为准静态；转体多选在外界风荷载较小的时段，且转体时桥下轨道交通中断，因此桥梁转体过程中受外界干扰很小，可认为大型转体桥梁结构具有刚体属性。影响刚体结构空间位置预测精度的主要因素包括：
①
坐标值测试误差；
②“
测试网”面积，即三控制点围成区域的面积。空间位置预测偏差随着仪器的测试误差增大而增加。测量仪器精度越高、“测试网”面积越大，则预测结果偏差越小。
[0018]
本实施例中，转体梁上部结构构造为2
×
66m的变截面箱型梁，桥宽34m，通过v型墩与球铰相连，转体桥梁总重量2.14万吨，顺时针转体70
°
后可达到主线设计位置。转体球铰承载力为2.5万吨，球体半径r= 9.0 m，球面水平投影半径5.0 m，环行滑道设计直径12.5m。v型墩上转台由方形上盘与圆转台组成，方形上盘边长16m，高2m；圆转台直径φ14.5m，高度1m；圆转台下方沿环行滑道均匀布置8对钢撑脚。转台内预埋钢索2对，作为转体施工过程中的牵引索。经称重实测转体球铰摩阻力矩为28650 kn
·
m，桥梁纵向不平衡力矩为4850 kn
·
m（偏向小里程侧），横向不平衡力矩；球铰摩阻系数μ= 0.015。纵向偏心距为0.023m，横
向偏心距为0.0011m。桥梁整体平衡性较好，偏心矩小，不需要作配重处理。桥梁试转时实测牵引力平均值为116吨。
[0019]
如图2所示，选定转盘上三角点作为局部坐标监测点，便于桥梁转动过程中对观测角度的调整、实现快速测试，在上转盘上按“测试网”面积最大原则布置测试点。
[0020]
如图3所示，为观测站位置区域，保证转体全过程中均能观测到三个测点。此外，转体过程中另设置两组测试组同步监测梁端测点坐标，用于基于局部坐标进行空间位置预测方法的对比验证。
[0021]
如图4所示，为梁端布置测点。以完成试转后状态作为观测起点（即：初始状态），选定累计转体52度为状态一，累计转体70度为状态二。测试基准点j1、j2、j3在上述不同状态下坐标，基点坐标如图5。以此为基础识别提取刚体相对初始状态运动特征，用来预测梁端测点p1~p6坐标，预测结果与实测坐标比较如图6。根据图5、图6中数据可以看出：该桥梁转动过程中高程坐标变化较小，转体全过程纵桥向小里程侧端部相对初始位置高程下降约6cm；横桥向高程最大变化差值约为 1~2cm；数据表明转体过程较为平稳。将基于本方法的桥梁远端测点预测结果与相应的实测坐标数据对比，可以看出：针对同一测点三向坐标的预测值与实测值非常接近，多数测点坐标的预测偏差介于1~4mm。最大偏差值为2.37cm，即图6中p3点x坐标值（其他因素）。数据结果表明本方法可实现对转体桥梁空间位置的高精度预测。
[0022]
综上所述，本实施例中，转体桥梁“转得准”的关键在于准确地测量获取转体过程中任意时刻桥梁结构的空间位置或姿态，以便与外部构造物进行实时比对，从而确保其精准和安全。桥梁转体过程实质是刚体运动，其各部分运动规律具有一致性。本方法提供一种大型转体桥梁空间位置高精度实时预测方法，通过观测刚体局部空间位置变化即可得到整体结构运动规律。桥梁转体时，其转轴附近运动幅度小，因此是理想的全站仪观测对象。
[0023]
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。