淺談連續(xù)剛構橋的發(fā)展及其施工監(jiān)控技術

劉家敏，崔英明

(重慶市交通規(guī)劃勘察設計院)

1 引言

19世紀中期以前，各種橋梁均采用有支架的施工法。雖然有支架施工最為簡單可靠，但這使橋梁的跨越能力受到很大限制，采用此法修建的大多為中小跨徑拱橋和簡支梁橋。19世紀中期，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展和設計水平的提高，美歐等國修建了一些懸臂鋼桁梁，給懸臂施工即無支架施工方法提供了有力的依據。同時懸索橋的修建也開始興起，并且直至20世紀中期它都成為大跨徑橋梁唯一采用的橋型。懸索橋的修建使得最典型、最完善的無支架施工得以廣泛采用。20世紀70年代，隨著預應力混凝土工藝的完善，德國工程師率先采用掛籃懸臂澆筑混凝土修建連續(xù)梁橋，為無支架施工方法奠定了基礎。在混凝土橋的施工中引入剛橋自架設體系的施工方法，使得混凝土橋梁(如T型剛構、大跨度鋼筋混凝土拱橋、預應力混凝土斜拉橋)的修建以及橋梁的跨徑都得到了較大的發(fā)展。

隨著高速交通的迅速發(fā)展，有時不但要求橋梁有較大的跨越能力，同時還要使行車平順舒適，因此簡支梁和多伸縮縫的T型剛構不能很好地滿足要求，這使得大跨徑連續(xù)梁得到了迅速發(fā)展。因此可以說，建筑材料性能、施工水平(尤其是自架設體系的產生)以及設計計算手段的提高，使修建大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋成為可能;而高速交通的發(fā)展，使修建大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋具有獨特的優(yōu)越性。于是，連續(xù)剛構橋應運而生。

2 連續(xù)剛構橋的適應性與發(fā)展

連續(xù)剛構橋的施工一般也都采取自架設的方法，其特點是梁體連續(xù)、墩梁固結和雙薄壁橋墩，既保持了連續(xù)梁無伸縮縫、行車平順的優(yōu)點，有保持了T型剛構不設支座、不需體系轉換的優(yōu)點，方便施工，且有很大的順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度，能滿足大跨徑橋梁的受力要求。另外，雙薄壁墩的柔性對橋梁承受溫度變形、減小墩身材料、削減墩頂負彎矩及增加施工穩(wěn)定性都有一定的益處。連續(xù)梁橋在跨越能力、拱橋在施工簡易性以及斜拉橋和吊橋在經濟指標方面都明顯不如連續(xù)剛構橋。因此，鑒于連續(xù)剛構橋的諸多優(yōu)點和在工程應用中良好的適應性，盡管其起步較晚，卻發(fā)展很迅速。

通過對相關文獻的回顧可以發(fā)現，國外修建大跨連續(xù)剛構橋的歷史相對稍早一些。1982年，美國的修斯敦(Houston)運河橋跨徑為114+228.6+114m，主梁為雙室箱型斷面，剛性橋墩，這算跨徑較大時間較早的一座。1985年，澳大利亞建成的門道橋(Gateway)，跨徑為145+260+145m，采用了雙薄壁墩身、單室箱型主梁和50#高強混凝土。該橋保持世界第一達12年之久，是一座里程碑式的建筑，從此，連續(xù)剛構橋的得到了蓬勃發(fā)展。

國內較早的要算1988年建成的洛溪大橋，跨徑65+125+180+110m，主梁為單室箱型。1995年建成的黃石長江大橋(162.5+3×245+162.5)m，1997年建成的虎門大橋輔航道橋(150+270+150)m，1999年建成的重慶黃花園大橋(137+3×250+137)m。近年來，國內外連續(xù)剛構橋的發(fā)展更是突飛猛進。

當然，連續(xù)剛構橋在發(fā)展中一個重要的問題，就是要對較大跨徑橋梁的施工監(jiān)控，確保施工安全和成橋質量。對于施工中遇到的問題，如果處理的及時、得當，不僅能提高施工安全性，保證施工質量，還可以縮短工期，節(jié)省造價;反之，如果不能及時發(fā)現并有效處理施工中出現的問題，誤差不斷累積，不僅可能影響到施工安全，成橋質量難以保證，還可能大大拖延工期和進度，造成材料和巨額資金浪費。

3 橋梁施工監(jiān)控方法簡介

(1)結構分析方法

結構分析方法是指理論模型的建立及其計算方法，它包括結構在各個階段內力和撓度的計算、各施工階段控制參數的計算等。結構計算是橋梁監(jiān)控的理論依據，目前主要有正算法、倒拆法、無應力狀態(tài)法。

①正算法又稱正裝計算法，它是按照橋梁結構實際施工加載順序來進行結構變形和受力分析的計算方法，也是應用較多的計算方法。正算法采用與施工相同的順序，依次計算各施工階段架設時結構的施工內力和位移。然后根據一定的計算原則，選擇相應的計算參數作為未知變量，通過求解方程而獲得相應的控制參數。只要計算參數選擇得當，結構按正算法所控制參數和順序施工完畢時，理論上的恒載內力和主梁線型應與預定的理想狀態(tài)基本吻合。

②倒拆法又稱倒裝計算法，它是按照橋梁結構實際施工加載順序的逆過程來進行結構行為分析的計算方法。它由成橋狀態(tài)(即理想的恒載狀態(tài))出發(fā)，按照與實際施工步驟相反的順序，進行逐步倒退計算而獲得各施工階段的控制參數。結構據此按正裝順序施工完畢時，理論上其恒載內力和線型便可達到預定的理想狀態(tài)。倒拆法是斜拉橋施工計算中廣泛采用的一種方法，1958年在Theodon Nenss斜拉橋的施工設計中被首次提出。

③無應力狀態(tài)法有時也稱零彎矩應力法，它是運用構件或單元的無應力長度和曲率保持不變的原理來進行結構狀態(tài)分析的。橋梁結構無應力狀態(tài)只是一個數學目標，通過它將橋梁結構安裝的中間狀態(tài)和終結狀態(tài)之間聯系起來，為分析橋梁結構各種受力狀態(tài)提供了一種有效的方法。無應力狀態(tài)法較多應用在懸索橋上。

(2)參數調整方法

在橋梁的實際施工中，理論模型與實際結構可能要存在某些偏差，例如，某施工階段橋梁理論模型所計算的內力、撓度或標高等指標可能與真實結構相對應指標存在一些偏差。為確保大橋的質量，必須將這種偏差控制在容許范圍內;否則，就應該對理論模型中的參數進行修正并對后續(xù)施工進行相應的調整。參數調整的方法很多，現介紹幾個比較常用的方法:

①參數識別與調整法這個方法是根據施工中結構的實測值對主要設計參數進行估計，然后將被修正過的設計參數反饋到控制計算中去，重新給出施工中的理論期望值，以消除理論值與實際值不一致中的主要部分。參數識別與調整法是最常采用的施工監(jiān)控方法之一。

②自適應參數識別調整法自適應參數識別調整法就是在人工參數識別調整方法的基礎上，運用自動控制的理論，通過建立適當的、確定的數學模型，對參數進行自動識別、最優(yōu)控制和最優(yōu)估計。自適應參數識別調整法即所謂的智能控制。

③最小二乘法 最小二乘法是由數學王子K.F.Gauss創(chuàng)始于1795年。此法認為“未知量的最可能值是這樣一個值，它使得實踐值與計算值的差的平方乘以精度后所求得的和最小”。最小二乘法是理論體系和計算方法比較完善的傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，在橋梁施工監(jiān)控中主要用于設計參數的識別和修正。在20世紀80年代后期將其應用于斜拉橋的施工控制并取得成功。

④卡耳漫(Kalman)濾波法 卡耳漫(Kalman)濾波是美國學者Kalman.R.E.于1960年提出的，他將狀態(tài)空間的概念引入達隨機估計理論中來，把信號過程視為在白噪音作用下一個線性系統(tǒng)的輸出，這種輸入輸出關系用狀態(tài)方程來描述。在我國，上海市政設計院的林元培先生首次將它應用于柳港大橋(斜拉橋)索力的監(jiān)控和調整過程中，重慶交通大學的顧安邦教授也率先將它應用于黃花園大橋(連續(xù)剛構橋)的施工監(jiān)控中，都取得了成功。

⑤回歸分析法 回歸分析也是進行數據處理的常用方法。通過給定的誤差模式對系統(tǒng)已有數據進行回歸分析計算，找出系統(tǒng)的最佳擬合方程，從而預測系統(tǒng)未來的發(fā)展變化。回歸分析包括一元線性回歸、一元非線性回歸、多元線性回歸，其理論和計算也比較完善。

⑥灰色系統(tǒng)理論法灰色系統(tǒng)理論就是以灰關聯空間為基礎的分析體系，它以現有信息或原始數列為基礎，通過灰過程及灰生成對原始數列進行數據加工處理，建立灰微分方程即灰模型為主體的模型體系，來預測系統(tǒng)未來發(fā)展變化的一種預測控制方法?！吧贁祿！笔腔疑到y(tǒng)理論的重要特點。此法由我國的鄧聚龍教授于1982年首先提出。

4 結語

連續(xù)剛構橋的產生有其歷史必然性，它具有良好的現代交通條件適應性，其相關技術發(fā)展較為迅猛。隨著大量連續(xù)剛構橋的不斷涌現，其設計和施工控制水平日趨完善。同時，連續(xù)剛構橋在設計理論、施工工藝、施工監(jiān)控等方面的理論研究也不斷深入，也在很大程度上保證了成橋質量和施工安全。然而，其中一些局部問題還有待于進一步認識和深入討論。

[1] 徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京:人民交通出版社，2000.

[2] 杜國華.橋梁結構分析[M].上海:同濟大學出版社，1994.

[3] 李國豪.橋梁結構穩(wěn)定與振動[M].北京:中國鐵道出版社，1996.

[4] 雷俊卿.橋梁懸臂施工與設計[M].北京:人民交通出版社，2000.

[5] 楊高中，楊征宇，周軍生，等.連續(xù)剛構橋在我國的應用和發(fā)展[J].中國公路學報，1998，(6):1-7.

[6] 楊高中，楊征宇，周軍生，等.連續(xù)剛構橋在我國的應用和發(fā)展[J].中國公路學報，1998，(7):1-6.

[7] 季國富.大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋若干問題的研究[M].重慶:重慶交通大學，2001.

[8] 周軍生，樓莊鴻.大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋的現狀和發(fā)展趨勢[J].中國公路學報，2000，13(1):32-37.