浅谈连续刚构桥的发展及其施工监控技术

刘家敏，崔英明

(重庆市交通规划勘察设计院)

1 引言

19世纪中期以前，各种桥梁均采用有支架的施工法。虽然有支架施工最为简单可靠，但这使桥梁的跨越能力受到很大限制，采用此法修建的大多为中小跨径拱桥和简支梁桥。19世纪中期，随着钢铁工业的发展和设计水平的提高，美欧等国修建了一些悬臂钢桁梁，给悬臂施工即无支架施工方法提供了有力的依据。同时悬索桥的修建也开始兴起，并且直至20世纪中期它都成为大跨径桥梁唯一采用的桥型。悬索桥的修建使得最典型、最完善的无支架施工得以广泛采用。20世纪70年代，随着预应力混凝土工艺的完善，德国工程师率先采用挂篮悬臂浇筑混凝土修建连续梁桥，为无支架施工方法奠定了基础。在混凝土桥的施工中引入刚桥自架设体系的施工方法，使得混凝土桥梁(如T型刚构、大跨度钢筋混凝土拱桥、预应力混凝土斜拉桥)的修建以及桥梁的跨径都得到了较大的发展。

随着高速交通的迅速发展，有时不但要求桥梁有较大的跨越能力，同时还要使行车平顺舒适，因此简支梁和多伸缩缝的T型刚构不能很好地满足要求，这使得大跨径连续梁得到了迅速发展。因此可以说，建筑材料性能、施工水平(尤其是自架设体系的产生)以及设计计算手段的提高，使修建大跨度预应力混凝土连续刚构桥成为可能;而高速交通的发展，使修建大跨度预应力混凝土连续刚构桥具有独特的优越性。于是，连续刚构桥应运而生。

2 连续刚构桥的适应性与发展

连续刚构桥的施工一般也都采取自架设的方法，其特点是梁体连续、墩梁固结和双薄壁桥墩，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，有保持了T型刚构不设支座、不需体系转换的优点，方便施工，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，能满足大跨径桥梁的受力要求。另外，双薄壁墩的柔性对桥梁承受温度变形、减小墩身材料、削减墩顶负弯矩及增加施工稳定性都有一定的益处。连续梁桥在跨越能力、拱桥在施工简易性以及斜拉桥和吊桥在经济指标方面都明显不如连续刚构桥。因此，鉴于连续刚构桥的诸多优点和在工程应用中良好的适应性，尽管其起步较晚，却发展很迅速。

通过对相关文献的回顾可以发现，国外修建大跨连续刚构桥的历史相对稍早一些。1982年，美国的修斯敦(Houston)运河桥跨径为114+228.6+114m，主梁为双室箱型断面，刚性桥墩，这算跨径较大时间较早的一座。1985年，澳大利亚建成的门道桥(Gateway)，跨径为145+260+145m，采用了双薄壁墩身、单室箱型主梁和50#高强混凝土。该桥保持世界第一达12年之久，是一座里程碑式的建筑，从此，连续刚构桥的得到了蓬勃发展。

国内较早的要算1988年建成的洛溪大桥，跨径65+125+180+110m，主梁为单室箱型。1995年建成的黄石长江大桥(162.5+3×245+162.5)m，1997年建成的虎门大桥辅航道桥(150+270+150)m，1999年建成的重庆黄花园大桥(137+3×250+137)m。近年来，国内外连续刚构桥的发展更是突飞猛进。

当然，连续刚构桥在发展中一个重要的问题，就是要对较大跨径桥梁的施工监控，确保施工安全和成桥质量。对于施工中遇到的问题，如果处理的及时、得当，不仅能提高施工安全性，保证施工质量，还可以缩短工期，节省造价;反之，如果不能及时发现并有效处理施工中出现的问题，误差不断累积，不仅可能影响到施工安全，成桥质量难以保证，还可能大大拖延工期和进度，造成材料和巨额资金浪费。

3 桥梁施工监控方法简介

(1)结构分析方法

结构分析方法是指理论模型的建立及其计算方法，它包括结构在各个阶段内力和挠度的计算、各施工阶段控制参数的计算等。结构计算是桥梁监控的理论依据，目前主要有正算法、倒拆法、无应力状态法。

①正算法又称正装计算法，它是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析的计算方法，也是应用较多的计算方法。正算法采用与施工相同的顺序，依次计算各施工阶段架设时结构的施工内力和位移。然后根据一定的计算原则，选择相应的计算参数作为未知变量，通过求解方程而获得相应的控制参数。只要计算参数选择得当，结构按正算法所控制参数和顺序施工完毕时，理论上的恒载内力和主梁线型应与预定的理想状态基本吻合。

②倒拆法又称倒装计算法，它是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为分析的计算方法。它由成桥状态(即理想的恒载状态)出发，按照与实际施工步骤相反的顺序，进行逐步倒退计算而获得各施工阶段的控制参数。结构据此按正装顺序施工完毕时，理论上其恒载内力和线型便可达到预定的理想状态。倒拆法是斜拉桥施工计算中广泛采用的一种方法，1958年在Theodon Nenss斜拉桥的施工设计中被首次提出。

③无应力状态法有时也称零弯矩应力法，它是运用构件或单元的无应力长度和曲率保持不变的原理来进行结构状态分析的。桥梁结构无应力状态只是一个数学目标，通过它将桥梁结构安装的中间状态和终结状态之间联系起来，为分析桥梁结构各种受力状态提供了一种有效的方法。无应力状态法较多应用在悬索桥上。

(2)参数调整方法

在桥梁的实际施工中，理论模型与实际结构可能要存在某些偏差，例如，某施工阶段桥梁理论模型所计算的内力、挠度或标高等指标可能与真实结构相对应指标存在一些偏差。为确保大桥的质量，必须将这种偏差控制在容许范围内;否则，就应该对理论模型中的参数进行修正并对后续施工进行相应的调整。参数调整的方法很多，现介绍几个比较常用的方法:

①参数识别与调整法这个方法是根据施工中结构的实测值对主要设计参数进行估计，然后将被修正过的设计参数反馈到控制计算中去，重新给出施工中的理论期望值，以消除理论值与实际值不一致中的主要部分。参数识别与调整法是最常采用的施工监控方法之一。

②自适应参数识别调整法自适应参数识别调整法就是在人工参数识别调整方法的基础上，运用自动控制的理论，通过建立适当的、确定的数学模型，对参数进行自动识别、最优控制和最优估计。自适应参数识别调整法即所谓的智能控制。

③最小二乘法 最小二乘法是由数学王子K.F.Gauss创始于1795年。此法认为“未知量的最可能值是这样一个值，它使得实践值与计算值的差的平方乘以精度后所求得的和最小”。最小二乘法是理论体系和计算方法比较完善的传统的优化方法，在桥梁施工监控中主要用于设计参数的识别和修正。在20世纪80年代后期将其应用于斜拉桥的施工控制并取得成功。

④卡耳漫(Kalman)滤波法 卡耳漫(Kalman)滤波是美国学者Kalman.R.E.于1960年提出的，他将状态空间的概念引入达随机估计理论中来，把信号过程视为在白噪音作用下一个线性系统的输出，这种输入输出关系用状态方程来描述。在我国，上海市政设计院的林元培先生首次将它应用于柳港大桥(斜拉桥)索力的监控和调整过程中，重庆交通大学的顾安邦教授也率先将它应用于黄花园大桥(连续刚构桥)的施工监控中，都取得了成功。

⑤回归分析法 回归分析也是进行数据处理的常用方法。通过给定的误差模式对系统已有数据进行回归分析计算，找出系统的最佳拟合方程，从而预测系统未来的发展变化。回归分析包括一元线性回归、一元非线性回归、多元线性回归，其理论和计算也比较完善。

⑥灰色系统理论法灰色系统理论就是以灰关联空间为基础的分析体系，它以现有信息或原始数列为基础，通过灰过程及灰生成对原始数列进行数据加工处理，建立灰微分方程即灰模型为主体的模型体系，来预测系统未来发展变化的一种预测控制方法。“少数据建模”是灰色系统理论的重要特点。此法由我国的邓聚龙教授于1982年首先提出。

4 结语

连续刚构桥的产生有其历史必然性，它具有良好的现代交通条件适应性，其相关技术发展较为迅猛。随着大量连续刚构桥的不断涌现，其设计和施工控制水平日趋完善。同时，连续刚构桥在设计理论、施工工艺、施工监控等方面的理论研究也不断深入，也在很大程度上保证了成桥质量和施工安全。然而，其中一些局部问题还有待于进一步认识和深入讨论。

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