許 信，周世軍，李興坤

(1.重慶大學土木工程學院，重慶400040;2.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070)

1 工程概述

霸王河一號特大橋位于內蒙古集寧市葫蘆車站附近，為跨越原有京包鐵路(既有一級電氣化鐵路)和霸王河而建。霸王河特大橋主橋橋型布置為(60+100+60)m。大橋平面位于R=1600 m平曲線上，施工時采用曲線曲做，實際施工時箱梁按照線路中心線定位，橫向結構尺寸保持徑向不變，外形輪廓與線路曲線一致，并且支座也按照曲線徑向布置。橋梁上部結構采用單箱單室、變高度、直腹板預應力混凝土連續(xù)箱梁。中支點處梁高7.5 m，跨中墩及邊跨墩的現澆段處梁高6.4 m，梁底曲線為二次拋物線，箱梁頂寬7.5 m，梁底寬5.0 m，中支點處梁底局部寬為6.4 m，箱梁頂板厚0.36 m，底板厚度由0.4 m變化到1.0m，腹板厚度由0.45m變化到0.8 m，在跨中墩頂各設置一道厚2.0 m的橫隔板，兩邊墩各設置一道厚1.5 m的橫隔板。箱梁頂面2.0%的排水坡度在橋面鋪裝層的時候設置，橋梁結構施工時不考慮。霸王河特大橋總體布置如圖1所示。

圖1 霸王河一號特大橋主橋(mm)

2 施工方案

霸王河一號特大橋的原施工方案為掛籃施工。但是由于跨越原有的京包鐵路線，為了不影響既有鐵路的正常運營，減少施工過程中對既有鐵路的干擾，施工方案經過專家討論和認證，將原設計的懸臂施工改為逐段支架施工并且采用轉體施工，即在合龍以前橋梁結構先平行于既有京包鐵路施工，1號和2號橋墩及其上承臺也按照轉體角度進行相應的偏轉。每個梁段的施工步驟為:搭設支架→預壓→模板施工→綁扎鋼筋→澆筑混凝土→養(yǎng)護并張拉預應力鋼筋→拆除支架。每個梁段按照這個步驟循環(huán)進行，直到橋梁結構達到最大懸臂狀態(tài)，再結合既有線運營、施工要點及天氣因素進行轉體。轉體施工是將梁體順時針旋轉24°，轉體成功后按照先中跨后邊跨進行合龍。由于內蒙古天氣的原因，每年的施工時間只有8個月左右，為了加快施工進度，特將原來懸臂施工的兩個梁段合并為一個施工梁段。修改以后主橋箱梁梁段分布為0#長10 m，1#～4#長7 m，5#、6#長 8 m，兩邊跨合龍段長2 m，中跨合龍段的原設計長為2 m，為了縮短合龍時間和減小對既有鐵路線運營影響并且避開鐵路上方高壓線對施工的影響，改長度為1.5 m并采用鋼模板制作。鋼模板外刷絕緣漆并永久保留在梁體中，中跨兩邊6#都延長為6.25 m，邊跨現澆段長9.75 m。

橋梁轉體采用的是平轉法體系。該體系由承重體系、頂推牽引體系和平衡體系三大體系組成。其中承重體系由橋墩下上下轉盤和轉動球餃組成;頂推牽引體系由牽引千斤頂、助力反力支座和牽引反力支座組成;平衡體系由結構本身、上轉盤8對鋼管混凝土圓形撐腳、大噸位千斤頂以及T構梁端用鋼絞線添加的配重組成。

3 施工監(jiān)控的目的和內容

3.1 施工監(jiān)控的目的

橋梁施工監(jiān)控是施工技術中重要的組成部分，并且貫穿于橋梁施工的全過程。施工監(jiān)控的目的是確保施工過程中橋梁結構的截面應力分布、撓度變化按照安全合理的范圍變化。特別是確保大跨橋梁順利合龍，使合龍段兩懸臂端的實際標高與監(jiān)控要求預拱度目標偏差不大于允許值，并且使成橋橋面線性良好，結構受力合理。

逐段支架施工不同于懸臂施工，在支架沒有拆除之前無法準確控制在拆除支架以后橋梁結構的內力以及線性的變化情況，并且由于混凝土具有非勻質性，材料性質、幾何參數的變異性，以及受到溫度、濕度、時間等因素的影響，隨著每一個施工梁段支架的添加和拆除，橋梁結構在各個施工階段的內力和線性不可避免的會偏離設計值，而且隨著施工過程的進行，這些誤差還會逐漸累加。因此，為了保證橋梁施工過程中的穩(wěn)定和安全，使成橋線型以及內力狀態(tài)都滿足設計要求，施工中必須實施有效的監(jiān)控控制。

3.2 橋梁監(jiān)控的內容

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(huán)過程。在這個過程中需要對主梁線型和內力實行雙控。它既是一個技術問題，又是一項系統(tǒng)工程。它主要包括兩個部分，一個部分是數據采集系統(tǒng)，即在橋上埋設各類傳感器和設置監(jiān)控系統(tǒng)，采集數據;另一個部分是數據分析仿真模擬系統(tǒng)，將采集到的數據進行分析處理，以確定下一個施工階段的參數。因此，在施工監(jiān)控中需要細致的觀測測試工作和大量計算工作。通過有效的監(jiān)測監(jiān)控工作，最終消除設計與實際施工過程差異的影響，保證設計的施工過程和受力狀態(tài)得以準確實現，確保主梁準確合龍并使最終的主梁線形和內力達到設計狀態(tài)，減小后期橋面鋪裝的難度。

3.2.1 橋梁結構仿真計算與施工模擬

霸王河一號特大橋的仿真計算是采用“大跨度橋梁施工動態(tài)過程監(jiān)控仿真分析軟件CSRB”，它是由重慶大學土木工程學院周世軍教授專門為橋梁監(jiān)控結構仿真分析研制。在連續(xù)梁的施工監(jiān)控采用先進的自適應控制方法，而在誤差分析中采用最小二乘法，已經在今年用于90余座各類型橋梁的監(jiān)控仿真計算，取得很好的監(jiān)控效果。程序采用的是正裝計算，計算內容包括臨時荷載、混凝土收縮徐變、施工臨時荷載、結構體系轉換、二次荷載和活載效應等。仿真計算過程一共分為兩大步，第一步是建立橋梁混凝土結構模型，包括結構離散節(jié)點、單元信息、幾何材料信息、預應力信息、結構徐變收縮信息、組合單元信息和結構邊界條件信息等。整座連續(xù)橋梁上部結構共建立238個單元，1號至3號墩的制作簡化為活動鉸支座，0號墩支座簡化為固定鉸支座。第二步是輸入橋梁施工動態(tài)過程，這個過程完全按照實際施工情況來進行動態(tài)模擬每個施工階段的橋梁結構情況，包括支架的搭設與拆除、新增單元信息、新增加或拆除臨時支撐信息、新張拉預應力信息、臨時固結的封結和釋放信息、單元的收縮徐變信息、構件截面幾何特性和受理特性的改變信息以及施工荷載信等。而其中施工荷載信息是指一個施工階段里在已建結構上增減的節(jié)點荷載、施工臨時荷載、其他廣義單元荷載、溫度變化、收縮徐變、支座位變、預應力張拉力荷載及調整等信息。在橋梁的施工過程中逐漸通過上述信息的調整來模擬真實結構，從而反映出橋梁結構在每個施工階段中內力和變形的大小和變化趨勢。

3.2.2 線性監(jiān)測監(jiān)控

線型監(jiān)測主要是對豎向和平面線型進行監(jiān)測監(jiān)控。監(jiān)測的時候盡量做到定人、定點、定時、定儀器。定人是為了保證數據的精確性和系統(tǒng)性，減小監(jiān)測誤差;定點是通過預埋鋼筋頭的方式來建立的。每個截面一共建立5個監(jiān)控點，其中截面上部左中右三個加上截面底?？拷拱逄巸蓚€，如圖2所示。值得注意的是，頂板的3個測點是通過預埋鋼筋頭來實現的，每根鋼筋頭必須伸入頂板不小于5 cm并且露出混凝土面不超過2 cm，以保證鋼筋不會因為施工過程中各種碰撞產生過大變形影響測量精度;定時一方面是為了消除溫度對測量數據的影響，在早上日出以前完成數據的采集(根據內蒙古集寧地區(qū)日照情況將觀測時間定在早上6:30以前);另一方面是指在要在橋梁施工的各個工況進行數據的采集，包括各個梁段的支架搭設以后、全部模板驗收以后、混凝土澆筑以后以及預應力張拉以后，觀測盡量在上述工況完成后一天內完成。

圖2 線型監(jiān)控點布置(m)

在橋梁各個梁段施工的線型控制中，支架搭設以后對梁段底模標高和平面坐標的控制是保障整個線型控制精度的關鍵，其中梁段的底模立模標高共由3部分組成:H=Hs+f+h。式中第一項Hs為橋梁的設計標高，可以通過設計圖紙計算得到;第二項為根據施工仿真分析得到的預拱度值，這個值包含了施工過程中各種荷載以及混凝土收縮、徐變等的影響，但并不是開始計算以后就最終確定，而是要根據施工過程的對橋梁結構應力、應變有影響的因素調整仿真計算模型，并且綜合考慮各個梁段線型的實測數據和計算理想狀態(tài)的誤差分析來最終確定;第三項h為支架變形值，這個值是通過支架搭設以后預壓得到的，即支架搭設以后通過1.2倍該段梁段施工荷載重預壓規(guī)定時間來消除大部分塑性變形并確定出立模標高中的支架變形值。在底模立模標高確定以后，在梁段隨后的各個工況中對梁段標高進行實時監(jiān)控，如有誤差則協(xié)同施工單位進行誤差分析，最終采取及時有效的糾偏措施。在線型監(jiān)控過程中，對于橋梁整體線型控制的需要，必須在各個梁段施工的各個工況對所有已澆梁段的線型監(jiān)測監(jiān)控，以保證橋梁施工過程的安全以及橋梁線型的精確。而梁段平面位置則是直接通過設計坐標系統(tǒng)計算得到，最終用全站儀來進行定位，由于橋梁轉體以后才能到達設計平面位置，所以轉體前各梁段的平面位置要進過精確計算并交由有關部門審核。整個定位過程由粗調、精調和檢查三個步驟組成，以保證轉體后兩邊懸臂段在水平位置上能順利對接并符合設計曲線要求。

在橋梁達到最大懸臂狀態(tài)以后，由于支架的拆除和橋墩下轉體球鉸轉體系統(tǒng)被開挖出來，橋臺失去部分支撐，橋梁T構會產生較大的變形，因此在拆除支架的一周時間內必須每天定點定時進行橋梁變形觀測。本工程由于橋梁跨中合龍段方案的改變，通過稱重結果顯示，橋梁T構的跨中部分比邊跨部分重14～16 t，這就導致兩邊T構跨中部分在一周時間內下沉了7.1～7.4 cm，即比設計預拱度低了4～6 cm。為了保證橋梁合龍時的預拱度要求，施工單位采用鋼絞線添加配重的形式來平衡橋梁T構梁端的不均勻沉降。但是添加配重后3 d內，橋梁T構跨中梁端僅上升了約0.3 cm，并沒有得到預想的配重效果。經過監(jiān)控小組和施工單位的考察研究發(fā)現，這是由于轉體球鉸系統(tǒng)以及上下承臺間固定螺紋鋼的限制，在轉體的過程中T構的梁端會隨著轉體球餃的轉動恢復到原來有預拱度高度狀態(tài)。經過在轉體前兩天的橋梁預轉體，發(fā)現橋梁T構預轉體3°時橋梁T構跨中部分上升約0.9 cm，橋墩和梁體轉動位移基本相符，即橋梁轉體24°結束時橋梁T構梁端的標高基本能恢復到設計預拱度要求的狀態(tài)。由于橋墩澆筑時也相對設計成橋狀態(tài)轉動了相應的角度，因此轉體前需要精確計算橋墩轉動與橋梁T構梁端控制點轉動的轉角、位移的關系，在轉體的過程中定人、定點、全過程對轉體過程進行監(jiān)測，每轉動3°即進行橋墩和梁端的轉角和轉動位移校對，保證橋梁轉體過程中的安全以及轉體后橋梁結構線型的精確性。通過橋梁轉體全過程的觀測，當橋梁兩懸臂端轉體達到設計平面位置以后，梁體T構在整個轉體過程中一號墩中跨梁端上升6.2 cm，二號墩跨中梁端上升6.3 cm，橋梁懸臂端仍然沒有恢復到理想標高位置，仍然達不到設計預拱度和合龍的要求，最后通過橋梁轉體系統(tǒng)和大噸位千斤頂的微調來使橋梁豎向和平面線型滿足設計和監(jiān)控的要求。

轉體后即先后進行中跨和邊跨合龍段的施工。合龍段的施工選擇在早上氣溫較低并且溫度變化較小的時間段進行，經過在合龍之前的觀測并且于鐵路部門協(xié)商，決定在早上5點進行中跨以及最后邊跨合龍段的施工。全橋合龍以后橋梁結構實測預拱度值與理論預拱度值見圖3所示，預拱度實測值與理論值差值不超過8 mm，而水平位置通過中線梁段預埋在中線位置的觀測點觀測到誤差不超過6 mm，線形監(jiān)控的效果良好。

圖3 霸王河一號特大橋理論預拱度示意(mm)

3.2.3 應力監(jiān)測監(jiān)控

應力監(jiān)測監(jiān)控元件在選擇的時候應該遵循測試元件便于埋設、在施工過程中易于保護并且數據易于獲得等原則，本次應力監(jiān)控通過對比多種應力測試儀器的性能，最后選擇鋼弦式應變計和配套的頻率接收儀器作為應力測控儀器。鋼弦式應變計測試應力是一種間接測試應力的方法，首先是在元件埋設的時候，一般來說鋼弦式應變計是應該埋在混凝土里面以測量混凝土的應力，但是從以往的實踐經驗來看，預埋在混凝土中是需要將應變計先固定在縱向鋼筋上來實現，但是由于橋梁施工的現場環(huán)境比較復雜，元件固定不牢的話會在混凝土澆筑的過程中導致元件偏移甚至脫落，以至于測得的數據不準確，固定在縱向鋼筋上太緊的話鋼筋的應力又會影響元件受力情況，以至于測得的數據失真。鑒于這種情況，本次測量采用的方法是直接將元件焊接在縱向鋼筋上，為了防止偏心，元件焊接的時候采用兩段綁夾焊，讓元件直接測鋼筋上面的應力，然后再用現在已經研究比較成熟的鋼筋和混凝土的應力應變關系來換算混凝土的應力，通過這種方式來獲得比較精確的混凝土應力，達到應力監(jiān)測監(jiān)控的目的。由于混凝土在澆筑以后會收縮徐變，而鋼筋不會，在鋼筋和混凝土粘接完好的情況下鋼筋和混凝土的變形就會不同，這種變形差異必將使結構截面的應力重分布。設混凝土的自由收縮徐應變?yōu)棣舠h，在鋼筋約束下產生的收縮變形減小為εc，鋼筋與混凝土的彈性模量為ES和Ec，n表示鋼筋和混凝土的彈性模量比值，鋼筋混凝土相應的配筋率為μ，根據截面的平衡方程可以分別計算出鋼筋和混凝土的應力為:

根據施工監(jiān)控過程中得出的鋼筋應力即可根據鋼筋和混凝土之間的應力比例關系算出相應截面混凝土的應力大小。本次監(jiān)控一共采用鋼弦式應變計控制8個關鍵截面，即縱向上兩個墩頂0#截面、四個1號塊中間截面以及2號墩跨中2號塊中間截面，埋設位置為頂板上層鋼筋和底板下層鋼筋，具體布置如圖4所示。

圖4 鋼弦式應變計橫截面布置

應力監(jiān)測監(jiān)控元件預埋完畢以后則從緊后的施工工序開始對橋梁的應力進行監(jiān)控，在橋梁施工的每個施工階段的混凝土澆筑前、澆筑后、鋼筋張拉以后以及支架前移以后4個工況進行監(jiān)測，并且為了盡量減小溫度對采集數據的影響應該與標高數據采集同步。在橋梁施工達到最大懸臂狀態(tài)和轉體的過程中，應該每天與標高采集同步進行應力數據的采集，保證橋梁在轉體過程中的安全性。根據現場應力監(jiān)控情況來看，實測的混凝土應力值和理論分析計算的應力值相差不大，轉體過程中也未出現異常情況，其中頂板應力實測值比理論值小，相差值在1 MPa左右，底板應力實測值比理論值大，相差值在0.3 MPa范圍內，以2號墩墩頂0號塊中間截面為例，其應力隨著施工過程變化，如圖5所示(應力顯示受壓為正)。

4 施工監(jiān)控總結

霸王河一號特大橋施工中，在施工、監(jiān)理以及測量小組等部門的協(xié)同努力下，大橋最終順利轉體并且合龍成功，而且從成橋的整體線型上看，橋梁高程實測值與理論值相差不超過8 mm，水平位置誤差也控制在6 mm左右，成橋線性自然美觀，大橋轉體并正常合龍以后應力測試結果顯示正常，線性和應力均滿足設計要求。但是，可以看到，這次監(jiān)控在線型和應力上都存在誤差，特別是轉體前由于兩懸臂端不對稱導致在線型上誤差還是不可忽視的，這是由于混凝土材料的非線性以及施工的復雜多變性，由此可見影響監(jiān)控結果的因素很多，現在還不能完全做到對施工階段橋梁線型和應力的控制，還需要通過不斷的實踐和研究來完善。

圖5 2號墩墩頂0#中間截面應力隨施工過程變化

[1]徐君蘭，項海帆.大跨度橋梁施工控制[M].北京:人民交通出版社，2000

[2]王照林.現代控制理論基礎[M].北京:國防工業(yè)出版社，1981

[3]向中富.橋梁施工控制技術[M].北京:人民交通出版社，2001

[4]葛耀軍.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社，2003

[5]吳俊強，余昆，呂運冰.豎曲線對橋梁施工控制的影響[J].北京:武漢大學學報(交通科學與工程版)，2005.(10)