摘 要：該文通過(guò)監(jiān)控方法和計(jì)算理論2個(gè)方面對(duì)大跨度斜拉橋中跨合龍技術(shù)進(jìn)行研究。在監(jiān)控方法方面，利用多數(shù)據(jù)融合理論形成實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)中跨合龍的傳感器類(lèi)型及布置進(jìn)行研究，提出一種常用的布置方法。在計(jì)算理論方面，將合龍調(diào)平過(guò)程公式化，使決策過(guò)程減少人為判斷；對(duì)合龍段配切長(zhǎng)度的計(jì)算過(guò)程數(shù)學(xué)化，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。最后通過(guò)某跨海大橋工程實(shí)例，驗(yàn)證該方法的可行性。結(jié)果表明，該方法現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)施性高，誤差滿足工程實(shí)際要求，提高中跨合龍的施工效率。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；中跨合龍；智能監(jiān)控系統(tǒng)；合龍段；監(jiān)控算法

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）23-0048-04

Abstract： In this paper， the mid-span closure technology of long-span cable-stayed bridge is studied from two aspects： monitoring method and calculation theory. In terms of monitoring methods， an intelligent monitoring system for real-time monitoring is formed by using multi-data fusion theory. The sensor type and arrangement of mid-span closure are studied， and a common arrangement method is proposed. In the aspect of calculation theory， the leveling process of closure is formulated， which reduces the artificial judgment in the decision-making process， and the calculation process of matching and cutting length of closure section is mathematically simplified. Finally， the feasibility of the method is verified by an engineering example of a sea-crossing bridge. The results show that the method has high field implementability， the error meets the practical requirements of the project， and the construction efficiency of mid-span closure is improved.

Keywords： cable-stayed bridge; mid-span closure; intelligent monitoring system; closure section; monitoring algorithm

斜拉橋中跨合龍是指斜拉橋結(jié)構(gòu)中間跨的合龍過(guò)程。斜拉橋是一種特殊的橋梁結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是通過(guò)斜拉索將橋梁的主梁與橋塔相連，形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在斜拉橋多跨設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)將橋梁分成多個(gè)跨度，中跨即為其中的中間跨度。當(dāng)斜拉橋的主梁和橋塔完成建設(shè)后，中跨合龍即是將中跨的部分與兩側(cè)的跨度相連接，使整座橋梁形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程通常會(huì)通過(guò)吊裝、拼裝等方式進(jìn)行，確保中跨與兩側(cè)跨度的連接牢固穩(wěn)定。斜拉橋中跨合龍是整個(gè)斜拉橋建設(shè)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，需要精確的測(cè)量、設(shè)計(jì)、施工，以確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全和功能完善。斜拉橋作為一種現(xiàn)代化的橋梁結(jié)構(gòu)，具有較大的跨度和美觀的外形，中跨合龍的完成標(biāo)志著整座斜拉橋工程的順利進(jìn)行。

中跨合龍是斜拉橋施工過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一[1-2]，對(duì)于斜拉橋中跨合龍的研究可分為計(jì)算理論和監(jiān)控方法2部分。國(guó)內(nèi)外學(xué)者首先對(duì)計(jì)算理論進(jìn)行了深入的研究，形成了參數(shù)敏感性分析、標(biāo)高預(yù)測(cè)、索力預(yù)測(cè)等理論，其中參數(shù)敏感性分析基于理論模型，對(duì)施工控制很有指導(dǎo)意義，故而應(yīng)用范圍最廣。在研究監(jiān)控方法方面，Chang等[3]著力于搭建自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)，并指出監(jiān)控儀器、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理是構(gòu)建監(jiān)控平臺(tái)最核心的組成部分。

對(duì)于中跨合龍的計(jì)算理論，當(dāng)前的參數(shù)敏感性分析后仍然是以人的決策為主[4]，并未對(duì)后續(xù)的決策形成數(shù)學(xué)判斷以輔助決策，對(duì)施工控制的工程師有一定的經(jīng)驗(yàn)要求；對(duì)于監(jiān)控方法，應(yīng)用于大跨度斜拉橋中跨合龍的施工控制較少，形成中跨合龍輔助決策機(jī)制的更少。

本文通過(guò)選擇合適的傳感儀器及應(yīng)用多傳感器數(shù)據(jù)融合理論[4]，形成智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)大跨度斜拉橋中跨合龍施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并將中跨合龍決策形成數(shù)學(xué)模型融入該系統(tǒng)，可為解決此類(lèi)斜拉橋施工監(jiān)控自動(dòng)化問(wèn)題提供參考。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)組成與無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法

1.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)組成

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：①現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元，即安裝于現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)傳感器；②信息接收與解調(diào)單元，安裝于變電箱內(nèi)；③監(jiān)控中心，安裝具有數(shù)據(jù)處理功能的監(jiān)控軟件客戶端。

對(duì)于中跨合龍，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)安裝后，由布置好索力、溫度、撓度和傾角等傳感器及激光測(cè)距儀獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。上述傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，并通過(guò)信號(hào)處理后發(fā)送給客戶端。在客戶端利用多數(shù)據(jù)融合理論算法，對(duì)各測(cè)點(diǎn)多類(lèi)型傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)本文建立的中跨合龍輔助決策的數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)監(jiān)控施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)中跨合龍。

1.2 無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法

分階段施工的橋梁結(jié)構(gòu)最終狀態(tài)的內(nèi)力和位移，主要由3個(gè)條件決定：①外荷載作用的位置和大?。虎跇蛄航M成結(jié)構(gòu)構(gòu)成單元的幾何尺寸、位置、剛度；③邊界條件構(gòu)建單元無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的幾何長(zhǎng)度和曲率。對(duì)于分階段施工的橋梁結(jié)構(gòu)，最終狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移主要受幾何長(zhǎng)度和曲率的影響。所以，無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制的基礎(chǔ)是一定的外荷載、結(jié)構(gòu)體系、支承邊界條件及單元的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和無(wú)應(yīng)力曲率組成的結(jié)構(gòu)。

在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法當(dāng)中，橋梁結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)力是隨著結(jié)構(gòu)的加載不斷變化的，同時(shí)受到體系轉(zhuǎn)化和斜拉索張拉變化的影響。如果斜拉橋的荷載和結(jié)構(gòu)體系相對(duì)固定，無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的變化應(yīng)該與單元軸力的變化保持一致。在斜拉橋分段施工中應(yīng)用無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法，必須以上述基本原理為基礎(chǔ)。

2 中跨合龍監(jiān)控算法

在施工監(jiān)控正常進(jìn)展的情況下，即將合龍的兩端梁段標(biāo)高應(yīng)比較接近。此時(shí)可用影響矩陣法來(lái)優(yōu)化中跨合龍調(diào)整的索力值

式中：？駐F為索力變化量F作用下的豎向位移；？駐M為壓重M作用下的豎向位移。在施工現(xiàn)場(chǎng)，壓重一般是確定的，通過(guò)調(diào)整索力來(lái)改變合龍口豎向位移即標(biāo)高。而對(duì)于索力引起標(biāo)高改變項(xiàng)可展開(kāi)為

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

背景橋跨徑布置（70+130+400+130+70） m，主橋全長(zhǎng)800 m，為雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁半漂浮體系斜拉橋。

主塔采用帶曲線造型的H型分離式混凝土索塔，塔底以上索塔高160.254 m。主梁為混凝土橋面板和槽形鋼梁的單箱三室結(jié)合梁，梁高4.25 m，含風(fēng)嘴全寬21 m。鋼梁中跨合龍段長(zhǎng)10 m，塔區(qū)梁段長(zhǎng)12 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)10.5 m，全橋共77個(gè)節(jié)段。

1）合龍方法。目前鋼箱梁斜拉橋中跨合龍通常采用頂推配切合龍和溫度配切合龍2種方式，前者受溫度的影響較小，后者受溫度的影響較大。主橋采用頂推配切合龍方法。

2）合龍口壓重。無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法理論表明，只要保證合龍口的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和桿件無(wú)應(yīng)力曲率，則成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)和線形狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，而與合龍時(shí)采用的施工方法手段無(wú)關(guān)，故若現(xiàn)場(chǎng)無(wú)壓重條件，可以不進(jìn)行壓重。中跨合龍流程如圖2所示。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)布置

對(duì)于智能監(jiān)控系統(tǒng)，信息接收與解調(diào)單元和監(jiān)控中心的現(xiàn)場(chǎng)安裝布置相對(duì)簡(jiǎn)單。信息接收單元、解調(diào)單元及現(xiàn)場(chǎng)單元可通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線連接，其位置可選擇安全可靠的固定位置；監(jiān)控中心和信息接收與解調(diào)單元之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，其安裝位置因監(jiān)控計(jì)算人員需要而定。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元，其布置與施工工況息息相關(guān)。中跨合龍時(shí)，自動(dòng)化索力監(jiān)測(cè)布置如圖3所示，即布置在兩塔側(cè)中跨側(cè)M14～M18共10對(duì)索上。激光測(cè)距儀、溫度傳感器及傾角儀均布置在兩塔側(cè)中跨側(cè)MG18前端（與合龍段連接處），激光測(cè)距儀和溫度傳感器每個(gè)塔側(cè)各8個(gè)，傾角儀每個(gè)塔側(cè)各2個(gè)，布置位置如圖4所示。

智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)多數(shù)據(jù)融合算法，將上述各類(lèi)型數(shù)據(jù)整合后，形成可實(shí)時(shí)監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控平臺(tái)。

3.3 中跨合龍監(jiān)控

考慮到該橋橋面較窄，寬僅有17 m，而若用壓重，需壓重240 t，橋面合龍口前端橋面吊機(jī)占位后，已沒(méi)有足夠壓重空間布置。故在本項(xiàng)目用索力調(diào)整合龍口，并未使用壓重。故在合龍口觀測(cè)前調(diào)整索力程序輸入時(shí)，令式（1）、（3）中P=0、R=0，？漬=0.01。理論分析結(jié)果和實(shí)際控制結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1的計(jì)算結(jié)果可知，利用本文算法調(diào)整標(biāo)高的理論索力值與實(shí)測(cè)索力值最小誤差為0.1%，最大誤差為1.4%，上下游實(shí)測(cè)索力誤差最小值為0.13%，最大值為0.93%，誤差很小，滿足工程實(shí)際要求。

在合龍段配切時(shí)，各邊線長(zhǎng)度略有不同，實(shí)際配切應(yīng)以合龍段中線所在平面為基準(zhǔn)面，按照各邊線需配切長(zhǎng)度，確定左右兩側(cè)各邊線點(diǎn)位置后進(jìn)行配切。

4 結(jié)論

本文利用智能化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，并提出大跨度斜拉橋中跨合龍過(guò)程中標(biāo)高調(diào)整算法及合龍段精細(xì)配切公式，2類(lèi)公式參數(shù)化后可寫(xiě)入智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)中，以進(jìn)行中跨合龍全過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)控。該套系統(tǒng)應(yīng)用于新建跨海大橋的中跨合龍監(jiān)控。在合龍口調(diào)平的過(guò)程中，理論索力調(diào)整量和實(shí)際索力調(diào)整量誤差在5%以內(nèi)，上下游索力誤差在2%以內(nèi)，滿足工程實(shí)際要求。合龍段配切精度控制在毫米級(jí)，實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的高精度合龍。為解決相關(guān)類(lèi)似的大跨度斜拉橋中跨合龍?zhí)峁┝藚⒖挤桨浮?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱偉華.大跨度鋼桁梁斜拉橋中跨合龍關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2017.

[2] FURUKAWA K， INOUE K， NAKAYAMA H， et al. Studies on the Management System of Cable-stayed Bridges under Construction Using Multiobjective Programming Method[J]. Doboko Gakkai Ronbunshu，1986（374）：495-502.

[3] CHANG S P， KIM S. Online structural monitoring of a cable-stayed bridge[R]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering， 1997.

[4] 王欣.多傳感器數(shù)據(jù)融合問(wèn)題的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué).

第一作者簡(jiǎn)介：張明哲（1993-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)榈缆窐蛩怼?/p>