鋼管混凝土勁性管架拱橋施工監(jiān)控

摘要：本文介紹了鋼管混凝土勁性骨架拱橋的施工監(jiān)控理論和方法，對(duì)主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別及敏感度分析，對(duì)實(shí)測(cè)值和理論值進(jìn)行比較，通過(guò)誤差分析提供的信息，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，成橋線性符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到控制目的。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；勁性骨架；拱橋；施工監(jiān)控

1施工監(jiān)控的意義

對(duì)于大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋來(lái)說(shuō)，施工監(jiān)控絕不是一件可有可免的事情，它直接關(guān)系到施工的質(zhì)量和施工的成敗，還與經(jīng)濟(jì)效益緊密相關(guān)。勁性骨架在施工過(guò)程中要經(jīng)歷懸臂--鉸接--固接的體系轉(zhuǎn)換過(guò)程，形成高次超靜定體系。在有外包混凝土的鋼管混凝土勁性骨架拱橋中，拱箱混凝土澆注使得主拱單元的單元數(shù)量、截面特性、截面材料成分都在不斷的變化，應(yīng)力和撓度也處于大幅位變化中，再加上施工荷載、幾何非線性、材料非線性、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、日照時(shí)間等的影響，任一因素都可能使得拱橋的施工朝著偏離預(yù)定目標(biāo)的方向發(fā)展，而可能處于高應(yīng)力水平的局部桿件又會(huì)危及結(jié)構(gòu)的安全。因此，在施工現(xiàn)場(chǎng)建立一個(gè)預(yù)測(cè)——施工——觀測(cè)——識(shí)別——反饋——調(diào)整的反復(fù)循環(huán)過(guò)程就顯得格外重要。

鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工步驟多，主拱截面變化大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。因此，為保證施工過(guò)程中主拱結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力分布、燒度變化都處于安全合理的范圍內(nèi)，特別是確保橋梁建成后主拱結(jié)構(gòu)的線形與內(nèi)力（應(yīng)力）符合設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)主拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)、模擬、監(jiān)測(cè)、跟蹤分析和控制，以確保橋梁的施工安全、順利、快捷、優(yōu)質(zhì)地完成。

2 控制技術(shù)、理論及控制計(jì)算

2.1 控制技術(shù)

外力平衡法。顧名思義，外力平衡法是對(duì)需要調(diào)整的結(jié)構(gòu)施加外力，憑借外力的作用來(lái)改變結(jié)構(gòu)行為的方法。它主要包括錨索加載法、水箱加載法和斜拉扣控法。

a.錨索加載法

錨索加載法是利用鋼索把加載點(diǎn)和地錨相連，中間設(shè)置拉力緊固器，按計(jì)算加載量加載的方法。這種利用地錨加載的辦法優(yōu)缺點(diǎn)并存，優(yōu)點(diǎn)是加載量控制方便，缺點(diǎn)是僅適用于旱地和干涸的河床。在后來(lái)修建丹東河口橋時(shí)，這種方法得到改進(jìn)，把由拉力緊固器提供外力改進(jìn)為以懸掛重物實(shí)現(xiàn)預(yù)加載，這種改進(jìn)使得錨索加載法不再受地形限制。

b.水箱加載法

水箱加載法是在澆注拱箱混凝土?xí)r，在拱肋頂部布置水箱，隨著混凝土澆注的推進(jìn)，根據(jù)拱箱特征，變形觀測(cè)值，結(jié)合應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測(cè)情況，通過(guò)對(duì)水箱加水加載和排水卸載實(shí)現(xiàn)對(duì)拱軸線豎向變形的控制和應(yīng)力的調(diào)整。在應(yīng)用水箱加卸載的控制過(guò)程中運(yùn)用優(yōu)化控制分析原理控制應(yīng)力和變形，其控制方程為：應(yīng)力控制方程σx（p1，p2，……，pn）≤1.25[σ]變形控制方程Δx（p1，p2，……，pn）≤1.25[Δ]

其中，σx，Δx表示優(yōu)化選擇的目標(biāo)函數(shù)，p1，p2，……，pn則表示水箱的作用位置和水箱荷載的大小。只要求出符合控制方程的集中力p1，p2，……，pn的數(shù)值，就可根據(jù)pi（l≤i≤n）的大小施加水箱荷載，進(jìn)行調(diào)整。此法加載、卸載都十分方便，操作可靠，不失為一種可行的控制方法。

c.斜拉扣掛法

斜拉扣控法在國(guó)外較早用于大跨徑鋼筋混凝土拱橋的無(wú)支架施工。其思路是借助鋼骨架階段吊裝的扣索來(lái)調(diào)整混凝土澆注階段內(nèi)力。通過(guò)對(duì)扣索的張放，給拱肋施加一定量的拉力，以減少各澆注階段混凝土產(chǎn)生的彎矩，從而達(dá)到減小應(yīng)力、控制變形的目的。

此法與前面提到的兩種外力平衡法反其道而行之，錨索加載法和水箱加載法都是通過(guò)外力，給主拱施加方向向下的荷載，斜拉扣控法則通過(guò)扣索給主拱施加方向?yàn)樾鄙系暮奢d。

無(wú)外力控制法。無(wú)外力控制法也叫多點(diǎn)均衡澆注法，即混凝土的澆注分多工作面進(jìn)行，它是我國(guó)傳統(tǒng)的雙曲拱橋拱板混凝土的澆注方法。這種方法是采用橫向分環(huán)縱向分段的方法來(lái)澆注主拱因外包混凝土，在主拱拱箱混凝土，尤其是底板混凝土的澆注過(guò)程中，多工作面作業(yè)，使勁性骨架受力相對(duì)均勻，從而使勁性骨架應(yīng)力分配均勻，變形和順。

聯(lián)合法。外力平衡法中的描索加載法和水箱加載法都可以與斜拉扣掛控法聯(lián)合使用，為方便起見(jiàn)，我們暫且把它稱為外力混合法，具體作法是從拱腳到L／4采用斜拉扣控法，L／4到拱頂采用錨索加載法或水箱加載法，這樣，無(wú)論是扣索、錨索的拉力還是水箱的重量都可以大幅減小，使得拱圈的應(yīng)力和變形更易控制。

2．2 控制理論分析

目前，國(guó)內(nèi)外提出的控制理論主要有：最小二乘法最優(yōu)控制法、卡爾曼濾波隨機(jī)最優(yōu)終點(diǎn)控制方法、灰色理論、模糊理論等。其中以最小二乘法及卡爾曼濾波法顯成熟，應(yīng)用最廣。鋼管混凝土勁性骨架拱橋采用了最小二乘法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。

2．3 控制計(jì)算

控制計(jì)算模型。 以某大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋?yàn)槔?，其控制?jì)算模型可分為兩種，一種是平面計(jì)算模型，另一種是空間計(jì)算模型。平面計(jì)算模型是把結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)定義的節(jié)段，把各鋼橋架節(jié)段離散為梁?jiǎn)卧?，后期施工的混凝土部分則擬合到梁?jiǎn)卧?，根?jù)施工進(jìn)程改變拱腳約束條件及單元材料特性和截面特性?？臻g控制計(jì)算模型則是把鋼橋架各桿件作為梁?jiǎn)卧炷磷鳛榘鍐卧幚?，通過(guò)譯碼、粘結(jié)形成板梁組合單元。這樣處理，鋼梁?jiǎn)卧膭偠炔蛔儯鍐卧膭偠葎t隨著本單元混凝土的澆注量變化而變化，這種計(jì)算模式下梁?jiǎn)卧c板單元的變形是協(xié)調(diào)的。

控制計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，施工監(jiān)控都不可能在一次理論分析計(jì)算后便能得到滿意的結(jié)果，通常采用的辦法是把正裝計(jì)算法和倒拆計(jì)算法結(jié)合使用，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)送代，使理論分析的結(jié)果逐步逼近結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。其方法描述如下：

a.根據(jù)設(shè)計(jì)的初始狀態(tài)，用正裝計(jì)算法求出各施工階段的內(nèi)力和位移，得出第一次成橋狀態(tài)，一般都與設(shè)計(jì)不相符。

b.由（a）所得成橋狀態(tài)，進(jìn)行倒裝分析，以位移反推求得結(jié)構(gòu)的最初狀態(tài)，由此得到第一次虛擬的理想狀態(tài)。

c.由（b）所得初狀態(tài)按施工順序進(jìn)行正裝計(jì)算，求出新的成橋狀態(tài)。

此時(shí)的成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)的成橋狀態(tài)一般都部吻合，因此，必須把新的成橋狀態(tài)作為虛擬的設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)，進(jìn)行步驟（2）和步驟（3）的操作，直至最終得出的成橋狀態(tài)與實(shí)際的設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)一致。此時(shí)的初始狀態(tài)即為理想的初始狀態(tài)，中間各階段狀態(tài)則為中間目標(biāo)。

循環(huán)迭代中，初始狀態(tài)的坐標(biāo)的確定；

誤差分析盡管在施工監(jiān)控中千方百計(jì)排除各種確定和不確定因素的干擾，實(shí)測(cè)值與理論值之間還是不可避免地存在一定的偏差，有時(shí)甚至相差甚遠(yuǎn)。誤差分析就是通過(guò)對(duì)應(yīng)力或位移偏差分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別，找出產(chǎn)生偏差的原因，確定設(shè)計(jì)參數(shù)的真實(shí)值，以保證后階段的理論分析的可靠性，并對(duì)偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

3 施工監(jiān)測(cè)

勁性骨架拱橋施工監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容為：溫度監(jiān)測(cè)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)，位移（撓度、軸線）監(jiān)測(cè)等。

對(duì)各主拱肋拱腳進(jìn)行變位監(jiān)測(cè)，以確定拱座基礎(chǔ)是否有位移。

對(duì)各主拱肋各控制截面（L/8，L／4，L/2）及勁性骨架接頭進(jìn)行線形和位移監(jiān)測(cè)，以便掌握拱肋的真實(shí)位移情況。

對(duì)主拱肋拱腳，L/8，L／4，3L/8、拱頂截面的鋼管（筋）及混凝土的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

對(duì)主拱肋鋼管、管內(nèi)混凝土、拱箱混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，以獲得與線形及位移相對(duì)應(yīng)的大氣溫度，以及主拱肋箱體溫度，為控制的理論分析提供可靠的溫度值。

4 控制實(shí)施及結(jié)果

控制的實(shí)施通常是根據(jù)實(shí)測(cè)控制變量的值與理論分析的各施工階段中間理想目標(biāo)值的差異，采用一定的方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。與梁橋的施工監(jiān)控相比，勁性骨架拱橋施工監(jiān)控中的預(yù)報(bào)次要得多，因?yàn)樗淮嬖诳刂屏⒛?biāo)高的問(wèn)題，所起作用主要是校核實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的吻合程度。通過(guò)對(duì)造成實(shí)測(cè)值與中間理想目標(biāo)值的差異的原因分析，采用合理的調(diào)整方案，使最終目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

在特大跨勁性骨架拱橋施工中，勁性骨架階段的調(diào)整通常憑借外力來(lái)完成（如通過(guò)纜風(fēng)或扣索施加荷載等）；而在主拱圈施工階段則常采用混凝土不完全對(duì)稱澆注來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只有在偏差很大時(shí)才實(shí)用外力進(jìn)行調(diào)整；拱上建筑加載階段通常也是通過(guò)調(diào)整預(yù)制或現(xiàn)澆的構(gòu)件來(lái)達(dá)到目的的。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)勁性骨架拱橋施工監(jiān)控的理論分析和實(shí)測(cè)比較，我們可以得出結(jié)論：施工控制所采用的計(jì)算模型、監(jiān)測(cè)方法和控制方法是可行的。為同類型橋梁的施工監(jiān)控提供了有益的資料，值得推廣。施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)行為一般都偏離中間理想目標(biāo)，采用結(jié)構(gòu)自身恒載調(diào)整時(shí)，不應(yīng)急于求成，而應(yīng)多次、小幅進(jìn)行。