【摘要】本文介紹了鋼管混凝土勁性骨架拱橋的施工監控理論和方法，對主要設計參數進行參數識別及敏感度分析，對實測值和理論值進行比較，通過誤差分析提供的信息，對結構進行控制，成橋線性符合設計要求。達到控制目的。
【關鍵詞】鋼管混凝土勁性骨架
拱橋 施工監控
一、施工監控的意義
對于大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋來說，施工監控絕不是一件可有可免的事情，它直接關系到施工的質量和施工的成敗，還與經濟效益緊密相關。勁性骨架在施工過程中要經歷懸臂——鉸接——固接的體系轉換過程，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量、截面特性、截面材料成分都在不斷的變化，應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、環境溫度、環境濕度、日照時間等的影響，任一因素都可能使得拱橋的施工朝著偏離預定目標的方向發展，而可能處于高應力水平的局部桿件又會危及結構的安全。因此，在施工現場建立一個預測-施工-觀測-識別-反饋-調整的反復循環過程就顯得格外重要。
鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工步驟多，主拱截面變化大，結構受力復雜。因此，為保證施工過程中主拱結構的截面應力分布、燒度變化都處于安全合理的范圍內，特別是確保橋梁建成后主拱結構的線形與內力（應力）符合設計要求，必須對主拱結構進行預測、模擬、監測、跟蹤分析和控制，以確保橋梁的施工安全、順利、快捷、優質地完成。
二、控制技術、理論及控制計算
1.控制技術
（1）外力平衡法
顧名思義，外力平衡法是對需要調整的結構施加外力，憑借外力的作用來改變結構行為的方法。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和地錨相連，中間設置拉力緊固器，按計算加載量加載的方法。這種利用地錨加載的辦法優缺點并存，優點是加載量控制方便，缺點是僅適用于旱地和干涸的河床。在后來修建丹東河口橋時，這種方法得到改進，把由拉力緊固器提供外力改進為以懸掛重物實現預加載，這種改進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時，在拱肋頂部布置水箱，隨著混凝土澆注的推進，根據拱箱特征，變形觀測值，結合應力（應變）監測情況，通過對水箱加水加載和排水卸載實現對拱軸線豎向變形的控制和應力的調整。宜賓南門金沙江大橋施工中就運用了這種控制方法。該橋在應用水箱加卸載的控制過程中運用優化控制分析原理控制應力和變形，其控制方程為：
應力控制方程σx（p1，p2，...，pn）≤1.25[σ]
變形控制方程Δx（p1，p2，...，pn）≤1.25[Δ]
其中，σx，Δx表示優化選擇的目標函數，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的數值，就可根據pi（l≤i≤n）的大小施加水箱荷載，進行調整。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
斜拉扣控法在國外較早用于大跨徑鋼筋混凝土拱橋的無支架施工，修建廣西邕寧邕江大橋時，首次成功運用斜拉扣控法作為拱橋主拱應力和變形的調整方法。其思路是借助鋼骨架階段吊裝的扣索來調整混凝土澆注階段內力。通過對扣索的張放，給拱肋施加一定量的拉力，以減少各澆注階段混凝土產生的彎矩，從而達到減小應力、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外力，給主拱施加方向向下的荷載，斜拉扣控法則通過扣索給主拱施加方向為斜上的荷載。
（2）無外力控制法
無外力控制法也叫多點均衡澆注法，即混凝土的澆注分多工作面進行，它是我國傳統的雙曲拱橋拱板混凝土的澆注方法。在大跨徑勁性骨架拱橋中，萬縣長江大橋首次采用這種方法。這種方法是采用橫向分環縱向分段的方法來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程中，多工作面作業，使勁性骨架受力相對均勻，從而使勁性骨架應力分配均勻，變形和順。
（3）聯合法
作者認為，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合使用，為方便起見，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，使得拱圈的應力和變形更易控制。
此外，多點均衡澆注法也可與斜拉扣控法聯合使用，我們把它稱為聯合法，這種方法可以在靠近拱腳段的拱肋上適當位置選取扣點，用鋼纜作為扣索，通過塔架固定在地錨上，這樣做的好處是可以使拱腳段的混凝土一次澆注量大為增加，同時又可以減輕拱腳的負擔，遠離拱腳段仍采用多點均衡澆注法。這種方法尤適用于大跨徑勁性骨架混凝土拱橋，它可充分利用線索吊裝施工的塔架。
2.控制理論分析
目前，國內外提出的控制理論主要有：最小二乘法最優控制法、卡爾曼濾波隨機最優終點控制方法、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，應用最廣。鋼管混凝土勁性骨架拱橋采用了最小二乘法進行參數識別。
3.控制計算
（1）控制計算模型
以某大跨徑鋼管混凝土勁性骨架拱橋為例，其控制計算模型可分為兩種，一種是平面計算模型，另一種是空間計算模型。平面計算模型是把結構簡化為平面結構，根據設計定義的節段，把各鋼橋架節段離散為梁單元，后期施工的混凝土部分則擬合到梁單元中，根據施工進程改變拱腳約束條件及單元材料特性和截面特性。空間控制計算模型則是把鋼橋架各桿件作為梁單元，混凝土作為板單元處理，通過譯碼、粘結形成板梁組合單元。這樣處理，鋼梁單元的剛度不變，板單元的剛度則隨著本單元混凝土的澆注量變化而變化，這種計算模式下梁單元與板單元的變形是協調的。各模型如圖1、圖2所示。
（2）控制計算
一般來說，施工監控都不可能在一次理論分析計算后便能得到滿意的結果，通常采用的辦法是把正裝計算法和倒拆計算法結合使用，經過多次循環送代，使理論分析的結果逐步逼近結構的實際狀態。其方法描述如下；
a．根據設計的初始狀態，用正裝計算法求出各施工階段的內力和位移，得出第一次成橋狀態，一般都與設計不相符。
b.由（a）所得成橋狀態，進行倒裝分析，以位移反推求得結構的最初狀態，由此得到第一次虛擬的理想狀態。
c.由（b）所得初狀態按施工順序進行正裝計算，求出新的成橋狀態。
此時的成橋狀態與設計的成橋狀態一般都部吻合，因此，必須把新的成橋狀態作為虛擬的設計成橋狀態，進行步驟（2）和步驟（3）的操作，直至最終得出的成橋狀態與實際的設計成橋狀態一致。此時的初始狀態即為理想的初始狀態，中間各階段狀態則為中間目標。
循環迭代中，初始狀態的坐標的確定；
（3）誤差分析
盡管在施工監控中千方百計排除各種確定和不確定因素的干擾，實測值與理論值之間還是不可避免地存在一定的偏差，有時甚至相差甚遠。誤差分析就是通過對應力或位移偏差分析、結構參數敏感度分析、結構參數識別，找出產生偏差的原因，確定設計參數的真實值，以保證后階段的理論分析的可靠性，并對偏差進行適當的修正。
三、施工監測
勁性骨架拱橋施工監測的主要內容為：溫度監測，應力監測，位移（撓度、軸線）監測等。
（l）對各主拱肋拱腳進行變位監測，以確定拱座基礎是否有位移。
（2）對各主拱肋各控制截面（L/8，L／4，L/2）及勁性骨架接頭進行線形和位移監測，以便掌握拱肋的真實位移情況。
（3）對主拱肋拱腳，L/8，L／4，3L/8、拱頂截面的鋼管（筋）及混凝土的應力進行監測。
（4）對主拱肋鋼管、管內混凝土、拱箱混凝土進行溫度監測，以獲得與線形及位移相對應的大氣溫度，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。
四、控制實施及結果
控制的實施通常是根據實測控制變量的值與理論分析的各施工階段中間理想目標值的差異，采用一定的方式對結構進行調整。與梁橋的施工監控相比，勁性骨架拱橋施工監控中的預報次要得多，因為它不存在控制立模標高的問題，所起作用主要是校核實測值與預測值的吻合程度。通過對造成實測值與中間理想目標值的差異的原因分析，采用合理的調整方案，使最終目標得以實現。
在特大跨勁性骨架拱橋施工中，勁性骨架階段的調整通常憑借外力來完成（如通過纜風或扣索施加荷載等）；而在主拱圈施工階段則常采用混凝土不完全對稱澆注來實現的，只有在偏差很大時才實用外力進行調整；拱上建筑加載階段通常也是通過調整預制或現澆的構件來達到目的的。某鋼管混凝土動性骨架拱橋的控制結果如表1、表2所示。
五、結語
通過對勁性骨架拱橋施工監控的理論分析和實測比較，我們可以得出結論：
（1）施工控制所采用的計算模型、監測方法和控制方法是可行的。為同類型橋梁的施工監控提供了有益的資料，值得推廣。
（2）施工過程中，結構行為一般都偏離中間理想目標，采用結構自身恒載調整時，不應急于求成，而應多次、小幅進行。
參考文獻
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