洪水河水庫專用鋼橋關(guān)鍵施工技術(shù)分析及效果評價

李 翔

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000）

為滿足水庫正常運營， 合理的交通建設(shè)十分必要，且鑒于施工條件的復(fù)雜性，鋼橋應(yīng)用時有發(fā)生，因此， 開展其關(guān)鍵施工技術(shù)分析及效果評價具有重要意義［1］。目前，如李澤鑫［2］進(jìn)行了若羌河水庫的交通工程設(shè)計分析；趙亞等［3］分析了水庫大喬的設(shè)計變更管理；上述研究取得了預(yù)期成果，但均未進(jìn)行水庫鋼橋的關(guān)鍵施工技術(shù)分析及效果評價，因此，仍有進(jìn)一步研究空間。

以洪水河水庫專用鋼橋為工程背景，開展鋼橋關(guān)鍵施工技術(shù)分析，結(jié)合橋梁變形監(jiān)測成果，通過預(yù)測分析等評價鋼橋施工效果，以期為類似工程積累經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程基本信息

為保證酒泉市肅州區(qū)洪水河水庫工程進(jìn)水口閘至庫岸的合理交通，專門設(shè)計了兩跨簡支梁鋼橋，即由0～2 軸；鋼橋長度設(shè)計為2 m×22 m，單跨支承長度21.25 m，總寬5 m，且中墩采用固定支座，兩側(cè)橋臺采用滑動支座，如圖1。

圖1 橋梁立面示意圖

在鋼橋設(shè)計過程中，其采用兩跨簡支梁結(jié)構(gòu)，單跨由5 片主梁和17 道橫梁組成，主梁梁高1000 mm，上翼緣厚25 mm， 寬300 mm， 下翼緣厚25 mm，寬350 mm，腹板厚18 mm，橋面板采用20 mm 厚鋼板。

本工程鋼梁采用分段分片加工， 現(xiàn)場分塊吊裝的施工方法，單件吊裝重量最大為64 t，單個分塊最長22 m，寬度5 m，最大安裝高度45 m。

2 鋼橋關(guān)鍵施工技術(shù)

在鋼橋施工過程中，其施工順序設(shè)計：在工廠內(nèi)分段制作好后采用陸路運輸至現(xiàn)場庫岸平臺上，在庫岸側(cè)搭設(shè)拼裝胎架， 梁段在拼裝胎架進(jìn)行拼裝焊接。 庫岸側(cè)一跨簡支橋整體拼裝完成后采用1 臺450 t 汽車吊單機吊裝就位，進(jìn)水口閘室側(cè)一跨簡支橋分兩塊分別吊裝，每塊吊裝采用1 臺450 t 汽車吊位于岸庫側(cè)和1 臺260 t 汽車吊位于塔身平臺進(jìn)行雙機抬吊。

本次橋梁吊裝的現(xiàn)場拼裝、 轉(zhuǎn)移平臺設(shè)置于庫岸側(cè)山頂，因此，庫岸側(cè)第一跨簡支橋梁0～1 軸線整體拼裝完成后首先吊裝， 第二跨1～2 軸線橋梁分橫向兩塊，吊裝順序如圖2。

圖2 吊裝順序平面示意圖

2.1 胎架拼裝技術(shù)

由于橋梁高度較高，因此，胎架拼裝顯得格外重要。結(jié)合工程實際，胎架布置在鋼梁對接環(huán)口兩側(cè)，主要由圓管柱、 型鋼分配梁和混凝土獨立基礎(chǔ)3 部分組成。

由于鋼梁跨度大，為保證其豎向曲線合理，需在鋼梁制作時就應(yīng)實現(xiàn)預(yù)拱度，且結(jié)合工程實際，可通過胎架變化來實現(xiàn)鋼梁預(yù)拱度。

根據(jù)設(shè)計成果，設(shè)計預(yù)拱度、安裝預(yù)拱度具疊加關(guān)系，其中，設(shè)計預(yù)拱值為50 mm，主要制作放樣時考慮，通過工廠胎架線性來實現(xiàn)；安裝預(yù)拱值為75 mm，主要現(xiàn)場安裝時考慮，通過拼裝胎架標(biāo)高來實現(xiàn)。

2.2 橋墩保護(hù)技術(shù)

橋墩是鋼橋施做的基礎(chǔ)，其質(zhì)量、安全控制是必須的。

考慮到橋梁安裝過程中， 可能會與橋墩上施加水平荷載或不確定方向的荷載，因此，提出通過門架滑道梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行橋墩構(gòu)造保護(hù)， 且在進(jìn)行構(gòu)件拖拉時，將構(gòu)件在墩帽上進(jìn)行滑移，確保水平反力轉(zhuǎn)變?yōu)殚T架軸力，進(jìn)而保證橋墩結(jié)構(gòu)安全。

在橋梁構(gòu)件拖拉過程中， 應(yīng)在拖拉油缸上安裝傳感器，并于泵站處設(shè)置溢流閥，確保實時掌控力的大小，將橋墩所受附加力控制在可控范圍內(nèi)。

2.3 鋼梁吊裝技術(shù)

結(jié)合工程實際，將吊裝工況劃分為3 個，并逐個驗算各個工況條件下吊裝機械的合理性。

（1） 工況1。0～1 軸線鋼梁采用450 T 汽車吊進(jìn)行整體單機吊裝。

0～1 軸線整體拼裝節(jié)段重量為63 t， 索具按2 t考慮，采用450 t 單機吊裝；查450 t 吊機參數(shù)表，16 m吊裝半徑， 最大起重重量82.4 t， 其吊機負(fù)荷率為：65/82.4=78%<80%，滿足吊裝要求。

（2）工況2。1～2 軸線第二吊段，采用450 t 吊裝，懸挑8 m。

1～2 軸線第二吊段重量為34.47 t，索具按2 t 考慮，采用450 t 單機吊裝；查450 t 吊機參數(shù)表，24 m吊裝半徑， 最大起重重量52.4 t， 其吊機負(fù)荷率為：37/52.4=70%<80%，滿足吊裝要求。

（3） 工況3。1～2 軸線第三吊段， 采用450 t 和260 t 汽車吊雙機抬吊至橋位。

1～2 軸線第三吊段重量為34.47 t，索具按2 t 考慮，采用雙機抬吊，1 臺吊機吊裝荷載為：（35+2）÷2=18.5 t。查450t 吊機參數(shù)表，26 m 吊裝半徑，最大起重重量47.5 t， 其吊機負(fù)荷率為：18.5/47.5=39%<75%，滿足吊裝要求（雙機抬吊最大負(fù)荷取值為小于75%）；查260 t 吊機參數(shù)表，12 m 吊裝半徑，最大起重重量26.6 t， 其吊機負(fù)荷率為：18.5/26.6=69%<75%，滿足吊裝要求（雙機抬吊最大負(fù)荷取值為小于75%）。

查260 t 汽車吊參數(shù)表，12 m 吊裝半徑，62 m 大臂，吊車最大仰角滿足要求。

2.4 鋼梁施工技術(shù)

（1）鋼梁安裝。鋼梁節(jié)段吊裝至支座上方100 mm位置，減慢降落速度，緩慢將鋼梁落至支座上，穩(wěn)定狀態(tài)后再松鉤； 鋼梁中線對接偏差保證10 mm 以內(nèi)，橋墩處標(biāo)高偏差保證±10 mm 以內(nèi)；鋼梁就位后經(jīng)測量校正后，加設(shè)馬板進(jìn)行固定，待焊接完成后拆除馬板。

（2）鋼梁焊接。鋼梁焊接過程應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求，如主要角焊縫誤差不大于0.5 mm，受壓部件焊縫誤差不大于0.3 mm，其他焊縫誤差不大于1.0 mm。

（3）糾偏技術(shù)。在鋼梁安裝過程中，可能出現(xiàn)側(cè)向位移， 需在安裝過程中實時校核鋼梁及其部件的對齊情況；若發(fā)現(xiàn)不同步，要及時糾偏，將偏差值調(diào)整至允許范圍內(nèi)。

3 鋼橋施工效果評價

3.1 評價方法的構(gòu)建

在鋼橋施工過程中，會進(jìn)行變形監(jiān)測，即在0～2軸頂分別布設(shè)了JC1～JC3 監(jiān)測點，因此，提出通過鋼橋變形數(shù)據(jù)分析來評價施工效果， 并將分析思路分為兩步： ①將監(jiān)測時段內(nèi)的累計變形值與鋼橋變形控制值對比，若仍在控制值范圍內(nèi)，說明在監(jiān)測時段內(nèi)，鋼橋施工效果較優(yōu)；②對監(jiān)測時段內(nèi)的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，若其后變形值仍在控制值范圍內(nèi)，說明鋼橋在后期一定時段內(nèi)的施工效果也較優(yōu)， 側(cè)面也就說明鋼橋施工是合理的。因此，該節(jié)后續(xù)再重點開展變形預(yù)測模型構(gòu)建。

在變形預(yù)測模型構(gòu)建過程中，將其步驟劃分為3步：①對橋梁變形數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；②構(gòu)建橋梁真實變形量的預(yù)測模型； ③構(gòu)建橋梁噪聲變形量的預(yù)測模型。

3.1.1 去噪處理模型的構(gòu)建

受監(jiān)測環(huán)境限制， 橋梁變形監(jiān)測數(shù)據(jù)會含有一定誤差信息，因此，需先開展變形數(shù)據(jù)的去噪處理。考慮到WPT 可合理剔除低頻信號，是一種較優(yōu)的信號提取方法，因此，通過其實現(xiàn)橋梁變形數(shù)據(jù)的去噪處理。

因此，通過WPT 處理，將橋梁變形數(shù)據(jù)的分解形式表示為［4］：

式中Bi為橋梁變形監(jiān)測數(shù)據(jù) （mm）；F1i為數(shù)據(jù)分量1，代表橋梁真實變形量（mm）；F2i為數(shù)據(jù)分量2，代表橋梁噪聲變形量（mm）。

為合理評價WPT 的去噪效果，以SNR（信噪比）為評價指標(biāo)，即［4］：

式中Powern為過濾后的橋梁變形數(shù)據(jù)功率；Powers為橋梁變形數(shù)據(jù)功率。

據(jù)SNR 原理，其值越大，說明去噪效果越優(yōu)。

由于通過WPT 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分解處理，預(yù)測模型也對分量1 和分量2 進(jìn)行針對性構(gòu)建。

3.1.2 真實變形量的預(yù)測模型構(gòu)建

考慮到相關(guān)向量機 （Relevance Vector Machine，RVM）能合理摒棄Mercer 理論限制，泛化能力強，所以以其構(gòu)建數(shù)據(jù)分量1 的預(yù)測模型。

由RVM 原理，其訓(xùn)練函數(shù)格式為［5］：

式中zi為數(shù)據(jù)分量1 的預(yù)測值（mm）；xi為輸入信號（mm）；N 為訓(xùn)練集個數(shù)（個）；wi、w0為權(quán)值向量；k（xi）為激勵函數(shù)；ε 為高斯噪聲。

顧及RVM 的權(quán)值向量是由模型隨機產(chǎn)生， 其客觀性欠缺， 進(jìn)一步提出鯨群優(yōu)化算法（Whale Optimization Algorithm，WOA）開展其尋優(yōu)處理。

結(jié)合WOA 的原理， 將其尋優(yōu)流程總結(jié)如圖3。

圖3 WOA 的尋優(yōu)處理流程

據(jù)上， 數(shù)據(jù)分量1 的預(yù)測模型確定為WOA-RVM。

3.1.3 噪聲變形量的預(yù)測模型構(gòu)建

考慮到數(shù)據(jù)分量2 的非線性規(guī)律顯著，因此，提出通過Arima 構(gòu)建其預(yù)測模型。據(jù)Arima 原理，其訓(xùn)練函數(shù)為［6］：

式中Rt為數(shù)據(jù)分量2 的預(yù)測值（mm）；p、q 為回歸參數(shù)；rt-m為預(yù)測誤差值（mm）；φm為自回歸參數(shù)；at、at-j為對白噪聲參數(shù)；θj為滑動參數(shù)。

結(jié)合上述， 將橋梁變形預(yù)測模型最終確定為WOA-RVM-Arima。

3.2 變形分析結(jié)果

在鋼橋施工過程中，對3個監(jiān)測點進(jìn)行變形監(jiān)測，共計得到28 期變形數(shù)據(jù)，其時間-變形曲線如圖4。據(jù)圖4，橋梁累計變形曲線大致呈持續(xù)增加規(guī)律，形態(tài)上具“緩-陡-緩”特征。

圖4 鋼橋時間-變形曲線

為進(jìn)一步掌握鋼橋變形規(guī)律， 再對3 個監(jiān)測點的變形速率特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計， 其中，JC1 的變形速率范圍為0.02～0.71 mm/期，平均速率為0.27 mm/期；JC2 的變形速率范圍為0.02～0.82 mm/期，平均速率為0.33 mm/期；JC3 的變形速率范圍為0.02～0.96 mm/期，平均速率為0.29 mm/期。

按照鋼橋施工效果評價思路，JC1 的累計變形值為7.56 mm，JC2 的累計變形值為9.21 mm，JC3 的累計變形值為8.22 mm，三者均小于15 mm（鋼橋變形控制值），說明在監(jiān)測時段內(nèi)，鋼橋施工效果較優(yōu)。

其后，再進(jìn)一步開展鋼橋變形預(yù)測研究，且在此過程中，先開展數(shù)據(jù)去噪處理；為驗證WPT 的去噪效果，再采用sym 小波、Kalman 濾波進(jìn)行同樣處理。

經(jīng)統(tǒng)計，WPT 的SNR 值為39.65dB，sym 小波的SNR 值為 28.66dB，Kalman 濾波的 SNR 值為25.34dB； 對比而言，WPT 相較其他兩類方法的去噪效果更優(yōu)， 即通過其開展橋梁變形數(shù)據(jù)的去噪處理是正確的。

為驗證預(yù)測思路的合理性，以JC1 為例，詳述統(tǒng)計不同預(yù)測階段的預(yù)測結(jié)果如表1。據(jù)表1，在數(shù)據(jù)分量1 的預(yù)測結(jié)果中，RVM 預(yù)測結(jié)果的相對誤差范圍為2.46%～2.86%，平均值為2.61%；WOA-RVM 預(yù)測結(jié)果的相對誤差范圍為2.14%～2.30%， 平均值為2.23%；此兩模型對比，通過WOA 的優(yōu)化處理，能有效提高數(shù)據(jù)分量1 的預(yù)測精度， 說明其預(yù)測模型是合理的；再經(jīng)Arima 對數(shù)據(jù)分量2 的預(yù)測處理，得到JC1 最終預(yù)測結(jié)果的相對誤差范圍為2.01%～2.13%，平均值為2.07%，即其最終預(yù)測精度較高，充分說明WOA-RVM-Arima 適用于橋梁變形預(yù)測。

表1 JC1 在不同階段的預(yù)測結(jié)果

按預(yù)測思路，再利用WOA-RVM-Arima 開展其他監(jiān)測點的變形預(yù)測，結(jié)果如表2。據(jù)表2，在3 個監(jiān)測點的預(yù)測結(jié)果中，JC1～JC3 的相對誤差均值依次為2.07%、2.10%和2.15%，均具較高的預(yù)測精度，充分驗證了WOA-RVM-Arima 的預(yù)測能力。

表2 JC1～JC3 的預(yù)測結(jié)果

據(jù)表2 中29～31 期的外推預(yù)測結(jié)果， 得出3 個監(jiān)測點的變形雖會進(jìn)一步增加，但增加速率較小，趨于穩(wěn)定方向發(fā)展， 且預(yù)測結(jié)果中的最終累計變形值介于7.79～9.75 mm，也都小于鋼橋變形控制值，說明鋼橋在后期一定時段內(nèi)的施工效果也較優(yōu)。

綜上所述，不論是在監(jiān)測時段內(nèi)，還是其后一定時期內(nèi)，橋梁變形均在變形控制值范圍內(nèi)，說明鋼橋施工是合理的。

4 結(jié)語

（1）洪水河水庫專用鋼橋的施工難度較大，其關(guān)鍵施工技術(shù)主要包括胎架拼裝技術(shù)、鋼梁運輸技術(shù)、橋墩保護(hù)技術(shù)、鋼梁吊裝技術(shù)及鋼梁施工技術(shù)；各類施工技術(shù)對橋梁安全施工至關(guān)重要， 其相互配合也很必要，需切實落實技術(shù)管理。

（2）通過橋梁變形數(shù)據(jù)分析，WPT 能有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)去噪處理，且WOA-RVM-Arima 也能實現(xiàn)橋梁變形數(shù)據(jù)的高精度預(yù)測， 所得預(yù)測結(jié)果的相對誤差值在2.07%～2.15%之間， 預(yù)測效果較優(yōu)； 根據(jù)外推預(yù)測， 得出橋梁在監(jiān)測時段和其后一定時期內(nèi)的累計變形均小于變形控制值，說明橋梁施工合理有效。