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摘要：橋梁的施工受到理想狀態與實際狀態各方面差異的影響，必須對進行實時識別、調整和預測，使其結構內力狀態和幾何線形的最終狀態達到設計要求，這些都需要依賴于科學合理的施工監控措施和方法。本文就這些問題結合實際施工進行了分析控制，對于鋼筋砼簡支系桿拱橋的施工具有指導意義。...

 

鋼筋砼簡支系桿拱橋的施工監控

安疆鋒1,王茜1，柳明亮2

（1、陜西建工機械施工集團有限公司，陜西西安 710043

2 、陜西省建筑科學研究院，陜西西安710082）

    橋梁施工特別是大跨徑橋梁的施工是一個系統工程。在該系統中，設計圖只是理想目標，而在自開工到竣工整個為實現設計目標而必須經歷的過程中，將受到包含設計計算、材料性能、施工精度、荷載、大氣溫度等方面存在的理想狀態與實際狀態的差異的影響，這些都需要依賴于科學合理的施工方法。對鋼筋混凝土大跨徑拱橋來說，由于其上部結構采用多工序、多階段施工，若不對施工狀態進行實時識別（監測）、調整（糾偏）、預測，結構內力狀態和幾何線形的最終狀態很難達到設計要求，解決該問題的途徑主要就是通過在施工過程中對橋梁結構進行實時監測，根據監測結果，評估各主要施工階段拱肋等主要構件的變形及材料應力變化狀態是否符合設計要求，判斷施工過程是否安全，結構是否正常工作；而當出現較大誤差時，應對結構進行誤差調整，并對設計的施工過程進行重新安排，從而保證橋梁建成時最大可能地接近理想設計狀態，同時也確保施工期間的結構安全，施工質量和施工工期，這些就牽涉到施工過程中的信息化管理控制。它是一項系統工程，包括了數據采集系統（即監測）和數據分析處理系統（即監控），是施工技術的重要組成部分，并始終貫穿于橋梁施工中，也是確保橋梁施工宏觀質量的關鍵。下面就以某橋梁工程為例進行說明。

    某鋼筋砼簡支系桿拱橋位處河寬約60米，場地地貌單元為河床及河漫灘。上部結構為1*80m下承式系桿拱橋，矢高16m，矢跨比1/5，理論拱軸線為二次拋物線。全橋共設兩榀鋼筋砼拱，截面為工字型，高1.8m，寬1.3m，兩拱與系梁固結，橫向間距20.8m，拱肋間設置三道鋼筋砼風撐，風撐截面為矩形，截面為1.2*0.8m；每榀拱肋與系梁之間設置14根垂直吊桿，吊桿間距為5.0m；詳見橋梁結構圖1。橋面結構采用縱橫梁體系，共計T型截面預應力中橫梁14道，單箱雙室截面端橫梁2道，25cm厚整體橋面板加腋0.3*0.15m。下部結構為砼灌注樁基礎。

    1、結構控制目標

    該橋梁結構控制目標是結構滿足規范要求和設計要求，達到特定性能指標最優條件下各個施工階段期望實現的結構狀態，具體包括：

    （1）控制橋梁線型，控制主要構件的內力，保證工程內在的質量優良；

    （2）預知并及時發現施工中的失誤，及時糾正，避免發生重大責任和技術事故，確保橋梁建造安全；

    （3）提供成橋的力學參數報告，為橋梁今后的養護提供數據資料。

 圖1：橋梁結構簡圖

    其主要任務是采用大跨度橋梁施工控制的理論和方法，根據實際測得的影響橋梁應力、索力與變形數據，進行及時分析，對橋梁施工期間的線形、結構移位、索力及應力等內容進行有力的控制和調整，確保在全橋建成以后橋梁的應力狀態、索力狀態與外形曲線與設計盡量相符。將實測成橋狀態的線形與相應溫度下的理論線形成對比，相差應在施工控制精度范圍內。各項目施工控制目標見下表1。          

表1：施工控制目標

檢查項目		允許偏差
拱肋	立模標高允許誤差	±5%
	拱肋應力誤差	±10%
	上下游高程相對偏差	±20mm
	軸線偏位	±10mm
系梁	立模標高允許誤差	±5%
	軸線偏位	±10mm
	系梁應力誤差	±10%
吊桿張拉最大允許誤差		±10%

    本系桿拱橋的施工監控采用先進的自適應控制方法，參數誤差識別采用Kalman濾波法。參數誤差識別過程是自適應控制的關鍵，其任務是根據對控制目標（如內力、標高和結構應力）的測量值與計算值之間的誤差反算施工模擬計算所選用的參數是否合理。

    2、施工監控系統

    大跨度橋梁的施工控制是一個施工→量測→識別→修正→預告→施工的循環過程，其控制核心問題是施工控制計算和現場施工測試。通過測試所獲得的橋梁在施工各階段結構內力和變形的資料是施工中控制、調整內力和位移的主要依據，同時它也是監測施工、改進設計、確保結構在施工過程中安全的重要手段。

    2.1施工仿真計算分析

    本橋施工全過程分析采用橋梁結構分析軟件MIDAS/Civil和橋梁博士軟件結合進行，兩種軟件的結果互相校核。

    施工監控計算分析分為結構分析方法和參數調整方法，其中結構分析方法采用正裝法、倒裝法和無應力狀態法相結合，參數調整方法采用自適應參數識別調整法、最小二乘法和回歸分析法相結合。計算監控基本參數的選擇原則：選擇的參數在施工現場是經常變化的，其變化能較敏感地反應出對橋梁結構行為的影響，并易于表示、度量和取得。本橋選擇混凝土的彈性模量、構件自重、施工荷載、結構溫度場和施工周期等作為監控基本參數。各參數的取值如下：

    （1）混凝土的彈性模量，容重采用現場實測值作為計算參數。

    （2）預應力損失，錨下損失按照錨外控制應力的6%計算。

    （3）恒載撓度反拱度的設置充分考慮徐變的影響以及二期恒載上橋時間（設計二期恒載作用時間為預加應力60天后計算）

    （4）收縮徐變按1000天完成考慮，殘余徐變按照10年計算。

    首先根據該橋施工流程進行全過程的計算，并計算在各種荷載作用下橋梁各構件的內力、變形，與設計院的理論數值進行相互校核。其次，結合本橋的特點及施工方案進行各階段（每張拉一次吊桿和系桿、成橋狀態）的主拱肋的內力和變形、系桿的控制張拉力、施工過程及成橋階段的內力及橋面板的高程的監控計算，結合實際監測數據進行參數識別，調整計算模型，經多次迭代予以修正，獲得每個階段的控制高程和索力。

     整個橋梁施工共分15個工況，78個單元、64個節點。

    2.2監控的作用

    （1）主梁立摸標高的確定

    主梁立模標高是主梁線形的基礎，一旦確定，主梁的線形就基本確定。因此立模標高是決定成橋線形的最重要因素。成橋合理線形和施工過程中計算完成后，就可以確定主梁施工預拱度，從而可求得立模標高。

    （2）拱肋安裝坐標的確定

     施工計算完成后，確定拱肋安裝的空間線形與坐標

    （3）初拉索力和成橋索力的優化

    吊桿索力是改變結構線形和受力的一個重要手段，在施工過程中確定一個合理的索力張拉方案既可以減少重復張拉的工作，又可以保證施工過程結構的安全；合理的成橋階段吊桿索力能使主梁、拱肋均達到理想的內力狀態，保證運營期間結構始終處于安全狀態。

    2.3施工監測的測點布置與測試內容

    結構線形不但影響成橋后使用條件，而且對于拱橋也是判斷結構受力的重要標志，過大的變形是結構失穩的前兆。通過結構變形測量的數據，可以判斷計算參數的誤差，因此變形監測是橋梁施工監控過程中的最重要且為主要的內容，在施工過程中需加強對結構位移（變形）的監測。除變形監測外，結構的應力測試也是一項主要內容。

    （1）拱肋空間位移與系梁變形監測

    根據本橋的受力特點和施工控制的主要目的，確定拱肋和系梁變形（位移）狀態監測位置在拱肋的拱腳，拱頂及其之間截面（吊桿位置），其中拱肋14個截面，系梁14個截面。拱肋每個斷面布設2個測點（上下游），系梁每個斷面布設4個測點。

    在各個施工工況結束后，進行拱肋和系梁空間位移的監測，安排在日出之前測量以減少溫度的影響。

    （2）拱腳水平位移監測

    對采用先梁后拱方法施工的系桿拱橋，拱腳水平位移主要是在張拉系梁預應力筋和張拉吊桿時導致系梁內軸向力變化所引起軸向彈性變形。

拱腳水平位移的監測在近拱肋位置橫向上下游各一個測點，采用位移計（百分表）測量

    （3）拱肋和系梁應變（應力）和溫度監測

    應力狀態的測試采用智能溫度型數碼應變計監測每個測試點的應力狀態。根據本橋的受力特點和施工控制的主要目的，確定拱肋應變（應力）狀態監測位置布置在拱腳、四分點和拱頂，計5個截面，每個截面布設8個測點（上下游）。系梁的應變（應力）狀態監測布置3個截面，每個截面上布設8個測點。

    溫度測點布置同應力測點，溫度測試主要作為應力修正。

    （4）吊桿內力監測

    在成橋狀態，吊桿內力決定了系桿拱橋內力及形狀，保證吊桿內力的準確對結構的內力狀態、結構線形以及結構的穩定性有重要意義。在各主要工況對所有吊桿的內力進行跟蹤測量，并與理論計算結果進行對比以作相互校核。

    吊桿內力的測試采用隨機振動方法測定，采用專用的夾具將加速度計固定在吊桿上，以測定吊桿的振動。測量時不必對被測吊桿進行人為激勵，加速度計將索的隨機振動信號轉變成電信號，電信號經放大后送至動態信號采集系統進行記錄并儲存。

    結合本橋的結構特點和施工控制原則，將以下幾個階段作為主要的施工控制階段，并簡述每個施工階段監控的主要工作內容。

    （5）本工程監控的主要工作和內容

表2：主要工作和內容

施工階段	主要工作	主要監控內容
支架與系梁施工階段	計算并提供系梁的立模標高，測量系梁澆注后及系梁縱向預應力張拉后結構的變形	建立控制網，系梁支架預壓及系梁澆筑過程的變形監測；立模標高；系梁一次縱向預應力張拉前后對系梁的應力和變形監測
拱架架設及拱肋澆筑階段	計算并調整拱肋安裝至控制標高，測量拱肋澆筑前后系梁線形變化及拱腳和拱肋線形變化	按設計給出的拱肋線形（計入預拱度），搭設拱肋支架；拱肋的立模標高=設計標高+拱架彈性變形+后續施工變形+徐變變形；測試系梁內力，監測系梁與支架變形
拱肋支架拆除階段	監測拱腳及拱肋變形	提供拱架卸載程序；拆除拱肋拼裝支架前，在拱肋上按要求設置變形監測點，并建立初始值，在拆除過程中監測拱肋變形和拱腳水平位移；測試拱肋和系梁的應力。
吊桿安裝和張拉階段	監測吊桿張拉過程中拱腳位移、拱肋和系梁變形	按序張拉吊桿并對吊桿力進行測試；在張拉吊桿時對拱肋和系梁的變形和應力進行監測；全部吊桿張拉完后對全部吊桿力進行測試。
拆除系梁臨時支架、張拉系梁二次縱向預應力	監測支架拆除前后、系梁二次預應力張拉過程中拱腳位移、拱肋和系梁應力和變形	拆除系梁臨時支架前后對拱肋和系梁應力和變形進行測試；拆除系梁臨時支架前后對吊桿進行通測；張拉系梁二次縱向預應力前后除測試以上兩部分內容外，并對拱腳水平位移進行監測。
上二期恒載、調整吊桿力到成橋狀態	監測二期恒載作用前后拱肋、系梁的應力和變形	對吊桿力進行通測，確定是否需要對吊桿力進行優化調整。
注：1、本橋梁選用高精度、穩定性好的測試元件和傳感器，配備先進的測試儀器和設備，進行嚴格的標定，保障測試數據的真實性； 2、施工監測是利用事先在拱肋和系梁各控制截面埋設的傳感器進行測量。

    3、結束語

    橋梁的施工監控是確保橋梁宏觀質量的關鍵，其衡量標準就是成橋時的線性和受力狀態。對于大跨徑鋼筋砼系桿拱橋其上部采用多工序、多階段施工，若不對施工過程進行控制，結構內力和線性的最終狀態很難達到設計要求。為建成質量高、外形美的橋梁，施工監控絕不可少。同時，施工監控也是橋梁的安全保證，通過監控，施工每一階段的結構內力和變形都可以預計，并與理論值比較，及時檢查和分析原因，避免事故的出現。本橋梁經過科學合理的施工監控，橋梁各項指標均滿足設計要求，內力應力分布合理。

    作者簡介：

    安疆鋒，男，陜西建工機械施工集團有限公司，高級工程師，南京市堯化門堯佳路98號，210046，聯系電話：13505173065

    王  茜，女，陜西建工機械施工集團有限公司工程師，南京市堯化門堯佳路98號，210046，聯系電話：13901583950

 (本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)

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