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摘要：橋梁的施工受到理想狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)各方面差異的影響，必須對進(jìn)行實(shí)時識別、調(diào)整和預(yù)測，使其結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)和幾何線形的最終狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這些都需要依賴于科學(xué)合理的施工監(jiān)控措施和方法。本文就這些問題結(jié)合實(shí)際施工進(jìn)行了分析控制，對于鋼筋砼簡支系桿拱橋的施工具有指導(dǎo)意義。...

 

鋼筋砼簡支系桿拱橋的施工監(jiān)控

安疆鋒1,王茜1，柳明亮2

（1、陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043

2 、陜西省建筑科學(xué)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(tǒng)工程。在該系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)圖只是理想目標(biāo)，而在自開工到竣工整個為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)而必須經(jīng)歷的過程中，將受到包含設(shè)計(jì)計(jì)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(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差異的影響，這些都需要依賴于科學(xué)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(jié)構(gòu)采用多工序、多階段施工，若不對施工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時識別（監(jiān)測）、調(diào)整（糾偏）、預(yù)測，結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)和幾何線形的最終狀態(tài)很難達(dá)到設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，評估各主要施工階段拱肋等主要構(gòu)件的變形及材料應(yīng)力變化狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求，判斷施工過程是否安全，結(jié)構(gòu)是否正常工作；而當(dāng)出現(xiàn)較大誤差時，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行誤差調(diào)整，并對設(shè)計(jì)的施工過程進(jìn)行重新安排，從而保證橋梁建成時最大可能地接近理想設(shè)計(jì)狀態(tài)，同時也確保施工期間的結(jié)構(gòu)安全，施工質(zhì)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(xiàng)系統(tǒng)工程，包括了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（即監(jiān)測）和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)（即監(jiān)控），是施工技術(shù)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(zhì)量的關(guān)鍵。下面就以某橋梁工程為例進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)，橫向間距20.8m，拱肋間設(shè)置三道鋼筋砼風(fēng)撐，風(fēng)撐截面為矩形，截面為1.2*0.8m；每榀拱肋與系梁之間設(shè)置14根垂直吊桿，吊桿間距為5.0m；詳見橋梁結(jié)構(gòu)圖1。橋面結(jié)構(gòu)采用縱橫梁體系，共計(jì)T型截面預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)為砼灌注樁基礎(chǔ)。

    1、結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)

    該橋梁結(jié)構(gòu)控制目標(biāo)是結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求和設(shè)計(jì)要求，達(dá)到特定性能指標(biāo)最優(yōu)條件下各個施工階段期望實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，具體包括：

    （1）控制橋梁線型，控制主要構(gòu)件的內(nèi)力，保證工程內(nèi)在的質(zhì)量優(yōu)良；

    （2）預(yù)知并及時發(fā)現(xiàn)施工中的失誤，及時糾正，避免發(fā)生重大責(zé)任和技術(shù)事故，確保橋梁建造安全；

    （3）提供成橋的力學(xué)參數(shù)報(bào)告，為橋梁今后的養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)資料。

 圖1：橋梁結(jié)構(gòu)簡圖

    其主要任務(wù)是采用大跨度橋梁施工控制的理論和方法，根據(jù)實(shí)際測得的影響橋梁應(yīng)力、索力與變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行及時分析，對橋梁施工期間的線形、結(jié)構(gòu)移位、索力及應(yīng)力等內(nèi)容進(jìn)行有力的控制和調(diào)整，確保在全橋建成以后橋梁的應(yīng)力狀態(tài)、索力狀態(tài)與外形曲線與設(shè)計(jì)盡量相符。將實(shí)測成橋狀態(tài)的線形與相應(yīng)溫度下的理論線形成對比，相差應(yīng)在施工控制精度范圍內(nèi)。各項(xiàng)目施工控制目標(biāo)見下表1。          

表1：施工控制目標(biāo)

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

    本系桿拱橋的施工監(jiān)控采用先進(jìn)的自適應(yīng)控制方法，參數(shù)誤差識別采用Kalman濾波法。參數(shù)誤差識別過程是自適應(yīng)控制的關(guān)鍵，其任務(wù)是根據(jù)對控制目標(biāo)（如內(nèi)力、標(biāo)高和結(jié)構(gòu)應(yīng)力）的測量值與計(jì)算值之間的誤差反算施工模擬計(jì)算所選用的參數(shù)是否合理。

    2、施工監(jiān)控系統(tǒng)

    大跨度橋梁的施工控制是一個施工→量測→識別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過程，其控制核心問題是施工控制計(jì)算和現(xiàn)場施工測試。通過測試所獲得的橋梁在施工各階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的資料是施工中控制、調(diào)整內(nèi)力和位移的主要依據(jù)，同時它也是監(jiān)測施工、改進(jìn)設(shè)計(jì)、確保結(jié)構(gòu)在施工過程中安全的重要手段。

    2.1施工仿真計(jì)算分析

    本橋施工全過程分析采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil和橋梁博士軟件結(jié)合進(jìn)行，兩種軟件的結(jié)果互相校核。

    施工監(jiān)控計(jì)算分析分為結(jié)構(gòu)分析方法和參數(shù)調(diào)整方法，其中結(jié)構(gòu)分析方法采用正裝法、倒裝法和無應(yīng)力狀態(tài)法相結(jié)合，參數(shù)調(diào)整方法采用自適應(yīng)參數(shù)識別調(diào)整法、最小二乘法和回歸分析法相結(jié)合。計(jì)算監(jiān)控基本參數(shù)的選擇原則：選擇的參數(shù)在施工現(xiàn)場是經(jīng)常變化的，其變化能較敏感地反應(yīng)出對橋梁結(jié)構(gòu)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(gòu)件自重、施工荷載、結(jié)構(gòu)溫度場和施工周期等作為監(jiān)控基本參數(shù)。各參數(shù)的取值如下：

    （1）混凝土的彈性模量，容重采用現(xiàn)場實(shí)測值作為計(jì)算參數(shù)。

    （2）預(yù)應(yīng)力損失，錨下?lián)p失按照錨外控制應(yīng)力的6%計(jì)算。

    （3）恒載撓度反拱度的設(shè)置充分考慮徐變的影響以及二期恒載上橋時間（設(shè)計(jì)二期恒載作用時間為預(yù)加應(yīng)力60天后計(jì)算）

    （4）收縮徐變按1000天完成考慮，殘余徐變按照10年計(jì)算。

    首先根據(jù)該橋施工流程進(jìn)行全過程的計(jì)算，并計(jì)算在各種荷載作用下橋梁各構(gòu)件的內(nèi)力、變形，與設(shè)計(jì)院的理論數(shù)值進(jìn)行相互校核。其次，結(jié)合本橋的特點(diǎn)及施工方案進(jìn)行各階段（每張拉一次吊桿和系桿、成橋狀態(tài)）的主拱肋的內(nèi)力和變形、系桿的控制張拉力、施工過程及成橋階段的內(nèi)力及橋面板的高程的監(jiān)控計(jì)算，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識別，調(diào)整計(jì)算模型，經(jīng)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(jié)點(diǎn)。

    2.2監(jiān)控的作用

    （1）主梁立摸標(biāo)高的確定

    主梁立模標(biāo)高是主梁線形的基礎(chǔ)，一旦確定，主梁的線形就基本確定。因此立模標(biāo)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(jì)算完成后，就可以確定主梁施工預(yù)拱度，從而可求得立模標(biāo)高。

    （2）拱肋安裝坐標(biāo)的確定

     施工計(jì)算完成后，確定拱肋安裝的空間線形與坐標(biāo)

    （3）初拉索力和成橋索力的優(yōu)化

    吊桿索力是改變結(jié)構(gòu)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(fù)張拉的工作，又可以保證施工過程結(jié)構(gòu)的安全；合理的成橋階段吊桿索力能使主梁、拱肋均達(dá)到理想的內(nèi)力狀態(tài)，保證運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。

    2.3施工監(jiān)測的測點(diǎn)布置與測試內(nèi)容

    結(jié)構(gòu)線形不但影響成橋后使用條件，而且對于拱橋也是判斷結(jié)構(gòu)受力的重要標(biāo)志，過大的變形是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的前兆。通過結(jié)構(gòu)變形測量的數(shù)據(jù)，可以判斷計(jì)算參數(shù)的誤差，因此變形監(jiān)測是橋梁施工監(jiān)控過程中的最重要且為主要的內(nèi)容，在施工過程中需加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)位移（變形）的監(jiān)測。除變形監(jiān)測外，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測試也是一項(xiàng)主要內(nèi)容。

    （1）拱肋空間位移與系梁變形監(jiān)測

    根據(jù)本橋的受力特點(diǎn)和施工控制的主要目的，確定拱肋和系梁變形（位移）狀態(tài)監(jiān)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(shè)2個測點(diǎn)（上下游），系梁每個斷面布設(shè)4個測點(diǎn)。

    在各個施工工況結(jié)束后，進(jìn)行拱肋和系梁空間位移的監(jiān)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(jiān)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(yù)應(yīng)力筋和張拉吊桿時導(dǎo)致系梁內(nèi)軸向力變化所引起軸向彈性變形。

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

    （3）拱肋和系梁應(yīng)變（應(yīng)力）和溫度監(jiān)測

    應(yīng)力狀態(tài)的測試采用智能溫度型數(shù)碼應(yīng)變計(jì)監(jiān)測每個測試點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)本橋的受力特點(diǎn)和施工控制的主要目的，確定拱肋應(yīng)變（應(yīng)力）狀態(tài)監(jiān)測位置布置在拱腳、四分點(diǎn)和拱頂，計(jì)5個截面，每個截面布設(shè)8個測點(diǎn)（上下游）。系梁的應(yīng)變（應(yīng)力）狀態(tài)監(jiān)測布置3個截面，每個截面上布設(shè)8個測點(diǎn)。

    溫度測點(diǎn)布置同應(yīng)力測點(diǎn)，溫度測試主要作為應(yīng)力修正。

    （4）吊桿內(nèi)力監(jiān)測

    在成橋狀態(tài)，吊桿內(nèi)力決定了系桿拱橋內(nèi)力及形狀，保證吊桿內(nèi)力的準(zhǔn)確對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)線形以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要意義。在各主要工況對所有吊桿的內(nèi)力進(jìn)行跟蹤測量，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比以作相互校核。

    吊桿內(nèi)力的測試采用隨機(jī)振動方法測定，采用專用的夾具將加速度計(jì)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(jìn)行人為激勵，加速度計(jì)將索的隨機(jī)振動信號轉(zhuǎn)變成電信號，電信號經(jīng)放大后送至動態(tài)信號采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄并儲存。

    結(jié)合本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jiān)控的主要工作內(nèi)容。

    （5）本工程監(jiān)控的主要工作和內(nèi)容

表2：主要工作和內(nèi)容

施工階段	主要工作	主要監(jiān)控內(nèi)容
支架與系梁施工階段	計(jì)算并提供系梁的立模標(biāo)高，測量系梁澆注后及系梁縱向預(yù)應(yīng)力張拉后結(jié)構(gòu)的變形	建立控制網(wǎng)，系梁支架預(yù)壓及系梁澆筑過程的變形監(jiān)測；立模標(biāo)高；系梁一次縱向預(yù)應(yīng)力張拉前后對系梁的應(yīng)力和變形監(jiān)測
拱架架設(shè)及拱肋澆筑階段	計(jì)算并調(diào)整拱肋安裝至控制標(biāo)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(shè)計(jì)給出的拱肋線形（計(jì)入預(yù)拱度），搭設(shè)拱肋支架；拱肋的立模標(biāo)高=設(shè)計(jì)標(biāo)高+拱架彈性變形+后續(xù)施工變形+徐變變形；測試系梁內(nèi)力，監(jiān)測系梁與支架變形
拱肋支架拆除階段	監(jiān)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(shè)置變形監(jiān)測點(diǎn)，并建立初始值，在拆除過程中監(jiān)測拱肋變形和拱腳水平位移；測試拱肋和系梁的應(yīng)力。
吊桿安裝和張拉階段	監(jiān)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(jìn)行測試；在張拉吊桿時對拱肋和系梁的變形和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測；全部吊桿張拉完后對全部吊桿力進(jìn)行測試。
拆除系梁臨時支架、張拉系梁二次縱向預(yù)應(yīng)力	監(jiān)測支架拆除前后、系梁二次預(yù)應(yīng)力張拉過程中拱腳位移、拱肋和系梁應(yīng)力和變形	拆除系梁臨時支架前后對拱肋和系梁應(yīng)力和變形進(jìn)行測試；拆除系梁臨時支架前后對吊桿進(jìn)行通測；張拉系梁二次縱向預(yù)應(yīng)力前后除測試以上兩部分內(nèi)容外，并對拱腳水平位移進(jìn)行監(jiān)測。
上二期恒載、調(diào)整吊桿力到成橋狀態(tài)	監(jiān)測二期恒載作用前后拱肋、系梁的應(yīng)力和變形	對吊桿力進(jìn)行通測，確定是否需要對吊桿力進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
注：1、本橋梁選用高精度、穩(wěn)定性好的測試元件和傳感器，配備先進(jìn)的測試儀器和設(shè)備，進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，保障測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性； 2、施工監(jiān)測是利用事先在拱肋和系梁各控制截面埋設(shè)的傳感器進(jìn)行測量。

    3、結(jié)束語

    橋梁的施工監(jiān)控是確保橋梁宏觀質(zhì)量的關(guān)鍵，其衡量標(biāo)準(zhǔn)就是成橋時的線性和受力狀態(tài)。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(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線性的最終狀態(tài)很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為建成質(zhì)量高、外形美的橋梁，施工監(jiān)控絕不可少。同時，施工監(jiān)控也是橋梁的安全保證，通過監(jiān)控，施工每一階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形都可以預(yù)計(jì)，并與理論值比較，及時檢查和分析原因，避免事故的出現(xiàn)。本橋梁經(jīng)過科學(xué)合理的施工監(jiān)控，橋梁各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，內(nèi)力應(yīng)力分布合理。

    作者簡介：

    安疆鋒，男，陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，高級工程師，南京市堯化門堯佳路98號，210046，聯(lián)系電話：13505173065

    王  茜，女，陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司工程師，南京市堯化門堯佳路98號，210046，聯(lián)系電話：13901583950

 (本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會     文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)

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