著名桥梁专家周念先教授认为“100m和1000m的拱桥在设计方面难度相差不大,而施工方面的难度差别非常悬殊”,可见超大跨拱桥建设的关键在于施工。钢管混凝土(CFST)拱桥由于采用了先拼装轻质钢管拱肋后浇灌核心混凝土的先进施工工艺,为拱桥跨越更大跨度提供了可能性。但随着跨度的增加,尤其是超500米级后,拱桥施工周期长,误差累积效应明显,再加之拱肋节段长、体量大、焊接影响复杂等问题,使得拱肋制造精度低、拼装风险高、施工控制难;此外,混凝土浇灌体量大、泵送距离远、顶升高度大,脱空“病害”不易避免,也给结构的安全造成威胁。然而,随着我国交通路网的不断延伸,“天堑变通途”势在必行,钢管混凝土拱桥因结构自身优势,是跨越峡谷沟壑的理想桥型。因此,为实现国家战略发展,创新拱桥核心建设技术,巩固我国的拱桥强国地位,超大跨钢管混凝土拱桥建设过程中的一系列问题亟待解决。本文即围绕世界最大跨钢管混凝土拱桥——合江长江一桥(跨径530m)建造过程中的施工关键计算理论与控制方法展开了系统深入的研究。主要研究工作及成果如下:1.鉴于超大跨径钢管混凝土拱桥的钢管拱肋制造过程中,大尺度焊缝会对拱肋制造线形产生不容忽视的复杂影响与高危风险,基于单元生死技术精细化数值模拟了钢管拱肋节段的动态对接焊接过程;对比分析了对称焊接与非对称焊接两种工艺下,特大尺度钢管对接焊缝及其热影响区的焊接残余应力与焊接残余变形分布规律,明确了对称焊接优于非对称焊接;针对国标中建议大跨度拱桥(超过200m)采用立式制作方法带来的施工费用高、安全风险大的难题,基于焊接缺陷分布特点,研发了拱肋“2+1”高精度卧式耦合制造技术,解决了特大体量钢管拱肋制造精度保证难的问题,对类似工程具有一定的指导性作用。2.围绕超大跨拱桥施工过程中环境影响复杂,难以保证在设计合龙温度下合龙进而影响拱肋线形的现实问题,提出了考虑非设计合龙温度下合龙的拱肋安装线形修正方法,推导了节段预抬高及拱肋安装节点的标高调整计算方法;针对传统扣、锚索分离的定长扣索计算方法面临约束条件多、索力均匀性差等问题,提出了“过程最优,结果可控”的扣索一次张拉改进算法;针对扣、锚索一体施工方法,基于静力平衡与变形协调条件,推导了考虑墩(塔)抗推刚度弹性支撑影响的单索鞍与双索鞍索力计算方法,并结合传统索鞍半径有限、摩阻损耗大的问题,优化了传统双向索鞍构造细节,提出了新型分散式扣索双转向索鞍;形成了成套超大跨CFST钢管拱肋安装线形控制方法,并应用于合江长江一桥。3.针对超大跨CFST钢管拱肋工厂制作与现场拼装过程中的各种可能误差,分析了温度变化、焊缝收缩以及制作误差等对引起的弧长变化计算方法,基于拱肋节段无应力状态下的几何连续特性,推导了不同位置处的安装误差以及拱肋节段数对拱肋高程与线形的影响规律,明确了拱肋安装节段抬高误差控制关键部位;针对悬臂拼装时因接头不能密贴而采取垫塞钢板的措施,基于节段几何坐标关系,推导了节段间垫塞钢板的坐标修正公式,详细阐述了切线拼装、节段坐标修正在有限元中的实施方法,并通过算例计算了垫塞钢板对扣索力、主拱线形及内力的影响规律;针对特大跨CFST格构型拱肋,推导了拱肋切线拼装时坐标修正公式,提出了拱肋节段带斜腹杆安装时坐标修正方法。4.针对缆索吊装法应用于超500m级钢管混凝土拱桥面临的索跨大、吊装重、索塔高而稳定性差、环境复杂等难题,从受力性能、安装精度与偏位控制难易等方面系统对比了现有吊扣连接的可行性,明确了超大跨CFST拱桥“吊扣真正合一”的形式,并研究开发了塔顶偏位控制技术;基于正、倒两种索-轮单元平衡方程,构建了缆索几何非线性有限元模型,开发了非线性索-轮单元法,完成了缆索吊机主索几何非线性分析,进而彻底解决了传统有限元分析方法无法实现索力连续的问题;研发了回转梁式吊具进行拱肋水上起吊转向,解决了急流河段运输船不能横水流停泊的难题;保证了超500m级CFST拱桥缆索吊装系统的强健性与经济性。5.通过理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方式剖析了钢管混凝土拱桥脱空产生原因;借助玻璃管灌注混凝土试验研究,明确了管内空气是施工阶段脱空主要成因,从而提出了真空辅助灌注工艺,并通过对比试验研究,厘清了真空情况下,空气排出流动方式,揭示了真空辅助灌注工作机理,验证了真空辅助灌注提高管内混凝土密实度的可行性;研发了“大型钢管混凝土结构管内混凝土真空辅助灌注方法”和相应的“真空辅助灌注系统”,实现了超500m级钢管混凝土拱桥全过程真空辅助三级连续泵送施工,保证了混凝土的密实性;针对管内混凝土收缩导致后期脱空的问题,提出并成功实践了“不收缩混凝土+真空辅助灌注”技术,解决了困扰钢管混凝土拱桥多年的脱空问题。