鄭宋旭，林木景

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

0 引言

橋梁施工受周圍環(huán)境變化、材料性能差異、臨時(shí)施工荷載變化等因素影響，若這些影響未能及時(shí)有效消除，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)產(chǎn)生較大差異，從而危及施工安全。大跨度拱橋施工過程中，常因支架拱橋的限制導(dǎo)致定位距離過大，懸臂澆筑過程中常存在標(biāo)記點(diǎn)遺漏現(xiàn)象，使施工路線迂回，延長(zhǎng)工程周期。為解決這一問題，在進(jìn)行拱橋施工中引入了無(wú)支架技術(shù)，即通過懸臂扣掛技術(shù)進(jìn)行混凝土澆筑，減少高空橋梁對(duì)模板的重度依賴[1]。將懸臂澆筑施工技術(shù)應(yīng)用在大跨度拱橋中，主要是采用斜拉索錨固掛籃法確定澆筑點(diǎn)位，保證整個(gè)拱橋的主拱施工中呈現(xiàn)出拉索式的支撐結(jié)構(gòu)體系。

為促使大跨度拱橋在施工中減少自身重力，將拱橋以主拱圈作為基準(zhǔn)點(diǎn)，使用高強(qiáng)混凝土的單箱雙室結(jié)構(gòu)作為截面，增厚承受應(yīng)力較大的拱腳。但在實(shí)際施工中，拱橋存在部分的受力體系轉(zhuǎn)換，采用原有應(yīng)用方式無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)定位，造成施工過程中的安全隱患問題越來(lái)越嚴(yán)重，建造工期不斷延長(zhǎng)，因此，對(duì)應(yīng)用技術(shù)的改良是現(xiàn)階段拱橋施工的重點(diǎn)問題[2]。本文引入機(jī)器學(xué)習(xí)方式改進(jìn)施工方法，研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)的大跨度拱橋懸臂澆筑技術(shù)施工方法，為恢復(fù)拱橋的競(jìng)爭(zhēng)力提供理論支持，使其能夠在規(guī)定周期內(nèi)完成標(biāo)準(zhǔn)化施工。

1 大跨度拱橋懸臂澆筑施工技術(shù)

懸臂桁架澆筑法是將主拱圈、拱上立柱、橋面板齊頭并進(jìn)，邊澆筑邊構(gòu)成桁架發(fā)揮效應(yīng)，施工時(shí)用預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼絞線作為桁架的臨時(shí)斜拉桿。橋面板的臨時(shí)明索用拉桿或橋面梁錨固于臺(tái)后的巖盤上，向河中懸臂施工，最終實(shí)現(xiàn)橋體拱頂合龍。懸臂澆筑施工技術(shù)主要是在橋墩左右兩側(cè)設(shè)置工作平臺(tái)，利用兩個(gè)可以獨(dú)立行走的掛籃在已張拉錨固且與墩身形成整體的梁段上平衡向跨中懸臂澆筑水泥混凝土，并逐段綁扎鋼筋、立模及施加預(yù)應(yīng)力，直至懸臂梁段澆筑完成的施工方法。

1.1 零位移法設(shè)計(jì)大跨度拱橋施工軸線

從施工角度來(lái)講，此類結(jié)構(gòu)是一種扣塔-斜拉索-曲梁的組合體系，其施工張力主要受控制于拉索張力，可以直接通過斜拉索的自身攜帶張力，進(jìn)行施工的承載受力[3]。但斜拉索只作為臨時(shí)索，并沒有成橋索力，在實(shí)際拱橋懸臂澆筑施工過程中會(huì)存在成拱索力，需要將其索力與拱橋節(jié)段進(jìn)行平衡力設(shè)定，使拱段上所有的索扣點(diǎn)位置均處于同一水平線，引入零位移法設(shè)計(jì)大跨度拱橋施工拱軸線。

零位移法即保證拉索和拱段的錨固點(diǎn)，位移量控制在零距離，使約束反力的條件也為零，在拉力索的各個(gè)平面方向上呈現(xiàn)平衡力。其主要將拱圈的線形作為控制目標(biāo)，參考拱圈的截面應(yīng)力，進(jìn)行多條拉線索的索扣定位，可以直接通過軸線位置進(jìn)行拉線索的順序調(diào)整和數(shù)量排放[4]。定位軸線設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)各個(gè)扣索的縮放長(zhǎng)度進(jìn)行倒推分析，依靠扣索自身的彈性拉伸長(zhǎng)度選擇拱段的長(zhǎng)短，使其能夠在同一水平線上完成施工。在扣索定長(zhǎng)過程中要確定拱段的高程，根據(jù)其自身拉伸張力反應(yīng)拉索的應(yīng)力，直接用應(yīng)力檢測(cè)儀進(jìn)行階段測(cè)量，保證在零位移的基礎(chǔ)上進(jìn)行軸線布置。通過拱段中各個(gè)施工節(jié)點(diǎn)的依次布置，在帶有一定曲率的變截面橋梁中也會(huì)存在反向約束力，仍以零位移法進(jìn)行水平和豎向的反力增量測(cè)量。

1.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建懸臂澆筑定點(diǎn)模型

根據(jù)懸臂澆筑法施工的大跨度RC 拱橋受力特點(diǎn)，選取可能發(fā)生并會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)產(chǎn)生較大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)施工控制經(jīng)驗(yàn)確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍。利用梁?jiǎn)卧M主拱圈、交界墩、立柱、臨時(shí)塔架及錨箱，利用僅受拉的桁架單元模擬扣錨索；利用節(jié)點(diǎn)集中力模擬掛籃、橫隔板荷載。拱圈與立柱通過設(shè)置剛性連接模擬，扣點(diǎn)與塔架、錨點(diǎn)與塔架之間采用彈性連接模擬，拱腳、錨索約束條件采用固結(jié)。計(jì)算時(shí)僅變化單一參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，計(jì)算在各參數(shù)影響下拱圈截面應(yīng)力、拱圈線形、扣索索力、塔架偏位等結(jié)構(gòu)行為的變化情況，選出對(duì)結(jié)構(gòu)行為產(chǎn)生較大影響的參數(shù)，確定主要敏感性參數(shù)，從而在懸澆過程中對(duì)各主要敏感性參數(shù)進(jìn)行有效識(shí)別、分析、控制。

沿拉索的拉力變化方向完成吊裝，使拱段的線性軸線也符合施工要求，在機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)下進(jìn)行懸臂澆筑的定點(diǎn)模型構(gòu)建，完成施工方向上的點(diǎn)位設(shè)計(jì)[5]。機(jī)器學(xué)習(xí)包含的計(jì)算方式有很多，此次選擇最小二乘支持向量機(jī)原理構(gòu)建模型，保證在最小風(fēng)險(xiǎn)原則下選擇各個(gè)澆筑施工點(diǎn)的定位。將施工方案中涉及的澆筑點(diǎn)位置設(shè)置為一個(gè)向量集合，用W表示，在其中包含實(shí)際施工點(diǎn)位和參考施工點(diǎn)位，利用最小二乘法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)，以原始點(diǎn)位設(shè)定作為數(shù)量樣本。在每次訓(xùn)練過程中每個(gè)實(shí)例均包含一個(gè)目標(biāo)值和相關(guān)屬性，即輸出變量QE和輸入變量PE。其中，E= 1,2,...,L，輸入變量和輸出變量均屬于TI，T表示一維向量空間，TI表示I維向量空間[6]。通過多次訓(xùn)練擬合一個(gè)代理定點(diǎn)集合[QE,PE]，反映每組集合之間的輸出和輸入關(guān)系，分別設(shè)置模型中的最小化和限制條件，表達(dá)式為：

式（1）～（2）中：G為澆筑點(diǎn)的可調(diào)整權(quán)重向量；V為定點(diǎn)偏差向量；H為在訓(xùn)練定位過程中存在的誤差向量，其中HE為擬合的誤差向量元素；γ為正規(guī)化常數(shù)；為澆筑點(diǎn)的定位誤差總和。在反復(fù)確定正規(guī)化常數(shù)和核心常數(shù)η中，能夠產(chǎn)生局部定點(diǎn)的最小值，以此尋找定點(diǎn)的最優(yōu)解目標(biāo)，將其設(shè)置為澆筑點(diǎn)位置，完成懸臂澆筑施工[7]。

1.3 對(duì)角拉索式分段完成懸臂澆筑施工

澆筑過程中可以選擇對(duì)角拉索形式分段處理拱橋，即在橋體成拱形結(jié)構(gòu)前，兩岸主拱和拱橋之間的上梁與橋面板都能夠通過和臨時(shí)斜拉索組成的懸臂結(jié)構(gòu)或桁架橋構(gòu)件，完成懸臂桁架法澆筑施工。其中，大跨度拱橋的主拱為下弦桿，基本在豎向腹柱結(jié)構(gòu)拱的支撐下?lián)?dāng)主體受力，對(duì)其采用高強(qiáng)度混凝土材料，以確保在澆筑完成后的自身承受壓力能夠達(dá)到設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)。而橋面板和斜向腹梁則作為上弦柱，受力程度基本依靠拉繩硬度，因此需要使用鋼梁和鋼絞線。設(shè)定拱橋的施工順序，按照設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)依次進(jìn)行有序循環(huán)，在每相鄰支柱中間段完成施工后進(jìn)行一次循環(huán)。

首次澆筑拱橋的橋臺(tái)基礎(chǔ)，并通過打錨索方法固定拉索和路臺(tái)基礎(chǔ)，以確保在主拱橋懸臂式結(jié)構(gòu)澆筑施工中的平衡，同時(shí)降低了橋面鋼板對(duì)路臺(tái)的抗拉強(qiáng)度[8]。在路臺(tái)基礎(chǔ)澆筑完成后，再進(jìn)行兩端的基礎(chǔ)施工，分別將橋梁兩端的橋座和拱座進(jìn)行基礎(chǔ)澆筑施工，并安置吊籃以進(jìn)行主拱橋的懸臂式結(jié)構(gòu)桁架基礎(chǔ)施工。每拱段均被分為三個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度為6m，在掛籃自身移動(dòng)至下一個(gè)階段位置后布置拉索和鋼筋。對(duì)角拉索安裝完畢后設(shè)定張拉角度，鋼橋面板要在旋轉(zhuǎn)180°后才能進(jìn)行就位安裝，并用強(qiáng)應(yīng)力螺栓固定[9]。至此在零位移法和機(jī)器學(xué)習(xí)方式基礎(chǔ)上，構(gòu)建懸臂澆筑定點(diǎn)模型，選擇對(duì)角拉索式分段進(jìn)行懸臂澆筑施工，完成大跨度拱橋懸臂澆筑施工技術(shù)的應(yīng)用方法設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的方法具有實(shí)際應(yīng)用效果，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行論證。結(jié)合某省木蓬特大拱橋，將其建造思路和設(shè)計(jì)方案上傳至MATLAB 測(cè)試平臺(tái)，應(yīng)用本文方法進(jìn)行施工模擬，整個(gè)設(shè)計(jì)按原有設(shè)定對(duì)比工程的施工周期。其橋跨結(jié)構(gòu)形式為1×26m+1×34m+（52+90+52）m連續(xù)梁+10×34m+2×26m+（34+52+34）m連續(xù)梁+5×34m，橋孔布置為52～34m，全長(zhǎng)為4 200m，總工期為24 個(gè)月。該工程主要選擇懸臂澆筑法，配合兩岸矩形空心橋臺(tái)（含六個(gè)墩高超過30m 的圓形空心墩）支持下的碗扣式滿堂腳手架現(xiàn)澆法施工。懸臂澆筑段掛籃形式為菱形，中跨合龍段、邊跨合龍段分別采用一側(cè)掛籃懸空吊架法、掛籃+碗扣式滿堂腳手架現(xiàn)澆法，需要分別采用先合龍邊跨后合龍中跨、先合龍中跨后合龍邊跨的施工方法。此次大橋的設(shè)計(jì)荷載為一級(jí)公路設(shè)置，行駛車速為95km/h，橋面橫截面坡度為15～30°，橋梁跨徑組合梁箱為T 字結(jié)構(gòu)，拱軸系數(shù)為2.025。對(duì)大橋的總體布置進(jìn)行分段設(shè)定，具體如表1所示。

表1 木蓬特大拱橋分段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 單位：m

根據(jù)表1可知，在拱橋兩端分別設(shè)置起點(diǎn)樁號(hào)和終點(diǎn)樁號(hào)，線路全長(zhǎng)約為420m，兩個(gè)樁號(hào)之間均勻劃分為8 個(gè)階段。標(biāo)記每個(gè)拱橋分段的長(zhǎng)度和高度，應(yīng)用本文方法進(jìn)行施工，按照設(shè)定的順序進(jìn)行階段澆筑。在對(duì)整體拱橋施工中需要保證索扣的位置排列，主要是防止趕工期而產(chǎn)生工程問題。由于大跨度拱橋?qū)ψ冃蔚囊蠛芨?，在施工結(jié)束后測(cè)量每個(gè)拱段的連接應(yīng)力，直接采用專業(yè)橋梁測(cè)試儀進(jìn)行檢查，每個(gè)拱段的應(yīng)力要求都符合施工標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明本文方法能夠投入正常施工。在符合橋梁的應(yīng)力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)橋段的施工時(shí)間，與原有施工方法所用的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，具體如表2所示。

表2 不同方法下橋段施工時(shí)間對(duì)比結(jié)果 單位：d

如表2所示，在本文方法應(yīng)用下懸臂澆筑技術(shù)的整體施工時(shí)間較為均等，每個(gè)橋段所用時(shí)間波動(dòng)不大，總計(jì)用時(shí)1 個(gè)月，而傳統(tǒng)方法下每個(gè)橋段的用時(shí)不統(tǒng)一，總計(jì)用時(shí)超過三個(gè)月。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：本次設(shè)計(jì)的方法能夠保證懸臂澆筑技術(shù)的施工標(biāo)準(zhǔn)，在符合大跨度拱橋的使用負(fù)荷下，比傳統(tǒng)方法縮短了建造工期。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在分析懸臂澆筑技術(shù)施工要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方式重新設(shè)計(jì)一個(gè)施工技術(shù)應(yīng)用方法，為減少建造工期提供理論指導(dǎo)。研究結(jié)果表明：在本文方法應(yīng)用下，能夠?qū)x擇的施工段進(jìn)行工期控制，比傳統(tǒng)方法縮短了兩個(gè)月，具有實(shí)際應(yīng)用效果。但由于時(shí)間限制，在進(jìn)行測(cè)試過程中只對(duì)整個(gè)拱橋的施工進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)果具有一定偏差。后續(xù)研究中應(yīng)分類處理施工階段，為實(shí)現(xiàn)建造周期控制提供更加科學(xué)的依據(jù)。