重庆交通学院
硕士学位论文
钢管混凝土拱桥换索施工控制技术
姓名：王静
申请学位级别：硕士
专业：结构工程
指导教师：龚尚龙;陈思甜
20050320
摘要
近年来，钢管混凝土拱桥在我国得到了迅速发展，截至目前，我国己建和在建的该类桥梁已超过一百座。然而，由于系杆、吊杆的防护技术不尽完善，许多桥梁在运营若干年后，不可避免地出现了拉索腐蚀问题，因此，相当数量的钢管混凝土拱桥不得不面临换索的问题。而通过资料查找发现，虽然己经有钢管混凝土拱桥换索的工程实例，但对这方面进行的研究极少，因此，钢管混凝土拱桥换索麓工控制技术的研究具有工程实践意义。
现目前一般的换索设计只是简单的拉索的更换，换索后的索力与桥面高程与换索前或原桥的最初设计保持一致。但通过研究发现，因为运营一段时间后的桥梁其线形和内力已偏离原设计状态，这两种换索设计思想是不太科学的，前一种方法不能纠正原桥的不利受力状态，恧后一种往往不能使施工后的索力和桥厦线形达到预期值。因此，本文提出，钢管混凝土拱桥的换索施工控制目标应是在确保换索过程中的结构安全的前提下，对一般的换索设计进行优化，以通过换索对原桥的线形与内力进行改善。
以四川省乐山市沙湾大渡河大桥的维修加圃工程为依托工程，应用Ｍａｒｃ空『日Ｊ有限元分析软件建立换索分析模型，对换索全过程进行分析，在此基础上对原换索设计方案和工序进行优化，并在数值分析的基础上，对换索全过程的标高和内力进行跟踪监测和及时反馈、修正。同时在换索工程的施工过程中提出施工要点、难点并对其做出分析，为施工单位提出指导性意见。结果表明以该思路对钢管混凝土拱桥换索工程进行施工控制，可以保证施工过程的安全并达到改善原桥线形与内力的目的。
本文提出的钢管混凝土拱桥施工控制的思路及方法，可作为今后类似换索工程实施的参考。
关键词：钢管混凝土拱桥，换索，优化，施工控制
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｅＯｏｎｏｆＣＦＳＴａｒｃｈｂｒｉｄｇｅｓｈａｓｂｅｅｎ
ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｉｎｇａｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｕｓｆａｒ，ｔｈｅｒｅｈａｖｅｂｅｅｎｍｏｒｅｔｈａｎｏｕｅｈｕｎｄｒｅｄＣＦＳＴａｒｃｈｂｒｉｄｇｅｓｗｈｉｃｈａｒｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄｏｒｕｎｄｅｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍａｎｙｃａｂｌｅｓｏｆｔｈｅｓｅｂｒｉｄｇｅｓｈａｖｅｔｏｂｅｒｅｐｌａｃｅｄｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆａｎｔｉ－ｅｒｏｓｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｂｌｅｓｉｓｎｏｔｐｅｒｆｅｃｔ．Ａｎｄｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓｏｎｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍｉｓｖｅｒｙｐｏｏｌｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｔｈｅｃａｂｌｅ—ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆＣＦＳＴａｒｃｈｂｒｉｄｇｅｓｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＦＳＴＡｒｃｈＢｒｉｄｇｅＣａｂｌｅ－ＲｅｐｌａｃｅｍｅｎｔＣＩｐｔｉｍｉｚｅ
ＣｏｎｓｔｍｃｆｉｏｎＣｏｎｔｏｌ
重庆交通学院学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：净货
Ｅｔ期：＂Ｓ年１月卯日
第一章绪论
１。１钢管混凝土拱桥的发展历程
１．１．１钢管混凝土的特点及其应用…～【２Ｊ
钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的，是在薄壁圆形钢管内填充混凝土所形成的一种复合材料。它一方面借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性，同时又利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，使其具有更高的抗压强度和抗变形能力。钢管混凝土本质上属于套箍混凝土，具有以下几方面的优点：
（１）承载力高
由于薄壁钢管对局部缺陷的敏感性，其临界承载力极不稳定。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，因混凝土的存在避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲；同时钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，延缓了受压时的纵向开裂。两种材料相互弥补彼此的弱点，充分发挥彼此的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载力，大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土的单独承载力之和。
（２）塑性和韧性好
混凝土的脆性较大，因此其工作的可靠性较低。而在钢管混凝士中，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，且在破坏时具有很大的塑性变形。试验表明，钢管混凝土轴心受压短柱破坏时可以被压缩到原长的三分之二，此时仍未呈现脆性破坏的特征。钢管混凝士在承受冲击荷载和振动荷载时，具有很好的韧性，也因此其具有较好的抗震性能。
（３）旌工方便
钢管本身就是耐侧压的模板，因而浇注混凝土时，钢管混凝土可省去支模、拆模等工序，旌工简便。因管内无钢筋，浇灌容易，特别是目前采用泵送混凝土、高位抛落不振捣混凝土和免振自密实混凝土等施工工艺，更可加速钢管混凝土构件的旌工进度；钢管混凝土构件不需要预制场地，构件简单、焊缝少、易于制作；由于空钢管构件的自重小，还可减少运输和吊装的费用。钢管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求，可大量节约人工费用，降低工程造价。
（４）耐火性能较好
由于钢管混凝土中的钢管和核心混凝土具有相互贡献、协同互补、共同工作的特点，钢管混凝土构件具有较好的耐火性能。即使在火灾后，随着外界温度的降低，钢管混凝土结构已屈服截面处钢管的强度可以得到不同程度的恢复，截面的力学性能比高温下有所改善，结构的整体性也比火灾中有所提高，这为结构的
加固补强提供了一个较安全的工作环境，也可减少补强工作量，降低维修费用。
（５）经济效果好
由于钢管混凝土可以很好地发挥钢材和混凝土两种材料的特性和潜力，使材料得到充分和合理的应用，因此钢管混凝土具有良好的经济效果。在理论分析和工程实践中都表明，在受压构件中采用钢管混凝土，可大幅度节省材料。与钢结构相比，钢管混凝土在保持结构自重力相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约５０％，焊接工作量显著减少；与普通钢筋混凝土比较，在保持钢材用量相当和承载力相同的条件下，可减少构件横截面积约５０％，混凝土和水泥用量也相应减少一半。
最早采用钢管混凝土的工程之一是１８７９年英国的Ｓｅｖｅｒｎ铁路桥桥墩，随后钢管混凝土又被用做单层或多层工业厂房的结构柱。上世纪６０年代后，钢管混凝土的力学性能得到了较为深入的研究，随之钢管混凝土结构被大范围推广应用。日本在１９２３年大地震后，发现钢管混凝土结构在地震中的破坏不明显，就加大了对钢管混凝土的研究和应用，特别是１９９５年阪神地震后，钢管混凝土显示了优越的抗震性能，钢管混凝土的研究进一步成为热门课题。
我国从１９５９年开始研究钢管混凝土的基本性能和应用。６０年代中开始在一些厂房柱和地铁工程中采用，１９６３年首次将钢管混凝土柱用于北京地铁车站工程。进入７０年代后，在冶金、电力、造船等部门的单层或多层厂房和重型构架中得到应用。１９７８年，钢管混凝土结构第一次被列入国家科学发展规划，自此，该结构在我国的发展进入一个新阶段，无论科学研究还是设计葱工，都有了较大的进展，实际工程应用也迅速增加。进入８０年代，钢管混凝土在桥梁工程中开始得到研究和应用。
由于钢管混凝土能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件发展的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因此被广泛地应用于工程中。目前它主要用于单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、空间结构、高层和超高层建筑及桥梁结构中。
和钢筋混凝土柱及普通钢柱相比，钢管混凝土柱显得特别轻巧，因而被广泛地用做厂房柱，我国对这类结构应用很多。１９７２年建成的本溪钢铁公司二炼钢轧辊钢锭模车间、１９８０年建成的太原钢铁公司第－－￥Ｌ铜厂第二小型厂、１９８０年建成的吉林种籽处理车间、１９８２年建成的上海三十一棉纺厂、１９８３年建成的大连造船厂‘船体装配车问、１９８２年建成的武昌造船厂和１９８６年建成的中华造船厂的船体结构车间、ｔ９８５年建成的太原钢铁公司三炼钢连铸车间、１９８５年建成的沈阳海热电厂、】９９２年建成的哈尔滨建成机械厂大容器车间、１９９６年建成的宝钢菜电炉废钢
车间等等都采用了钢管混凝土格构式柱：山西太一电厂集控楼和１９８４年完工的上海特种基础科研所科研楼也采用了铜管混凝土柱。
在各种平台或构筑物中，下部支柱常属于轴心受压构件，且往往荷载较大，因而采用钢管混凝土柱是合理的。钢管混凝土被用作各种设备构架柱、各种支架柱和栈桥柱的情况很多，如１９７８年建成的首钢二号高炉构架、１９７９年建成的首钢四号高炉构架、１９８２年建成的湖北荆门热电厂锅炉构架、１９７９年建成投产的黑龙江新华电厂加热器平台柱、１９８３年建成的江西德兴铜矿矿石储仓支架柱、北京首钢自备电厂和山西太一电厂的输煤栈桥柱等。
地下铁路站台柱承受的压力很大，采用钢管混凝土柱时，可以获得很好的经济效果，不但承载力高，而且柱截面较小，可扩大使用空间。北京地铁北京站和前门站、天安门东站、大北窑站、永安里站，南京地铁三山街站等均采用了钢管混凝土作为站台柱。
档距大的高压输电杆塔或微波塔，可采用钢管混凝土构件作立柱，如１９８０年松蚊２２０ｋＶ线路中的终端塔采用了钢管混凝土柱、１９８６年在沿葛洲坝水电站输出线路上及繁昌变电所５００ｋＶ变电构架中都广泛采用了钢管混凝土柱。
在桁架压杆中采用钢管混凝土可充分运用该类结构的特点，达到节省钢材、减少投资的目的。实际工程有６０年代建造的山西中条山某矿的钢屋架中的压杆、１９８２年完工的吉林造纸厂碱炉与电站工程中电除尘工段的屋架中艘采用了钢管混凝土构件。
建成于１９９８年的日本北九洲多目的赛车场，建筑面积９４８３５ｍ２，地上８层采用了钢管混凝土柱和钢结构梁，充分发挥了钢管混凝土刚性大、强度高、抗变形能力强和耐火性能好等特点，取得了良好的建筑效果和经济效果。
自９０年代以来，在我国，钢管混凝土在高层建筑中的应用发展很快。现有的高层或超高层建筑中采用钢管混凝土柱的工程实例有：福建泉州郎电中心局大厦，福建南安邮电局大楼，福建厦门阜康大厦，福建厦门金源大厦，上海陆海工程，重庆环球广场，北京世界金融大厦，天津今晚报大厦，广东深圳赛格广场大厦，深圳邮电信息枢纽中心大厦，广州新中国大厦，广州京光广场，广州好世界广场，香港的ＬＤＣ．Ｑｕｅｅｎ’ｓＲｏａｄＣｅｎｔｒａｌ，美国西雅图的ＴｗｏＵｎｉｏｎＳｑｕａｒｅ，澳大利亚的ＦｏｒｒｅｓｔＣｅｎｔｅｒ，德国法兰克福的Ｃｏｍｍｅｒｚｂａｎｋ，日本东京的ＳｈｉｍｉｚｕＳｕｐｅｒＨｉｇｈ—Ｒｉｓｅ。
１．１．２钢管混凝土拱桥的起源、现状及发展前景Ⅲ～【１７Ｉ
拱桥以承压为主，但是同时也承受弯矩，为压弯构件。随着桥梁结构向大跨径方向的发展，拱桥截面的弯矩占据越来越突出的地位，这势必有以增大截面刚度来满足强度要求的趋势，但是单纯地靠增加截面的刚度来满足应力要求的做法
第一章绪论４
并没有取到理想的效果，因为拱截面的恒载内力分配与其刚度有一定的联系：而且，不管是钢筋混凝土或是预应力混凝土拱桥，增加截面刚度都会不同程度地带来结构自重较大的负效应，并且，钢筋混凝土拱桥自重的增加，使施工架设问题突出，施工难度更高，从而跨越能力受到很大的限制。而且随着高强材料和预应力技术的发展与应用，钢筋混凝土和预应力混凝土拱结构在某种程度上会受到稳定问题的制约；而与此相反的是，梁式桥由于预应力技术的使用，使得高强度的钢材和高标号的混凝土得以应用，且施工方面又实现了节段施工，因而焕发了生枧。传统的拱桥技术受到了来自自身和外界的严峻挑战。
ＴＦ值拱桥技术在桥梁结构大跨径和高强材料应用的冲击下，显得不知何去何从之际，许多桥梁工作者在拱桥高强材料应用和施工等方面进行了一系列的探索，包括预应力的应用、新结构的开发、无支架施工方法的探索等。钢管混凝土拱桥就是在这样的背景下应运面生。钢管混凝土应用于拱桥结构中同时解决了拱桥材料高强化和拱圈旋工轻型化两大问题。将高标号的混凝土灌注在高强钢管内，一方面借助内填混凝土提高钢管受压的稳定性，提高钢管的抗腐蚀性和耐久性；另一方面借助管壁对混凝土的套箍作用，提高了混凝土的抗压强度和延性，将高强钢材和高强混凝土有机地结合起来。在施工方面，钢管混凝土可利用空钢管作为劲性骨架甚至模板．旋工吊装重量轻，进度快，施工用钢量小。但在具体应用时，钢管混凝土在发挥材料的作用和施工的作用中，则有所侧重，从而形成了两大类别：一类为内灌混凝土，即钢管表面外露，与核心混凝土共同作为结构的主要受力组成部分，同时也作为施工时的劲性骨架，设计以前者为控制；另一类是内外包混凝士，钢管表皮不外露，钢管主要作为施工的劲性骨架，先内灌混凝土形成钢管混凝土后再挂模板外包混凝土形成断面，钢管材料参与建成后的受力。
钢管混凝土这种新型建筑材料在桥梁方面的首次使用是在１８７９年英国塞文（Ｓｅｖｅｒｎ）铁路桥墩的修建中，当时在空钢管内灌注混凝土的目的主要是为了防锈。之后，大批的学者对钢管混凝土的性能进行了研究，并取得了重大突破，建立起一系列钢管混凝土的理论和使用规范，为钢管混凝土的科学应用作了一些铺垫。钢管混凝土在拱桥上的应用是前苏联在３０年代建成的跨越列宁格勒涅瓦河的ｌＯｌｍ钢管混凝土拱梁组合体系和位于西伯利甄跨径达１４０ｍ的钢管混凝土桁拱桥。此后，国外未见此类桥梁的报道。而我国自１９９０年建成第一座钢管混凝土拱桥一一四川旺苍大桥后，钢管混凝土拱桥得到了迅猛发展，据不完全统计，从１９９０年到１９９４年间，已建和在建的钢管混凝土拱桥达２０多座，到１９９７年达４０多座，到１９９８年则已达６０多座，到目前已经建成１００多座，其中跨径超过１２０ｍ的钢管混凝土拱桥４０余座，跨径大于２００ｍ的１３座。其中有２０００年建成的广州丫髻沙珠江大桥，主跨３６０ｍ，为当时世界第一跨径的钢管混凝土拱桥，２００ｔ年建成的武
第～章绪论
汉三桥，主跨２８０ｍ；１９９８年建成的广西三岸邕江大桥，主跨２７０ｍ；２０００年建成的湖北姊归青甘河大桥，主跨２５６ｍ；２００ｔ年建成的浙江三门健大桥，主跨２４５ｍ：２０００年建成的武汉江汉五桥，主跨２４０ｍ；１９９９年建成的浙江铜瓦门大桥，主跨２３８ｍ：２００１年建成的贵州水柏铁路北盘江大桥，主跨２３６ｍ；２００１年建成的连徐高速京杭运河大挢，主跨２３５ｍ；２００１年建成的湖ｊＢ姊归龙潭大桥，主跨２０８ｍ；１９９９年建成的广西六景邕江大桥，主跨２２０ｍ；】９９７年建成的四川绵阳涪江大桥，主跨２０２ｍ；１９９５年建成的广东南海三山西大桥，主跨２００ｍ：合川合阳嘉陵江大桥（跨径组合为１３０ｍ＋２００ｍ＋１３０ｍ）；巫山长江大桥，主跨为４６０ｍ，又是一座创世界记录的特大跨径钢管混凝土拱桥。我国钢管混凝土拱桥发展速度之快，为中外建桥史所罕见。在国外，日本在修建青叶大桥时，也采用了钢管混凝士：法国也修建了一座钢管混凝士拱桥一Ａｎｔｒｅｎａｓ，该桥拱肋跨径为５６ｍ，在Ａ５号公路上跨越Ｇｅｒｖａｕｄａｎ。综合国内外情况，我国大跨径钢管混凝土拱桥的建设规模，已经居于世界领先地位。
１．２钢管混凝土拱桥换索技术的研究现状
１．２．１钢管混凝土拱桥中的索结构简介１１１
钢管混凝土拱桥的索结构包括吊杆和系杆两大类。按照行车道的位置不同，钢管混凝土拱桥分为上承式、中承式和下承式三种类型，吊杆作为桥厦系与主拱肋之间的传力结构，一般用于中下承式拱桥。钢管混凝土拱桥还可分为有系杆、无系杆两大类，随着桥梁奶大跨度方向发展，越来越多的钢管混凝土拱桥采用系杆拱形式。系杆主要用于拱梁组合体系和刚架系杆拱中，以克服大跨度拱桥所产生的巨大水平推力。
钢管混凝土中下承式拱桥一般采用柔性吊杼，吊杼材料有圆钢、高强钢丝和钢绞线。钢管混凝土拱桥直接采用了斜拉桥中的斜拉索构造，有平行钢筋索、平行钢丝索、平行钢绞线索、单股钢绞缆和封闭银缆。锚具主要有热铸锚、墩头锚、冷铸墩头锚和夹片群锚。由于配冷铸锚或墩头锚的平行钢丝索在耐疲劳性能和施工方面更优于夹片群锚配平行钢绞线索，所以雩导到了更多的应用，钢管混凝土拱桥吊杆的防护措旌主要有两种。一种是外包钢管内灌填砂浆或黄油防护，外包的钢管不参与受力，在上端采用套入式，下端可以焊在横梁上。采用这种形式，须在施工现场张拉墩头，压浆须待全桥桥面调整完毕后进行。这种构造相对提高了吊杆的刚度，对桥面系的整体性能有所改善，造价也比成品索低许多，但砂浆密实度和接头的防锈要引起高度重视。另一种是采用ＰＥ防护。一般在工厂加工成成品索，两端锚头可以完全由工厂加工墩头，也可以一端在现场墩头。采用ＰＥ防护的吊杆，为防止行人或小孩用刀刃利器割伤ＰＥ，通常在人行道２．Ｏ一２。５ｍ范围内用锌铁皮或不锈钢管包裹。采用ＰＥ防护的吊杆，其刚度相对于钢管护套的显得更
第一章绪论
桥，建成仅３—５年，拉索失效拆换，原计划之寿命为２５年；德国汉堡科尔布兰特桥通车几年即被迫全部更换斜缆，其费用相当于建桥总费用的一半，造成相当大的经济损失；著名的委内瑞拉Ｍａｒａｃａｉｂｏ桥，使用１６年后，斜缆失效，全部换索，耗资达５０００万美元；中国广州海印大桥建成几年后，斜拉索断裂导致全部换索；济南黄河公路桥使用１３年后，２０％索面严重锈蚀，不得不换掉２７２根旧索，安装２４８根新索，历时６２天；虎门大桥刚剐建成便发现索有锈蚀；红水河铁路桥使用２０年后，因锈蚀严重，不得不全部换索。这些事故的发生说明对斜拉桥及钢管混凝土拱桥进行健康监测并对因锈蚀损伤的拉索进行更换势在必行。在宜宾市小南门大桥坍塌事故发生以后，四川省有关部门对全省的１．５万座桥梁进行安全检查，其重点包括钢管混凝土拱桥，检查结果发现大量的钢管混凝土拱桥存在安全隐患，急需维修加固。以往事故的发生已经引起了专业人士的重视，对斜拉桥的拉索更换已有了一定的研究，但由于钢管混凝土拱桥是一种较新兴的桥型，自９０年代后才开始在我国大量修建，使用年限不是很长，对其维修加固的研究也较少，满足不了现实情况的需求，因此我们有必要对钢管混凝土拱桥的换索技术进行研究。
图１．１小南门桥坍塌围
１．２．３钢管混凝土拱桥换索技术研究的现状及发展前景
通过文献检索，发现由于以往设计的吊杆大多为永久式结构，系杆也以内置式的居多，且已进行换索的桥例并不太多，所以未见有专门针对钢管混凝土拱桥吊杆及系杆更换的专著。现目前一般钢管混凝土拱桥换索设计只是根据经验采用以下的常规做法：对拉索进行逐根更换，以换索前实测的索力或原设计索力为依据，换索过程中不改变原有索力和高程。
桥梁结构的使用寿命可以估算，但桥梁的各个部件很难同时达到设计期限。由于吊杆、系杆受设计者水平、材料、制造技术、产品装运、安装质量、活载控制、桥址环境、养护监控等诸多因素制约，设计者往往不能给出准确的吊杆、系杆设计寿命。并且，吊杆、系杆在承载条件、断面刚度、疲劳极限、抗腐蚀能力
第一章绪论
等各方面都远远不如拱肋、横梁、墩台基础，因而也不能指望生产厂家对吊杆、系杆的使用寿命作出可靠保证。经过对已成桥的检测，发现相当数量的钢管混凝土拱桥因拉索锈蚀亟待进行换索维修，且从吊杆的实际使用情况来看，大量吊杆毁损事实表明，吊杆的服役年限约在３——１６年，美国的设计使用年限为２５年，大大低于桥梁设计年限７５年，因而，桥梁正常服役期内，必然要对吊杆进行必要的修复拆换，因此大量在建钢管混凝土拱桥在不久的将来也面临着吊杆更换的问题。所以，对钢管混凝土拱桥的换索技术进行研究具有紧迫性且具有巨大的应用前景。
１．３钢管混凝土拱桥换索施工控制的研究状况
１．３．１桥梁旋工控制技术的发展及研究现状
①国外研究状况
最早使用桥梁施工控制概念要追溯到２０世纪５０年代初，第一座现代斜拉桥Ｓｌｒｏｍｓｕｎｄ桥施工时，建桥者就如何使索力和标高达到设计要求的问题进行研究，这也是传统意义上的施工控制。在１９５８年修建ｎ∞ｄｏｎＮｅｓｓ斜拉桥时，设计者首次提出了采用“倒退分析”的方法计算出各施工阶段结构的标高和初始索力，这种方法在１９７８年竣工的美国Ｐ—Ｋ桥中得到了应用。后来，加拿大在修建安纳诬斯桥时，也采用了同样的施工控制技术。
真正较系统地把工程控制理论应用到桥梁施工管理中的是日本。２０世纪８０年代初，日本修建目野预应力混凝土连续梁桥时，就建立了施工控制所需的应力、挠度等参数的观测系统，并应用计算机对所测参数进行现场处理，然后将处理后的实测参数送回控制室进行结构计算分析，最后将分析结果返回到现场进行旌工控制。上述方法也是国外传统的施工监控方法。到８０年代后期，日本修建ｃｈｉｃｈｂｙ斜拉桥和ｙｂｋｏｈａｒａａ海湾斜拉桥时，成功地利用计算机联网传输技术建立了～个用于拉索索力、主梁标高、主梁倾角、塔垂直度调整的自动监控系统，实现了施工过程中实测参数与设计值的快速验证比较，它对保证施工安全和精度，加快施工速度起到了决定性的作用。但由于受系统建设费用昂贵等因素的影响，该系统没有得到推广。此后，日本又研制了一个以现场微机为主要计算分析手段的斜拉桥旌工双控系统（精度控制系统），它包括自动测量数据采集、控制预报系统、误差分析系统及结构计算机分析四个系统和测量参数、计算参数两个数据库。此系统的最大特点是在现场完成自动测试、分析和控制调整全过程，并可进行设计敏感分析、参数识别和实际结构行为预测。该系统在１９８９年建成的Ｎｉｔｃｈｕ桥和１９９１年建成的Ｔｏｍｅｌ－－Ａｓｈｉｇａｒａ桥以及１９９３年建成的Ｒａｉｎｂｏｗ桥上实际应用效果良好。
在桥梁监控技术方面，韩国桥粱工程师也做了相当多的研究，而且取得了一定的成果。他们开发了一个叠合梁斜拉桥的施工控制系统，该系统共有五个模块：
第一章绪论
主结构分析模块、动态分析模块、测量和纠正误差模块以及两个前后处理模块，从而实现了线形、位移、弯矩、剪力及索力的可视化计算。
由于国外在桥梁旌工监控技术方面的研究和应用起步较早，众多发达国家已将施工控制纳入常规旌工管理工作中，控制方法已从人工测量、分析与预报，发展到自动控制、分析预报、调整的计算机自动控制，并已形成了较完善的桥梁施工控制系统。即便如此国外对桥梁施工控制技术的研究还在继续，这是由于影响桥梁施工的因素太多、太复杂，同时，不断涌现的、新型的、规模（跨径）更大的桥梁工程也对桥梁旖工控制提出了更高的要求。
②国内研究状况
我国虽在２０世纪５０年代就已注意到搪工中结构内力和变形的调控，如１９５７年建成的武汉长江大桥在施工过程中就做了应力、标高的调整，现代桥梁旄工控制技术方面的研究相对起步较晚，但发展却较为迅速。进入嚣Ｏ年代以后，随着计算机在桥梁工程中应用的普及和深入，桥梁工作者开始运用计算机辅助桥梁施工。１９８２年建成的上海柳港大桥首次根据现代工程控制的基本思想，有效地进行了主梁挠度和索塔水平位移的施工控制。柳港大桥的控制成功，引起了桥梁界对桥梁旌工监控技术研究的高潮。
８０年代后期，对斜拉挢的施工监控技术进行了全面研究，并初步形成系统，在上海南浦大桥和浙江甫江斜拉桥旌工中进行了实际的应用，该系统主要依靠现场微机用理想的施工倒退分析程序和考虑收缩徐变影响的控制分析程序，提供每一施工阶段的理论计算控制值，在现场与实测值进行比较分析，并通过对设计参数的识别和拉索索力实行双控，这一系统在简化施工过程，保证质量，提高效应和缩短工期方面发挥了重大作用。另外，上海城建学院和兰州铁道学院针对斜拉桥编制了各自的施工控制分析系统软件。在这些软件中，在结构分析计算方面，各种算法基本成熟，理想状态设计及调索计算分析也己完善，但是控制系统研究较少。文献采用推广的卡尔曼滤波法对斜拉桥施工过程中的参数进行识别，在此基础上建立了一个建立了一个施工——量攫４——识别——修正——预告的自适应控制系统，并将它应用在温州市欧江二桥斜拉桥的旌工控制中，取得了较好的应用效果。
１．３．２钢管混凝土拱桥换索施工控制技术蠹勺现状
虽然国内外对桥梁施工过程的控制研究已进行了很多，但从目前所查阅的资料可以看出，国外桥梁的施工监控主要是围绕大跨度斜拉桥、悬索桥连续刚构桥进行的，而针对钢管混凝土拱桥的施工监控技术几乎就没有涉及，这可能是由于这种类型的桥在国外修建较少的缘故，面在国内钢管混凝土拱桥也是近二十年问才得到了迅猛的发展，虽然已经进行了钢管混凝土拱桥施工控制的研究，但主要
第一章绪论
都是针对新桥建造，对旧桥维修加固的旅工控制进行得很少。经文献检索，未发现有该领域的专著。随着大量维修加固工程的陆续开展，工程技术人员应加大对维修工程的施工控制技术的研究。
１．４本课题主要研究工作
实际的工程现状已产生了对钢管混凝土拱桥换索技术的需求，但迄今对该问题进行的专门研究很少，未形成完整、系统的施工和旌工控制方法。已经徽过的一些换索工程也只是凭经验进行。现在的常规做法是简单的拉索的更换，换索后的索力与桥面高程与换索前或原桥的最初设计保持一致。这两种换索设计思想是彳；太科学的，前一种方法不能纠正原桥的不利受力状态，而后～种往往不能使旌工后的索力和桥面线形达到预期值。
为适应钢管混凝土拱桥对换索技术的实际需要，本文对钢管混凝土拱桥的换索工程进行了初步的研究，提出较具普遍适用性的施工控制方法。为验证本文所提出的换索施工控制方法的合理性，以四川省乐山市沙湾大渡河大桥换索工程为背景，应用有限元分析软件Ｍａｒｃ建立换索分析模型，通过模型模拟换索过程各工况，对系杆更换及吊杆更换过程的内力、应力等进行了较详尽的分析，以此为基础，完成了对该桥换索工程的施工监控。
本文所做的工作旨在为今后同类钢管混凝土拱桥的换索施工及施工控制积累经验，提供参考。
第二章钢管混凝土拱桥抉索工程的施工控制１１第二章钢管混凝土拱桥换索工程的施工控制
２．１钢管混凝土拱桥换索工程施工监控方法晰】～例
２．１．１桥梁施工监控的常用方法
纵观国内外大跨径桥梁施工监控技术的研究状况，桥梁的施工监控技术经历了从简单到复杂的发展过程，其中所采用的控制方法主要包括：倒装分析法、正装分析法、无应力状态控制法、零弯矩拼装法、线性回归分析法、灰色预测控制系统、卡尔曼滤波法、人工神经网络法、参数识别最小二乘法以及完整的施工精度控制系统。下面将对这些方法展开评述。
倒装分析法是从设计图中给出的理想成桥状态开始，按照桥梁结构实际麓工加载顺序的逆过程逐步倒拆计算来获得施工各阶段的中间理想状态和初始状态，以此作为施工控制的依据。该法没有预测功能，属于“被动”控制。
正装分析法是按照施工阶段和施工工艺计算各梁段累加至成桥后的挠度，将该挠度反号作为梁段施工预抛高量。正装分析法实质是一种确立预拱度的结构计算方法，并不是～个施工控制系统，因为它既无监测系统，也无误差因素分析、挠度调整等功能。
无应力状态法是将成桥状态各单元无应力长度和无应力曲率作为安装过程的控制量，来实现对成桥目标的自动逼近。但实际上在安装过程中，设计计算参数误差、施工误差、测量误差、制作误差必将使还原后的结构内力和线形与设计成桥状态有差异，误差的积累可能使结构较大地偏离设计成桥状态，因此无应力状态控制没有修正误差、控制误差的功能，也就没有预测功能。
零弯矩法的思想是针对斜拉桥和钢管混凝土拱桥的施工控制的。每一拼装梁段的自重荷载由此梁段中的斜拉索来平衡，因而正在安装的梁段对已安装梁段不传递弯矩和剪力而只传递轴向力。用零弯矩法计算的斜拉索初始张拉力不是最优的初始张拉力，因此结构内力也不是最合理的。此外零弯矩法不是一个完整的施工控制系统，而且它只适用于对称结构悬拼法施工，也使其应用受到较大的限制。
线性回归分析法是通过对悬臂箱粱挠度与悬臂长度、悬臂重量的一元线性回归处理或二元线性回归处理，来建立挠度回归数学模型，它可以用于分析箱梁挠度变形的规律，也可用于预测下一施工梁段的挠度。但此方法无法对温度和施工引起的误差进行修正，并且在梁段较少时，其回归拟合的曲线精度和代表性值值得怀疑。
灰色预测控制法以灰色动态模型ＧＭ（１，１）作为预测模型，以预测控制理论对桥梁的施工过程实旌有效控制，预测过程中需及时对模型进行滚动优化和反馈校正，但必须保持模型的结构不变。该系统曾被用于大跨度连续刚构桥和斜拉桥施
工控制中，但并没有取得预期的双控效果。这是由于灰色模型本身的模型误差较大，虽然可以对模型进行修正，即利用残差数据建立残差的灰色模型，将其结果迭加到原模型上，但由此增大了计算工作量，而且修正是有限度的。
人工神经网络预：ｉ受｜｜系统是利用多层前馈性网络的前向计算和误差的反向传播的功能，通过试探和调整连接权值使该网络成为输入输出非线性关系的最佳逼近，在此基础上，来对桥梁施工状态进行预测。该系统具有了很强的抗干扰能力和自组织、自学习以及容错性等优点，但缺点是学习时间过长，甚至难以收敛于全局极小点，该系统不仅可以用于桥梁施工控制中的误差调整和预测中，而且可以用它进行参数估计，实践表明该方法的精度比较高。
卡尔曼滤波法是以概率论为基础的最优随机控制，它的实质是从被噪声淹没的信号中提取真实的信号，估计出系统的真实状态，然后用估计出来的状态变量，按确定的控制规律对系统进行控制。该方法曾被引入到斜拉桥的施工控制中作为调整安装阶段的索力和悬臂挠度的手段，也被用于进行参数识别。
参数识别法是在桥梁旅工过程中根据实测主梁的内力和挠度等信息运用最小二乘法识别和修正设计时采用的参数，如块件重量、有效预应力、弹性模量、徐变系数等，对结构进行实时分析，对原有设计值进行校核和调整，重新给出标高和预加力的施工控制值。
日本研制的施工精度控制系统主要包括两大部分，其一是在设计过程中，利用倒装分析确定每个施工的理想状态，根据灵敏度分析确定各部件和各施工过程的允许的最大误差，以及确定施工误差分析中各项误差的权系数：其次是在架设过程中，通过测量、辨识、预测、调整四个过程来对桥粱进行循环控制：采用高精度的测量方法测出桥梁结构的位移和应力；根据测量出的误差结果，通过最小二乘法辨识出误差的原因；从辨识出的误差原因开始，预测下一施工阶段的误差；如果本阶段测量出的误差或预测的下一阶段的误差大于设计时所规定的允许值，那么必须对当前结构的状态进行修正，修正控制量通过最优理论从误差中获得。该系统即为旋工控制中最为合理的自适应控制法。
２，１．２桥梁施工监控方法分类
通过比较上述几种控制方法，我们可以从控制思路上将它们归类三种形式：开环控制、反馈控制及自适应控制。它们的分类情况如下：
（１）开环控制是单向性的，只在施工前，根据理想的成桥状态求得每个施工阶段主梁的位置和索力，在施工过程中，并不根据结构的反应来改变施工的参数。倒装分析法、正装分析法、无应力状态法及零弯矩法、线性回归分析法都是开环控制方法，它没有控制误差和修正误差的功能。
（２）反馈控制方法是一闭环控制，它是在施工状态与理想状态之问出现误差之
后，及时地进行纠正，而纠正的措施和控制量的大小是由误差经反馈计算所决定的，这就形成了一个闭环反馈控制过程。如灰色预测控制方法、人工神经网络法就、卡尔曼滤波法及参数识别法都属于反馈控制方法，该方法并没有分析产生误差的原因，将各种误差综合在一起进行处理修正。
（３）自适应控制是在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统辨识过程，整个控制系统就成为自适应控制系统误差识别过程。当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数辨识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果相一致，得到修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制，这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。该方法目前被认为是最合理的施工控制方法，同本的旄工精度控制系统即属于该类型。
２．１．３钢管混凝土拱桥换索工程施工监控方法
对于上述的各种旌工监控方法，应根据具体桥型的具体施工方法选取，对于同种桥型也可采用不同的监控方法。
目前钢管混凝土拱桥新桥施工控制中的结构分析方法主要采用正装分析和倒装分析相结合的方法，分析时主要针对各个施工阶段分别建立分析模型。而对于需进行换索维修加固的桥梁，应按原桥原有施工过程建模，在此基础上分析在维修施工过程中各荷载情况下全桥各部的受力，然后采用反馈控制方法中的参数识别法，在桥梁维修加固施工过程中根据实测结构的应力、应变、标高值等信息运用最小二乘法识别和修正维修加固设计方案中采用的参数，对结构进行实时分析，对原有设计值进行校核和调整，重新给出标高和应力的施工控制值。与此相应，施工监控内容主要包括两大部分：结构计算和施工过程控制。通过换索施工过程的结构计算，可以对每个阶段的受力状态和变形情况进行预测和控制，而通过施工过程中对结构应力、变形的实时监测可以了解结构的实际状态，从而对设计值进行修正，两者相辅相成，缺一不可。
２．１．４钢管混凝土拱桥换索工程施工监控方法流程
根据上述施工监控的思想，结合具体的工程情况，我们可以确定钢管混凝土拱桥换索工程施工控制的流程：
第—二章钢管混凝土拱桥换索工程的施１二控制
图２．１旌工控制流程图
２．２施工过程监控内容
钢管混凝土拱桥换索施工过程复杂，影响其施工控制目标顺利实现的因素很多，所以施工中必须对一些重要的结构设计参数，状态参数进行监测，以获取反映实际施工情况的数据和技术信息，便于根据实际情况修正原先确定的各施工阶段的理想状态，使施工状态处于控制范围之中。另外，在施工中，还需运用反馈控制分析的思想来进行优化调控，消除施工误差，而反馈控制的实现必须建立在了解实际结构状态之上。因此，真实、及时地掌握各项监测内容的变化情况，对桥梁施工控制有着极其重要的意义。
钢管混凝土拱桥换索施工监测的主要内容包括：材料力学性能检测、应力监测、索力（系杆、吊杆拉力）监测、拱肋线形的监测、桥面标高监测及墩身应力监测和墩顶位移监测。其中材料力学性能检测一般在室内完成，受外界因素的影响较小，测试精度比较商。而其它的监测项目都是在施工现场完成的，受外界环境的影响比较大，测试过程中必须采取一定的措施来保证测量精度，以保证测试数据的准确性。
２．２．１应力监测
结构应力反映结构受力情况，施工过程中应力控制情况的好与坏，在外观检查时不易发现，但是，如果结构实际应力状态与设计期望的应力状态不符，和结构变形的影响～样，将会给结构造成危害，所以，在对桥梁进行施工控制时，要对结构应力进行监控，结构应力监测是钢管混凝土拱桥换索施工监测的主要内容之一，它在一定程度上能起到安全预警的作用，一旦应力监测发现异常情况，就
应立即停止施工，查找原因并及时处理。
在钢管混凝土拱桥换索施工过程中，为实时、准确监测结构的应力情况，就要采用方便、可靠、满足实际工程需要的传感器，同时必须选择好应力监测的测点位置及时机，尽量避免外界复杂环境的影响。
①应力传感器的选择
传感器的作用是感受所需要测量的物理量或信号，按照一定规律把它们转换成可以直接测读的形式，然后直接显示或者是以电量的形式，传输出测试结果。
目前应力监测采用较多的传感器有电阻应变片传感器和钢弦式传感器，这两类传感器各有优缺点：
（１）电阻应变片是通过电阻变化来反映结构的应变，所以如果能配上理想的数据采集系统，就可以对应变实行自动化和智能化监测，并通过网络传输实行远程监测，大大节省人力和物力。但是，当应变仪通电时间过长，测试应变片升温，泔测试结果影响就较大，故不宜用于长时间监测。用电阻应变片进行应变测试，为保证测试结果的准确性，要求应变片与被测物体变形一致，因此对应变片的粘贴技术要求十分严格。基于电阻式应变片的以上特点，现目前在室内试验中采用较多。
（２）钢弦式传感器是通过频率的变化来反映结构应力，其工作原理是源于一根张紧的钢弦振动的谐振频率与钢弦的应变或者张力成正比，这种基本关系可以用来测量多种物理量如应变、荷载、力、压力、温度和倾斜等。钢弦式传感器较一般传感器的优点就在于传感器的输出是频率而不是电压。频率可以通过长电缆（＞２０００米）传输，不会因为导线电阻的变化、浸水、温度波动、接触电阻或绝缘改变等而引起信号的明显衰减，有良好的稳定性，具有应变积累功能，抗干扰能力较强，不需要测试仪表长期连接于传感器上，数据采集方便。且钢弦式传感器不属于弱电设备，可适用于长时间观测。
鉴于电阻应变片传感器和钢弦式应力传感器各有优缺点，在实际进行的项目中，应根据工程的具体情况，如工程造价、工期长短和测点状况等因素，结合两种应力传感器的优、缺点，合理选择适用的传感器。但由于现场施工的条件复杂，周边影响因素较多，且由于施工的时间一般较长，应力监测是一个长时间的连续的量测过程，所以在工程实际中较多采用的是抗干扰能力较好的钢弦式传感器。
②应力测点选择
一般来讲，测试的点位越多越能了解结构物的应力情况，但是，在满足测试目的的前提下，测点还是宜少不宜多，不仅节省仪器设备，避免人力浪费，还能减少工作中的互相干扰，使工作重点突出，有利于提高效率和保证质量。因此，任何一个测试点的布置都应该有目的性，服从结构分析的需要。测试点的选择必
须满足以下原则：测点位置要具有代表性，以便于分析和计算；测试点的选择要保证测试数据的可靠性；测试点的布置应有利于操作和测读。
测试控制点的选择应在满足以上原则的前提下，根据结构计算的结果，在受力、变形最不利的位置选取。因为拱肋是钢管混凝土拱桥的重要承力结构，所以是应力监测的重点部位。对于任何形式的拱桥，拱脚截面、Ｌ／４截面及Ｌ／２截面都是控制截面，因此钢管混凝土拱桥主拱肋的这些位置也应选为应力监测点。在系杆更换过程中，桥墩的受力情况较复杂，应在其适当位置布设应力测试点。
③应力监测的注意事项
钢管混凝土拱桥施工过程中的应力监测应注意以下几点：
（１）无论何种形式的应力传感器，在使用之前，都要进行标定和检验，以保证传感器的可靠性；
（２）钢弦式应力传感器如与钢管拱肋联接采用电焊，则不但要保证焊接可靠，而且焊接过程中，要采取冷却措施，避免热传导使传感器零飘增加；
（３）如钢弦式传感器采用支座粘贴的方法，则和应变片粘贴一样，在粘贴之前要对粘贴部位进行局部处理，粘贴完后采用防潮胶和环氧树脂进行防潮、防湿、防撞处理；
（４）应力测点的布置应远离开孔、焊缝和截面突变地方，以免测点受局部应力的影响：
（５）如条件允许，应力监澳４尽量选择在环境温度变化比较平稳，结构不受日照影响的时问段，如早上日出前，观测要迅速、准确。
（６）如果采用电阻应变片进行结构应变监测时，一定要进行温度补偿。２．２．２索力监测
钢管混凝土拱桥系杆、吊杆的工作状态是衡量桥梁是否处于正常营运状态的重要标志之一。对于系杆拱桥，作为用来平衡水平推力的结构，系杆的正常工作与否直接影响到桥梁的墩、台的受力，对全桥的安全性至关重要；而吊杆作为桥面系与主拱的传力结构，其工作状态与桥面道系的安全性息息相关。因此，在钢管混凝土拱桥的换索旌工中，必须精确控制系杆、吊杆的张拉力，索力的准确测量也就显得尤其重要。
①目前工程中常用的测量拉索索力的方法有：
（１）油压表读数法
该方法的原理是根据在拉索张拉时油泵上油压表的读数来推算张拉千斤顶的张拉力，并认为千斤顼的张拉力就等于拉索索力。用该方法测定拉索索力时，事先必须对张拉拉索的液压系统进行标定，建立油压表读数与千斤顶张拉力之问的对应关系。