斜拉橋施工控制技術(shù)分析

張俊志

（邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司，河北邢臺(tái) 054001）

0 引言

斜拉橋作為可以跨越超長(zhǎng)距離的橋梁結(jié)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)主要由主塔與斜索組成的橋梁結(jié)構(gòu)，雖然其跨越能力與結(jié)構(gòu)性能十分突出，但由于該結(jié)構(gòu)橋梁施工時(shí)橋梁的穩(wěn)定性難以控制，如施工工藝不當(dāng)極易出現(xiàn)坍塌事故。因此，為保證斜拉橋的安全施工，施工單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)斜拉橋施工控制技術(shù)的分析研究。

1 斜拉橋施工控制的目的和任務(wù)

（1）斜拉橋是一種高次超靜定橋梁結(jié)構(gòu)，在斜拉橋的具體施工中，會(huì)由于橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)值的差異，以及施工中橋梁荷載的不確定性，導(dǎo)致斜拉橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計(jì)算結(jié)果偏離設(shè)計(jì)要求。若施工過程中不能及時(shí)加以控制和調(diào)節(jié)，不僅會(huì)對(duì)斜拉橋的使用性能造成影響，甚至還會(huì)危及斜拉橋的使用安全。所以，斜拉橋施工控制技術(shù)的主要目的就是保證斜拉橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線性與設(shè)計(jì)要求一致，以保證其使用安全[1]。

（2）斜拉橋施工控制的主要任務(wù)是通過計(jì)算和施工中的控制辦法，對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)的目標(biāo)狀態(tài)與實(shí)施狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整控制，從而使斜拉橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線性與設(shè)計(jì)要求保持一致。其中，施工中的控制方法必須遵循保證斜拉橋結(jié)構(gòu)施工安全與施工周期的原則，具體的控制手段應(yīng)與斜拉橋本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合確定，一般根據(jù)斜拉橋本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理確定施工中允許的誤差范圍，然后在施工中以監(jiān)控為主，從而完成斜拉橋施工控制的任務(wù)，監(jiān)控的主要項(xiàng)目包括主梁的軸線、標(biāo)高、索塔的偏差、索力等。

2 斜拉橋施工控制方法

2.1 自適應(yīng)控制法

（1）在斜拉橋施工過程中，如施工中的混凝土彈性模量、混凝土材料的比重、材料的徐變系數(shù)等施工參數(shù)與設(shè)計(jì)要求的施工參數(shù)相差較大，容易導(dǎo)致斜拉橋施工后的受力狀態(tài)與理想的受力狀態(tài)不符，從而難以滿足施工要求。為解決此類問題，施工單位可以采用自適應(yīng)控制法，該方法主要是由自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的閉環(huán)基礎(chǔ)以及系統(tǒng)辨識(shí)完成，通過自適應(yīng)控制法的應(yīng)用，可以有效地控制斜拉橋施工后的受力狀態(tài)[2]。

（2）自適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的主要原理是，先對(duì)斜拉橋施工中的施工參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，若經(jīng)計(jì)算后，斜拉橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果存在明顯出入，此時(shí)施工人員將誤差參數(shù)輸入至系統(tǒng)辨識(shí)中，經(jīng)多次辨識(shí)后，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算模型的自動(dòng)調(diào)整，施工人員依據(jù)調(diào)整后的計(jì)算模型，可重新計(jì)算并獲取斜拉橋理想受力狀態(tài)下的施工過程，并以此作為根據(jù)控制斜拉橋的受力狀態(tài)。

2.2 開環(huán)控制法

開環(huán)控制法主要用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的斜拉橋中，其主要控制原理是通過設(shè)計(jì)過程估算獲得斜拉橋結(jié)構(gòu)的恒載與活載，并依據(jù)估算結(jié)果計(jì)算獲取斜拉橋的預(yù)拱度。然后在施工過程中依據(jù)獲取的預(yù)拱度開展作業(yè)，在施工過程中斜拉橋的預(yù)應(yīng)力、預(yù)拱度、構(gòu)件重量均是單向決定，且橋梁每個(gè)主梁的位置、索力均通過分析確定后安裝，其安裝精度很高，且橋梁的力學(xué)結(jié)構(gòu)施工單位可以完全掌握。因此，利用開環(huán)控制法施工后的斜拉橋，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線性完全可以滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

2.3 反饋控制法

斜拉橋在施工過程中，施工單位應(yīng)注意其施工效果是否符合設(shè)計(jì)要求，如果發(fā)現(xiàn)斜拉橋的施工狀態(tài)與理想狀態(tài)出現(xiàn)偏差，此時(shí)必須及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整，否則斜拉橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線性將不斷偏離，從而難以滿足設(shè)計(jì)要求，若直接投入使用可能會(huì)造成安全事故。針對(duì)此類情況，施工單位進(jìn)行控制時(shí)可采取反饋控制法，其主要控制原理是通過對(duì)施工中實(shí)際出現(xiàn)的偏差進(jìn)行計(jì)算，并與設(shè)計(jì)的要求值相對(duì)比，得到偏差值并實(shí)現(xiàn)對(duì)偏差的糾正，此類控制法多用于鋼斜拉橋施工中，通過反饋控制可及時(shí)調(diào)整斜拉橋結(jié)構(gòu)的形態(tài)、內(nèi)力、張拉力等，以有效保證斜拉橋的施工精度。

2.4 事后調(diào)整控制法

（1）事后調(diào)整法控制法主要是在斜拉橋施工過程中以及施工完成后進(jìn)行，先由施工人員將斜拉橋施工完成，待質(zhì)量驗(yàn)收時(shí)檢測(cè)其受力狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)如設(shè)計(jì)要求存在差異，再安排施工人員進(jìn)行調(diào)整控制，返修至斜拉橋的受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求為止，此方法主要用于部分特殊的斜拉橋結(jié)構(gòu)中。如小型、方便調(diào)整的斜拉橋工程[4]。

（2）事后調(diào)整控制法從不同時(shí)間點(diǎn)來講可分為2種控制方式。第1種控制主要在斜拉橋每個(gè)分項(xiàng)工程完工后，如經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)分項(xiàng)工程存在差異，立即安排施工人員進(jìn)行調(diào)整控制，滿足要求后再開展下一步施工；第2種控制主要發(fā)生在斜拉橋整體施工完成后，此時(shí)安排檢測(cè)人員檢查其受力狀態(tài)，如與設(shè)計(jì)要求不符，及時(shí)進(jìn)行整改，但此方法實(shí)際操作難度大、成本高，且容易發(fā)生安全施工。因此，斜拉橋?qū)嶋H施工中多采用第1種方式。

3 影響斜拉橋施工控制的因素

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)是斜拉橋施工控制仿真分析中使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，若斜拉橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)準(zhǔn)確性存在問題，則斜拉橋的施工控制工作勢(shì)必受到巨大的影響。雖然在斜拉橋?qū)嶋H控制施工中其用到結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異，但差值在可容許的范圍內(nèi)，因此，其控制工作可以順利進(jìn)行。如果差值超出容許范圍，則將難以實(shí)現(xiàn)斜拉橋的施工控制。常用的斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)包括材料彈性模量、材料容重、結(jié)構(gòu)截面尺寸、材料熱膨脹系數(shù)、結(jié)構(gòu)預(yù)加應(yīng)力、索力等6種[5]。

（2）材料彈性模量是通過對(duì)斜拉橋混凝土取樣，并利用實(shí)驗(yàn)室的分析確定其彈性模量的大小，彈性模量的偏差直接影響斜拉橋的垂直度；材料容重是引起斜拉橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的關(guān)鍵因素，不同的集料、鋼筋含量都會(huì)對(duì)材料的容重造成影響；結(jié)構(gòu)截面是計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的關(guān)鍵參數(shù)，如截面尺寸數(shù)據(jù)存在誤差，勢(shì)必影響施工控制效果。

（3）材料的熱膨脹系數(shù)是指材料的膨脹性能，對(duì)鋼斜拉橋的施工控制具有較大的影響；預(yù)加應(yīng)力是預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的關(guān)鍵參數(shù)，與主梁受力有很大的關(guān)聯(lián)；索力是直接影響下拉橋結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)前斜拉橋施工控制中普遍采用油壓表讀數(shù)控制，但油壓表的讀數(shù)誤差較大，難以有效保證索力的準(zhǔn)確性[6]。

3.2 材料徐變

斜拉橋施工中不可避免會(huì)使用到混凝土材料，而混凝土材料具有收縮、徐變的基本特性，其收縮、徐變的主要影響因素包括混凝土的配合比、周圍環(huán)境的濕度、養(yǎng)護(hù)的齡期、承受荷載的大小等，混凝土收縮、徐變的發(fā)生對(duì)斜拉橋的施工控制具有一定的影響。在斜拉橋施工控制過程中，混凝土的收縮、徐變量越大則斜拉橋的變形就越大，同時(shí)由于斜拉橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，混凝土的收縮、徐變量增大還會(huì)使其結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力重分布，從而嚴(yán)重影響斜拉橋施工控制效果[7]。

3.3 溫度變化

斜拉橋施工控制過程中，施工單位在不同溫度的情況下檢測(cè)斜拉橋的內(nèi)力、變形情況，其檢測(cè)結(jié)果勢(shì)必會(huì)存在差異，表明周圍環(huán)境的溫度對(duì)斜拉橋施工控制具有一定的影響。如施工控制過程中忽略了對(duì)溫度的管控，則很難有效地保證斜拉橋的施工質(zhì)量，針對(duì)溫度的把控，施工單位在檢測(cè)斜拉橋內(nèi)力、變形情況時(shí)，固定選取每天早晨為實(shí)測(cè)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，對(duì)溫差較大的情況可根據(jù)實(shí)際溫度推遲或提早檢測(cè)時(shí)間，從而保持檢測(cè)溫度恒定，避免溫度對(duì)斜拉橋施工控制的影響。

3.4 施工因素

3.4.1 施工方案

斜拉橋是一種高次超靜定的橋梁結(jié)構(gòu)，其施工時(shí)采用的施工方法及橋梁的安裝順序，均與斜拉橋成型后的恒載內(nèi)力及變形情況相關(guān)。在施工階段斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系及荷載狀態(tài)在不斷發(fā)生變化，此時(shí)其結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線性也在隨之變化，若此時(shí)貿(mào)然改變施工檔案，則勢(shì)必影響斜拉橋整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，因此，施工控制過程中要注意施工方案對(duì)斜拉橋的影響。

3.4.2 施工誤差

（1）梁段誤差：斜拉橋梁段的重量是施工控制中的關(guān)鍵參數(shù)，如梁段的重量與設(shè)計(jì)要求相差過多，則斜拉橋施工完成后其性能勢(shì)必會(huì)遭受影響，而在斜拉橋梁體澆筑施工中，采用的模板普遍具有一定的彈性，澆筑時(shí)容易發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致混凝土的實(shí)際澆筑量增加，致使梁段的重量增加，從而使梁段的重量出現(xiàn)誤差，影響斜拉橋施工控制精度[8]。

（2）臨時(shí)荷載誤差：斜拉橋施工過程中會(huì)使用很多的機(jī)械工具，如掛籃。在掛籃施工中如果不能對(duì)掛籃的大小、位置、加載卸載時(shí)間明確規(guī)定，則在斜拉橋施工控制過程中就難以對(duì)掛籃荷載產(chǎn)生的誤差進(jìn)行有效的誤差識(shí)別與預(yù)測(cè)，從而會(huì)直接影響施工控制的精度。此外，采用掛籃施工時(shí)由于掛籃的剛度還會(huì)對(duì)施工中的平順性造成影響，因此，在斜拉橋施工控制過程中要充分重視臨時(shí)荷載的影響，避免產(chǎn)生較大的誤差，影響控制精度。

（3）測(cè)量誤差：斜拉橋施工中需要先進(jìn)行測(cè)量放樣，再開展施工作業(yè)，而測(cè)量放樣的精度對(duì)斜拉橋的施工質(zhì)量具有重大的影響，也會(huì)對(duì)施工控制的精度產(chǎn)生影響，測(cè)量中很多的數(shù)據(jù)均通過儀器獲得，儀器的精確性存在問題，則測(cè)量精度就難以保證，從而難以有效地保證斜拉橋的控制精度。

3.4.3 施工監(jiān)測(cè)

斜拉橋施工控制過程中采用的最常規(guī)控制手段為施工監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括橋梁結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力變化、變形情況等。在監(jiān)測(cè)過程中很多數(shù)據(jù)難免會(huì)存在誤差，這可能是因?yàn)椴捎玫臋z測(cè)設(shè)備不精準(zhǔn)、安裝不到位、采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、采集的環(huán)境不一致等，而因施工監(jiān)測(cè)中的誤差，可能會(huì)導(dǎo)致斜拉橋結(jié)構(gòu)中的實(shí)際參數(shù)發(fā)生變化，從而影響施工控制的效果。為避免此類問題，施工單位應(yīng)安排專業(yè)人員負(fù)責(zé)此項(xiàng)工作，保證檢測(cè)設(shè)備、環(huán)境滿足要求，從而保證監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

3.4.4 施工管理

（1）斜拉橋施工過程不可避免地需要開展管理工作，合理的施工管理可以有效地保證施工進(jìn)度、質(zhì)量，而不合理的施工管理可能會(huì)造成施工進(jìn)度緩慢，如本應(yīng)在固定時(shí)間完成合龍施工的施工段，因管理不到位延誤了幾個(gè)小時(shí)，從而導(dǎo)致材料發(fā)生徐變問題，最終影響斜拉橋的施工質(zhì)量。因此，施工管理對(duì)斜拉橋施工控制具有很大的影響，針對(duì)斜拉橋的施工管理影響大體可分為施工前管理、施工中管理以及施工后管理，其中上述因合龍施工管理不到位，就屬于施工中的管理影響。

（2）針對(duì)斜拉橋施工前的管理影響而言，在斜拉施工前，施工單位需要做好組織管理工作，沒有合理的組織管理，斜拉橋施工人員、流程、方案就無法得以保證，從而導(dǎo)致后續(xù)施工難以進(jìn)行。因此，施工前斜拉橋的管理工作時(shí)保證斜拉橋施工質(zhì)量的基礎(chǔ)，若沒能做好斜拉橋施工前的管理，則整個(gè)施工過程均無法有效地開展，即使可以開展斜拉橋施工，則施工中也會(huì)存在人員配置不合理、施工流程出現(xiàn)差錯(cuò)等問題[9]。

（3）對(duì)于斜拉橋施工后的施工后管理而言，其主要是針對(duì)斜拉橋質(zhì)量檢測(cè)及驗(yàn)收階段的管理，斜拉橋施工完成后必須安排專業(yè)的人員對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，如經(jīng)檢測(cè)存在質(zhì)量問題，必須進(jìn)行返工處理，在此階段管理中，管理人員應(yīng)對(duì)質(zhì)量檢測(cè)的每個(gè)步驟進(jìn)行監(jiān)督，同時(shí)檢查各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而保證整個(gè)檢測(cè)過程的合理性，若在施工后的檢測(cè)中沒能有效開展管理工作，則很可能導(dǎo)致斜拉橋質(zhì)量檢測(cè)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，一旦經(jīng)過驗(yàn)收投入運(yùn)營(yíng)后，就容易發(fā)生質(zhì)量問題，甚至發(fā)生安全事故。

4 結(jié)語

斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系比其他橋梁更為復(fù)雜，在斜拉橋施工過程中其內(nèi)力和位移變化更為頻繁，且施工中很多因素對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響十分嚴(yán)重，若施工單位不能采取合理的控制措施，極易導(dǎo)致斜拉橋的運(yùn)營(yíng)出現(xiàn)問題。因此，在目前斜拉橋施工控制中，仍存在著許多需要解決的問題，各建設(shè)單位只有不斷地加強(qiáng)對(duì)斜拉橋施工控制技術(shù)的研究，才能進(jìn)一步保證斜拉橋的施工質(zhì)量，推動(dòng)我國(guó)橋梁工程的進(jìn)一步發(fā)展。