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钢管混凝土劲性管架拱桥施工监控

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2019-12-04 12:00

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　　本文介绍了钢管混凝土劲性骨架拱桥的施工监控理论和方法，对主要设计参数进行参数识别及敏感度分析，对实测值和理论值进行比较，通过误差分析提供的信息，对结构进行控制，成桥线性符合设计要求。达到控制目的。

　　一、施工监控的意义

　　对于大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥来说，施工监控绝不是一件可有可免的事情，它直接关系到施工的质量和施工的成败，还与经济效益紧密相关。劲性骨架在施工过程中要经历悬臂——铰接——固接的体系转换过程，形成高次超静定体系。在有外包混凝土的钢管混凝土劲性骨架拱桥中，拱箱混凝土浇注使得主拱单元的单元数量、截面特性、截面材料成分都在不断的变化，应力和挠度也处于大幅位变化中，再加上施工荷载、几何非线性、材料非线性、环境温度、环境湿度、日照时间等的影响，任一因素都可能使得拱桥的施工朝着偏离预定目标的方向发展，而可能处于高应力水平的局部杆件又会危及结构的安全。因此，在施工现场建立一个预测-施工-观测-识别-反馈-调整的反复循环过程就显得格外重要。

　　钢管混凝土劲性骨架拱桥施工步骤多，主拱截面变化大，结构受力复杂。因此，为保证施工过程中主拱结构的截面应力分布、烧度变化都处于安全合理的范围内，特别是确保桥梁建成后主拱结构的线形与内力（应力）符合设计要求，必须对主拱结构进行预测、模拟、监测、跟踪分析和控制，以确保桥梁的施工安全、顺利、快捷、优质地完成。

　　二、控制技术、理论及控制计算

　　1.控制技术

　　（1）外力平衡法

　　顾名思义，外力平衡法是对需要调整的结构施加外力，凭借外力的作用来改变结构行为的方法。它主要包括锚索加载法、水箱加载法和斜拉扣控法。

　　a.锚索加载法

　　锚索加载法是利用钢索把加载点和地锚相连，中间设置拉力紧固器，按计算加载量加载的方法。这种利用地锚加载的办法优缺点并存，优点是加载量控制方便，缺点是仅适用于旱地和干涸的河床。在后来修建丹东河口桥时，这种方法得到改进，把由拉力紧固器提供外力改进为以悬挂重物实现预加载，这种改进使得锚索加载法不再受地形限制。

　　b.水箱加载法

　　水箱加载法是在浇注拱箱混凝土时，在拱肋顶部布置水箱，随着混凝土浇注的推进，根据拱箱特征，变形观测值，结合应力（应变）监测情况，通过对水箱加水加载和排水卸载实现对拱轴线竖向变形的控制和应力的调整。宜宾南门金沙江大桥施工中就运用了这种控制方法。该桥在应用水箱加卸载的控制过程中运用优化控制分析原理控制应力和变形，其控制方程为：应力控制方程σx（p1，p2，……，pn）≤1.25[σ]变形控制方程Δx（p1，p2，……，pn）≤1.25[Δ]

　　其中，σx，Δx表示优化选择的目标函数，p1，p2，……，pn则表示水箱的作用位置和水箱荷载的大小。只要求出符合控制方程的集中力p1，p2，……，pn的数值，就可根据pi（l≤i≤n）的大小施加水箱荷载，进行调整。此法加载、卸载都十分方便，操作可靠，不失为一种可行的控制方法。

　　c.斜拉扣挂法

　　斜拉扣控法在国外较早用于大跨径钢筋混凝土拱桥的无支架施工，修建广西邕宁邕江大桥时，首次成功运用斜拉扣控法作为拱桥主拱应力和变形的调整方法。其思路是借助钢骨架阶段吊装的扣索来调整混凝土浇注阶段内力。通过对扣索的张放，给拱肋施加一定量的拉力，以减少各浇注阶段混凝土产生的弯矩，从而达到减小应力、控制变形的目的。

　　此法与前面提到的两种外力平衡法反其道而行之，锚索加载法和水箱加载法都是通过外力，给主拱施加方向向下的荷载，斜拉扣控法则通过扣索给主拱施加方向为斜上的荷载。

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　　（2）无外力控制法

　　无外力控制法也叫多点均衡浇注法，即混凝土的浇注分多工作面进行，它是我国传统的双曲拱桥拱板混凝土的浇注方法。在大跨径劲性骨架拱桥中，万县长江大桥首次采用这种方法。这种方法是采用横向分环纵向分段的方法来浇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浇注过程中，多工作面作业，使劲性骨架受力相对均匀，从而使劲性骨架应力分配均匀，变形和顺。

　　（3）联合法

　　作者认为，外力平衡法中的描索加载法和水箱加载法都可以与斜拉扣挂控法联合使用，为方便起见，我们暂且把它称为外力混合法，具体作法是从拱脚到L／4采用斜拉扣控法，L／4到拱顶采用锚索加载法或水箱加载法，这样，无论是扣索、锚索的拉力还是水箱的重量都可以大幅减小，使得拱圈的应力和变形更易控制。

　　此外，多点均衡浇注法也可与斜拉扣控法联合使用，我们把它称为联合法，这种方法可以在靠近拱脚段的拱肋上适当位置选取扣点，用钢缆作为扣索，通过塔架固定在地锚上，这样做的好处是可以使拱脚段的混凝土一次浇注量大为增加，同时又可以减轻拱脚的负担，远离拱脚段仍采用多点均衡浇注法。这种方法尤适用于大跨径劲性骨架混凝土拱桥，它可充分利用线索吊装施工的塔架。

　　2.控制理论分析

　　目前，国内外提出的控制理论主要有：最小二乘法最优控制法、卡尔曼滤波随机最优终点控制方法、灰色理论、模糊理论等。其中以最小二乘法及卡尔曼滤波法显成熟，应用最广。钢管混凝土劲性骨架拱桥采用了最小二乘法进行参数识别。

　　3.控制计算

　　（1）控制计算模型

　　以某大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥为例，其控制计算模型可分为两种，一种是平面计算模型，另一种是空间计算模型。

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