洪水河水库专用钢桥关键施工技术分析及效果评价

李 翔

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000）

为满足水库正常运营， 合理的交通建设十分必要，且鉴于施工条件的复杂性，钢桥应用时有发生，因此， 开展其关键施工技术分析及效果评价具有重要意义［1］。目前，如李泽鑫［2］进行了若羌河水库的交通工程设计分析；赵亚等［3］分析了水库大乔的设计变更管理；上述研究取得了预期成果，但均未进行水库钢桥的关键施工技术分析及效果评价，因此，仍有进一步研究空间。

以洪水河水库专用钢桥为工程背景，开展钢桥关键施工技术分析，结合桥梁变形监测成果，通过预测分析等评价钢桥施工效果，以期为类似工程积累经验。

1 工程概况

1.1 工程基本信息

为保证酒泉市肃州区洪水河水库工程进水口闸至库岸的合理交通，专门设计了两跨简支梁钢桥，即由0～2 轴；钢桥长度设计为2 m×22 m，单跨支承长度21.25 m，总宽5 m，且中墩采用固定支座，两侧桥台采用滑动支座，如图1。

图1 桥梁立面示意图

在钢桥设计过程中，其采用两跨简支梁结构，单跨由5 片主梁和17 道横梁组成，主梁梁高1000 mm，上翼缘厚25 mm， 宽300 mm， 下翼缘厚25 mm，宽350 mm，腹板厚18 mm，桥面板采用20 mm 厚钢板。

本工程钢梁采用分段分片加工， 现场分块吊装的施工方法，单件吊装重量最大为64 t，单个分块最长22 m，宽度5 m，最大安装高度45 m。

2 钢桥关键施工技术

在钢桥施工过程中，其施工顺序设计：在工厂内分段制作好后采用陆路运输至现场库岸平台上，在库岸侧搭设拼装胎架， 梁段在拼装胎架进行拼装焊接。 库岸侧一跨简支桥整体拼装完成后采用1 台450 t 汽车吊单机吊装就位，进水口闸室侧一跨简支桥分两块分别吊装，每块吊装采用1 台450 t 汽车吊位于岸库侧和1 台260 t 汽车吊位于塔身平台进行双机抬吊。

本次桥梁吊装的现场拼装、 转移平台设置于库岸侧山顶，因此，库岸侧第一跨简支桥梁0～1 轴线整体拼装完成后首先吊装， 第二跨1～2 轴线桥梁分横向两块，吊装顺序如图2。

图2 吊装顺序平面示意图

2.1 胎架拼装技术

由于桥梁高度较高，因此，胎架拼装显得格外重要。结合工程实际，胎架布置在钢梁对接环口两侧，主要由圆管柱、 型钢分配梁和混凝土独立基础3 部分组成。

由于钢梁跨度大，为保证其竖向曲线合理，需在钢梁制作时就应实现预拱度，且结合工程实际，可通过胎架变化来实现钢梁预拱度。

根据设计成果，设计预拱度、安装预拱度具叠加关系，其中，设计预拱值为50 mm，主要制作放样时考虑，通过工厂胎架线性来实现；安装预拱值为75 mm，主要现场安装时考虑，通过拼装胎架标高来实现。

2.2 桥墩保护技术

桥墩是钢桥施做的基础，其质量、安全控制是必须的。

考虑到桥梁安装过程中， 可能会与桥墩上施加水平荷载或不确定方向的荷载，因此，提出通过门架滑道梁的结构进行桥墩构造保护， 且在进行构件拖拉时，将构件在墩帽上进行滑移，确保水平反力转变为门架轴力，进而保证桥墩结构安全。

在桥梁构件拖拉过程中， 应在拖拉油缸上安装传感器，并于泵站处设置溢流阀，确保实时掌控力的大小，将桥墩所受附加力控制在可控范围内。

2.3 钢梁吊装技术

结合工程实际，将吊装工况划分为3 个，并逐个验算各个工况条件下吊装机械的合理性。

（1） 工况1。0～1 轴线钢梁采用450 T 汽车吊进行整体单机吊装。

0～1 轴线整体拼装节段重量为63 t， 索具按2 t考虑，采用450 t 单机吊装；查450 t 吊机参数表，16 m吊装半径， 最大起重重量82.4 t， 其吊机负荷率为：65/82.4=78%<80%，满足吊装要求。

（2）工况2。1～2 轴线第二吊段，采用450 t 吊装，悬挑8 m。

1～2 轴线第二吊段重量为34.47 t，索具按2 t 考虑，采用450 t 单机吊装；查450 t 吊机参数表，24 m吊装半径， 最大起重重量52.4 t， 其吊机负荷率为：37/52.4=70%<80%，满足吊装要求。

（3） 工况3。1～2 轴线第三吊段， 采用450 t 和260 t 汽车吊双机抬吊至桥位。

1～2 轴线第三吊段重量为34.47 t，索具按2 t 考虑，采用双机抬吊，1 台吊机吊装荷载为：（35+2）÷2=18.5 t。查450t 吊机参数表，26 m 吊装半径，最大起重重量47.5 t， 其吊机负荷率为：18.5/47.5=39%<75%，满足吊装要求（双机抬吊最大负荷取值为小于75%）；查260 t 吊机参数表，12 m 吊装半径，最大起重重量26.6 t， 其吊机负荷率为：18.5/26.6=69%<75%，满足吊装要求（双机抬吊最大负荷取值为小于75%）。

查260 t 汽车吊参数表，12 m 吊装半径，62 m 大臂，吊车最大仰角满足要求。

2.4 钢梁施工技术

（1）钢梁安装。钢梁节段吊装至支座上方100 mm位置，减慢降落速度，缓慢将钢梁落至支座上，稳定状态后再松钩； 钢梁中线对接偏差保证10 mm 以内，桥墩处标高偏差保证±10 mm 以内；钢梁就位后经测量校正后，加设马板进行固定，待焊接完成后拆除马板。

（2）钢梁焊接。钢梁焊接过程应严格执行规范要求，如主要角焊缝误差不大于0.5 mm，受压部件焊缝误差不大于0.3 mm，其他焊缝误差不大于1.0 mm。

（3）纠偏技术。在钢梁安装过程中，可能出现侧向位移， 需在安装过程中实时校核钢梁及其部件的对齐情况；若发现不同步，要及时纠偏，将偏差值调整至允许范围内。

3 钢桥施工效果评价

3.1 评价方法的构建

在钢桥施工过程中，会进行变形监测，即在0～2轴顶分别布设了JC1～JC3 监测点，因此，提出通过钢桥变形数据分析来评价施工效果， 并将分析思路分为两步： ①将监测时段内的累计变形值与钢桥变形控制值对比，若仍在控制值范围内，说明在监测时段内，钢桥施工效果较优；②对监测时段内的变形数据进行预测，若其后变形值仍在控制值范围内，说明钢桥在后期一定时段内的施工效果也较优， 侧面也就说明钢桥施工是合理的。因此，该节后续再重点开展变形预测模型构建。

在变形预测模型构建过程中，将其步骤划分为3步：①对桥梁变形数据进行去噪处理；②构建桥梁真实变形量的预测模型； ③构建桥梁噪声变形量的预测模型。

3.1.1 去噪处理模型的构建

受监测环境限制， 桥梁变形监测数据会含有一定误差信息，因此，需先开展变形数据的去噪处理。考虑到WPT 可合理剔除低频信号，是一种较优的信号提取方法，因此，通过其实现桥梁变形数据的去噪处理。

因此，通过WPT 处理，将桥梁变形数据的分解形式表示为［4］：

式中Bi为桥梁变形监测数据 （mm）；F1i为数据分量1，代表桥梁真实变形量（mm）；F2i为数据分量2，代表桥梁噪声变形量（mm）。

为合理评价WPT 的去噪效果，以SNR（信噪比）为评价指标，即［4］：

式中Powern为过滤后的桥梁变形数据功率；Powers为桥梁变形数据功率。

据SNR 原理，其值越大，说明去噪效果越优。

由于通过WPT 实现了数据的分解处理，预测模型也对分量1 和分量2 进行针对性构建。

3.1.2 真实变形量的预测模型构建

考虑到相关向量机 （Relevance Vector Machine，RVM）能合理摒弃Mercer 理论限制，泛化能力强，所以以其构建数据分量1 的预测模型。

由RVM 原理，其训练函数格式为［5］：

式中zi为数据分量1 的预测值（mm）；xi为输入信号（mm）；N 为训练集个数（个）；wi、w0为权值向量；k（xi）为激励函数；ε 为高斯噪声。

顾及RVM 的权值向量是由模型随机产生， 其客观性欠缺， 进一步提出鲸群优化算法（Whale Optimization Algorithm，WOA）开展其寻优处理。

结合WOA 的原理， 将其寻优流程总结如图3。

图3 WOA 的寻优处理流程

据上， 数据分量1 的预测模型确定为WOA-RVM。

3.1.3 噪声变形量的预测模型构建

考虑到数据分量2 的非线性规律显著，因此，提出通过Arima 构建其预测模型。据Arima 原理，其训练函数为［6］：

式中Rt为数据分量2 的预测值（mm）；p、q 为回归参数；rt-m为预测误差值（mm）；φm为自回归参数；at、at-j为对白噪声参数；θj为滑动参数。

结合上述， 将桥梁变形预测模型最终确定为WOA-RVM-Arima。

3.2 变形分析结果

在钢桥施工过程中，对3个监测点进行变形监测，共计得到28 期变形数据，其时间-变形曲线如图4。据图4，桥梁累计变形曲线大致呈持续增加规律，形态上具“缓-陡-缓”特征。

图4 钢桥时间-变形曲线

为进一步掌握钢桥变形规律， 再对3 个监测点的变形速率特征参数进行统计， 其中，JC1 的变形速率范围为0.02～0.71 mm/期，平均速率为0.27 mm/期；JC2 的变形速率范围为0.02～0.82 mm/期，平均速率为0.33 mm/期；JC3 的变形速率范围为0.02～0.96 mm/期，平均速率为0.29 mm/期。

按照钢桥施工效果评价思路，JC1 的累计变形值为7.56 mm，JC2 的累计变形值为9.21 mm，JC3 的累计变形值为8.22 mm，三者均小于15 mm（钢桥变形控制值），说明在监测时段内，钢桥施工效果较优。

其后，再进一步开展钢桥变形预测研究，且在此过程中，先开展数据去噪处理；为验证WPT 的去噪效果，再采用sym 小波、Kalman 滤波进行同样处理。

经统计，WPT 的SNR 值为39.65dB，sym 小波的SNR 值为 28.66dB，Kalman 滤波的 SNR 值为25.34dB； 对比而言，WPT 相较其他两类方法的去噪效果更优， 即通过其开展桥梁变形数据的去噪处理是正确的。

为验证预测思路的合理性，以JC1 为例，详述统计不同预测阶段的预测结果如表1。据表1，在数据分量1 的预测结果中，RVM 预测结果的相对误差范围为2.46%～2.86%，平均值为2.61%；WOA-RVM 预测结果的相对误差范围为2.14%～2.30%， 平均值为2.23%；此两模型对比，通过WOA 的优化处理，能有效提高数据分量1 的预测精度， 说明其预测模型是合理的；再经Arima 对数据分量2 的预测处理，得到JC1 最终预测结果的相对误差范围为2.01%～2.13%，平均值为2.07%，即其最终预测精度较高，充分说明WOA-RVM-Arima 适用于桥梁变形预测。

表1 JC1 在不同阶段的预测结果

按预测思路，再利用WOA-RVM-Arima 开展其他监测点的变形预测，结果如表2。据表2，在3 个监测点的预测结果中，JC1～JC3 的相对误差均值依次为2.07%、2.10%和2.15%，均具较高的预测精度，充分验证了WOA-RVM-Arima 的预测能力。

表2 JC1～JC3 的预测结果

据表2 中29～31 期的外推预测结果， 得出3 个监测点的变形虽会进一步增加，但增加速率较小，趋于稳定方向发展， 且预测结果中的最终累计变形值介于7.79～9.75 mm，也都小于钢桥变形控制值，说明钢桥在后期一定时段内的施工效果也较优。

综上所述，不论是在监测时段内，还是其后一定时期内，桥梁变形均在变形控制值范围内，说明钢桥施工是合理的。

4 结语

（1）洪水河水库专用钢桥的施工难度较大，其关键施工技术主要包括胎架拼装技术、钢梁运输技术、桥墩保护技术、钢梁吊装技术及钢梁施工技术；各类施工技术对桥梁安全施工至关重要， 其相互配合也很必要，需切实落实技术管理。

（2）通过桥梁变形数据分析，WPT 能有效实现数据去噪处理，且WOA-RVM-Arima 也能实现桥梁变形数据的高精度预测， 所得预测结果的相对误差值在2.07%～2.15%之间， 预测效果较优； 根据外推预测， 得出桥梁在监测时段和其后一定时期内的累计变形均小于变形控制值，说明桥梁施工合理有效。