洪水河水庫專用鋼橋關鍵施工技術分析及效果評價

李 翔

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 730000）

為滿足水庫正常運營， 合理的交通建設十分必要，且鑒于施工條件的復雜性，鋼橋應用時有發生，因此， 開展其關鍵施工技術分析及效果評價具有重要意義［1］。目前，如李澤鑫［2］進行了若羌河水庫的交通工程設計分析；趙亞等［3］分析了水庫大喬的設計變更管理；上述研究取得了預期成果，但均未進行水庫鋼橋的關鍵施工技術分析及效果評價，因此，仍有進一步研究空間。

以洪水河水庫專用鋼橋為工程背景，開展鋼橋關鍵施工技術分析，結合橋梁變形監測成果，通過預測分析等評價鋼橋施工效果，以期為類似工程積累經驗。

1 工程概況

1.1 工程基本信息

為保證酒泉市肅州區洪水河水庫工程進水口閘至庫岸的合理交通，專門設計了兩跨簡支梁鋼橋，即由0～2 軸；鋼橋長度設計為2 m×22 m，單跨支承長度21.25 m，總寬5 m，且中墩采用固定支座，兩側橋臺采用滑動支座，如圖1。

圖1 橋梁立面示意圖

在鋼橋設計過程中，其采用兩跨簡支梁結構，單跨由5 片主梁和17 道橫梁組成，主梁梁高1000 mm，上翼緣厚25 mm， 寬300 mm， 下翼緣厚25 mm，寬350 mm，腹板厚18 mm，橋面板采用20 mm 厚鋼板。

本工程鋼梁采用分段分片加工， 現場分塊吊裝的施工方法，單件吊裝重量最大為64 t，單個分塊最長22 m，寬度5 m，最大安裝高度45 m。

2 鋼橋關鍵施工技術

在鋼橋施工過程中，其施工順序設計：在工廠內分段制作好后采用陸路運輸至現場庫岸平臺上，在庫岸側搭設拼裝胎架， 梁段在拼裝胎架進行拼裝焊接。 庫岸側一跨簡支橋整體拼裝完成后采用1 臺450 t 汽車吊單機吊裝就位，進水口閘室側一跨簡支橋分兩塊分別吊裝，每塊吊裝采用1 臺450 t 汽車吊位于岸庫側和1 臺260 t 汽車吊位于塔身平臺進行雙機抬吊。

本次橋梁吊裝的現場拼裝、 轉移平臺設置于庫岸側山頂，因此，庫岸側第一跨簡支橋梁0～1 軸線整體拼裝完成后首先吊裝， 第二跨1～2 軸線橋梁分橫向兩塊，吊裝順序如圖2。

圖2 吊裝順序平面示意圖

2.1 胎架拼裝技術

由于橋梁高度較高，因此，胎架拼裝顯得格外重要。結合工程實際，胎架布置在鋼梁對接環口兩側，主要由圓管柱、 型鋼分配梁和混凝土獨立基礎3 部分組成。

由于鋼梁跨度大，為保證其豎向曲線合理，需在鋼梁制作時就應實現預拱度，且結合工程實際，可通過胎架變化來實現鋼梁預拱度。

根據設計成果，設計預拱度、安裝預拱度具疊加關系，其中，設計預拱值為50 mm，主要制作放樣時考慮，通過工廠胎架線性來實現；安裝預拱值為75 mm，主要現場安裝時考慮，通過拼裝胎架標高來實現。

2.2 橋墩保護技術

橋墩是鋼橋施做的基礎，其質量、安全控制是必須的。

考慮到橋梁安裝過程中， 可能會與橋墩上施加水平荷載或不確定方向的荷載，因此，提出通過門架滑道梁的結構進行橋墩構造保護， 且在進行構件拖拉時，將構件在墩帽上進行滑移，確保水平反力轉變為門架軸力，進而保證橋墩結構安全。

在橋梁構件拖拉過程中， 應在拖拉油缸上安裝傳感器，并于泵站處設置溢流閥，確保實時掌控力的大小，將橋墩所受附加力控制在可控范圍內。

2.3 鋼梁吊裝技術

結合工程實際，將吊裝工況劃分為3 個，并逐個驗算各個工況條件下吊裝機械的合理性。

（1） 工況1。0～1 軸線鋼梁采用450 T 汽車吊進行整體單機吊裝。

0～1 軸線整體拼裝節段重量為63 t， 索具按2 t考慮，采用450 t 單機吊裝；查450 t 吊機參數表，16 m吊裝半徑， 最大起重重量82.4 t， 其吊機負荷率為：65/82.4=78%<80%，滿足吊裝要求。

（2）工況2。1～2 軸線第二吊段，采用450 t 吊裝，懸挑8 m。

1～2 軸線第二吊段重量為34.47 t，索具按2 t 考慮，采用450 t 單機吊裝；查450 t 吊機參數表，24 m吊裝半徑， 最大起重重量52.4 t， 其吊機負荷率為：37/52.4=70%<80%，滿足吊裝要求。

（3） 工況3。1～2 軸線第三吊段， 采用450 t 和260 t 汽車吊雙機抬吊至橋位。

1～2 軸線第三吊段重量為34.47 t，索具按2 t 考慮，采用雙機抬吊，1 臺吊機吊裝荷載為：（35+2）÷2=18.5 t。查450t 吊機參數表，26 m 吊裝半徑，最大起重重量47.5 t， 其吊機負荷率為：18.5/47.5=39%<75%，滿足吊裝要求（雙機抬吊最大負荷取值為小于75%）；查260 t 吊機參數表，12 m 吊裝半徑，最大起重重量26.6 t， 其吊機負荷率為：18.5/26.6=69%<75%，滿足吊裝要求（雙機抬吊最大負荷取值為小于75%）。

查260 t 汽車吊參數表，12 m 吊裝半徑，62 m 大臂，吊車最大仰角滿足要求。

2.4 鋼梁施工技術

（1）鋼梁安裝。鋼梁節段吊裝至支座上方100 mm位置，減慢降落速度，緩慢將鋼梁落至支座上，穩定狀態后再松鉤； 鋼梁中線對接偏差保證10 mm 以內，橋墩處標高偏差保證±10 mm 以內；鋼梁就位后經測量校正后，加設馬板進行固定，待焊接完成后拆除馬板。

（2）鋼梁焊接。鋼梁焊接過程應嚴格執行規范要求，如主要角焊縫誤差不大于0.5 mm，受壓部件焊縫誤差不大于0.3 mm，其他焊縫誤差不大于1.0 mm。

（3）糾偏技術。在鋼梁安裝過程中，可能出現側向位移， 需在安裝過程中實時校核鋼梁及其部件的對齊情況；若發現不同步，要及時糾偏，將偏差值調整至允許范圍內。

3 鋼橋施工效果評價

3.1 評價方法的構建

在鋼橋施工過程中，會進行變形監測，即在0～2軸頂分別布設了JC1～JC3 監測點，因此，提出通過鋼橋變形數據分析來評價施工效果， 并將分析思路分為兩步： ①將監測時段內的累計變形值與鋼橋變形控制值對比，若仍在控制值范圍內，說明在監測時段內，鋼橋施工效果較優；②對監測時段內的變形數據進行預測，若其后變形值仍在控制值范圍內，說明鋼橋在后期一定時段內的施工效果也較優， 側面也就說明鋼橋施工是合理的。因此，該節后續再重點開展變形預測模型構建。

在變形預測模型構建過程中，將其步驟劃分為3步：①對橋梁變形數據進行去噪處理；②構建橋梁真實變形量的預測模型； ③構建橋梁噪聲變形量的預測模型。

3.1.1 去噪處理模型的構建

受監測環境限制， 橋梁變形監測數據會含有一定誤差信息，因此，需先開展變形數據的去噪處理。考慮到WPT 可合理剔除低頻信號，是一種較優的信號提取方法，因此，通過其實現橋梁變形數據的去噪處理。

因此，通過WPT 處理，將橋梁變形數據的分解形式表示為［4］：

式中Bi為橋梁變形監測數據 （mm）；F1i為數據分量1，代表橋梁真實變形量（mm）；F2i為數據分量2，代表橋梁噪聲變形量（mm）。

為合理評價WPT 的去噪效果，以SNR（信噪比）為評價指標，即［4］：

式中Powern為過濾后的橋梁變形數據功率；Powers為橋梁變形數據功率。

據SNR 原理，其值越大，說明去噪效果越優。

由于通過WPT 實現了數據的分解處理，預測模型也對分量1 和分量2 進行針對性構建。

3.1.2 真實變形量的預測模型構建

考慮到相關向量機 （Relevance Vector Machine，RVM）能合理摒棄Mercer 理論限制，泛化能力強，所以以其構建數據分量1 的預測模型。

由RVM 原理，其訓練函數格式為［5］：

式中zi為數據分量1 的預測值（mm）；xi為輸入信號（mm）；N 為訓練集個數（個）；wi、w0為權值向量；k（xi）為激勵函數；ε 為高斯噪聲。

顧及RVM 的權值向量是由模型隨機產生， 其客觀性欠缺， 進一步提出鯨群優化算法（Whale Optimization Algorithm，WOA）開展其尋優處理。

結合WOA 的原理， 將其尋優流程總結如圖3。

圖3 WOA 的尋優處理流程

據上， 數據分量1 的預測模型確定為WOA-RVM。

3.1.3 噪聲變形量的預測模型構建

考慮到數據分量2 的非線性規律顯著，因此，提出通過Arima 構建其預測模型。據Arima 原理，其訓練函數為［6］：

式中Rt為數據分量2 的預測值（mm）；p、q 為回歸參數；rt-m為預測誤差值（mm）；φm為自回歸參數；at、at-j為對白噪聲參數；θj為滑動參數。

結合上述， 將橋梁變形預測模型最終確定為WOA-RVM-Arima。

3.2 變形分析結果

在鋼橋施工過程中，對3個監測點進行變形監測，共計得到28 期變形數據，其時間-變形曲線如圖4。據圖4，橋梁累計變形曲線大致呈持續增加規律，形態上具“緩-陡-緩”特征。

圖4 鋼橋時間-變形曲線

為進一步掌握鋼橋變形規律， 再對3 個監測點的變形速率特征參數進行統計， 其中，JC1 的變形速率范圍為0.02～0.71 mm/期，平均速率為0.27 mm/期；JC2 的變形速率范圍為0.02～0.82 mm/期，平均速率為0.33 mm/期；JC3 的變形速率范圍為0.02～0.96 mm/期，平均速率為0.29 mm/期。

按照鋼橋施工效果評價思路，JC1 的累計變形值為7.56 mm，JC2 的累計變形值為9.21 mm，JC3 的累計變形值為8.22 mm，三者均小于15 mm（鋼橋變形控制值），說明在監測時段內，鋼橋施工效果較優。

其后，再進一步開展鋼橋變形預測研究，且在此過程中，先開展數據去噪處理；為驗證WPT 的去噪效果，再采用sym 小波、Kalman 濾波進行同樣處理。

經統計，WPT 的SNR 值為39.65dB，sym 小波的SNR 值為 28.66dB，Kalman 濾波的 SNR 值為25.34dB； 對比而言，WPT 相較其他兩類方法的去噪效果更優， 即通過其開展橋梁變形數據的去噪處理是正確的。

為驗證預測思路的合理性，以JC1 為例，詳述統計不同預測階段的預測結果如表1。據表1，在數據分量1 的預測結果中，RVM 預測結果的相對誤差范圍為2.46%～2.86%，平均值為2.61%；WOA-RVM 預測結果的相對誤差范圍為2.14%～2.30%， 平均值為2.23%；此兩模型對比，通過WOA 的優化處理，能有效提高數據分量1 的預測精度， 說明其預測模型是合理的；再經Arima 對數據分量2 的預測處理，得到JC1 最終預測結果的相對誤差范圍為2.01%～2.13%，平均值為2.07%，即其最終預測精度較高，充分說明WOA-RVM-Arima 適用于橋梁變形預測。

表1 JC1 在不同階段的預測結果

按預測思路，再利用WOA-RVM-Arima 開展其他監測點的變形預測，結果如表2。據表2，在3 個監測點的預測結果中，JC1～JC3 的相對誤差均值依次為2.07%、2.10%和2.15%，均具較高的預測精度，充分驗證了WOA-RVM-Arima 的預測能力。

表2 JC1～JC3 的預測結果

據表2 中29～31 期的外推預測結果， 得出3 個監測點的變形雖會進一步增加，但增加速率較小，趨于穩定方向發展， 且預測結果中的最終累計變形值介于7.79～9.75 mm，也都小于鋼橋變形控制值，說明鋼橋在后期一定時段內的施工效果也較優。

綜上所述，不論是在監測時段內，還是其后一定時期內，橋梁變形均在變形控制值范圍內，說明鋼橋施工是合理的。

4 結語

（1）洪水河水庫專用鋼橋的施工難度較大，其關鍵施工技術主要包括胎架拼裝技術、鋼梁運輸技術、橋墩保護技術、鋼梁吊裝技術及鋼梁施工技術；各類施工技術對橋梁安全施工至關重要， 其相互配合也很必要，需切實落實技術管理。

（2）通過橋梁變形數據分析，WPT 能有效實現數據去噪處理，且WOA-RVM-Arima 也能實現橋梁變形數據的高精度預測， 所得預測結果的相對誤差值在2.07%～2.15%之間， 預測效果較優； 根據外推預測， 得出橋梁在監測時段和其后一定時期內的累計變形均小于變形控制值，說明橋梁施工合理有效。