鄒曉峰 邵伯賢

（1.江蘇東南交通工程監(jiān)理咨詢(xún)有限公司 南京 210018；2.江蘇省鎮(zhèn)江市路橋工程總公司 鎮(zhèn)江 212017）

1 施工控制的內(nèi)容和目標(biāo)

橫五路蒿東河結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，主橋系桿和拱肋采用支架節(jié)段施工，存在體系轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)與施工高度耦合。在施工階段隨著結(jié)構(gòu)體系和荷載狀態(tài)的不斷變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形也隨之不斷變化，并決定成橋后結(jié)構(gòu)的受力及線(xiàn)形。因此必須對(duì)橋梁的每一施工階段進(jìn)行詳盡的分析和驗(yàn)算，求得結(jié)構(gòu)位移以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力等施工控制參數(shù)的理論計(jì)算值，對(duì)施工的順序做出明確的規(guī)定，并在施工中加以有效的控制。預(yù)應(yīng)力混凝土系桿受力復(fù)雜，同時(shí)又是整個(gè)橋梁的生命線(xiàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)手段可更加準(zhǔn)確地獲得系桿的受力。且系桿與基礎(chǔ)相互作用復(fù)雜，同時(shí)給系桿施加的預(yù)應(yīng)力存在承臺(tái)基礎(chǔ)與系桿之間分配的問(wèn)題。所以通過(guò)監(jiān)控可實(shí)時(shí)獲得系桿的受力，保證系桿在整個(gè)施工過(guò)程中受力的可控性、安全性。另外本橋設(shè)計(jì)區(qū)別于其他拱橋的特點(diǎn)在于：①拱橋?qū)嶋H合龍溫度與理論計(jì)算溫度存在偏差時(shí)，需通過(guò)內(nèi)力調(diào)整措施（如千斤頂頂推）以消除該偏差對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響［1］；②設(shè)計(jì)在系桿近承臺(tái)處預(yù)留合龍段，考慮千斤頂水平頂推，以改善承臺(tái)樁基的受力。實(shí)施過(guò)程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)承臺(tái)及系桿的響應(yīng)。因此，本橋施工控制工作的控制目標(biāo)為：①確保橋梁施工中的安全和順利合龍；②觀察拱肋裂紋，及時(shí)提出處理意見(jiàn)；③當(dāng)實(shí)際合龍溫度與理論計(jì)算溫度存在偏差時(shí)采取內(nèi)力調(diào)整措施；④在施工各階段應(yīng)及時(shí)測(cè)試應(yīng)力、溫度、標(biāo)高，保證拱肋標(biāo)高、應(yīng)力、系桿應(yīng)力在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)，確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力處于最優(yōu)狀態(tài)，確保成橋線(xiàn)形符合設(shè)計(jì)要求。

2 施工控制的原理和方法

根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況在控制方法上采用自適應(yīng)控制方法，施工監(jiān)控的基本原理見(jiàn)圖1。當(dāng)測(cè)量到的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果不相符時(shí)，通過(guò)將誤差輸入到參數(shù)辯識(shí)算法中去調(diào)節(jié)計(jì)算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)際測(cè)量到的結(jié)果一致，得到了修正的計(jì)算模型參數(shù)后，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)。這樣，經(jīng)過(guò)幾個(gè)工況的反復(fù)辯識(shí)后，計(jì)算模型就基本上與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致了，在此基礎(chǔ)上可以對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行更好的控制。其基本步驟如下：①首先以設(shè)計(jì)的成橋狀態(tài)為目標(biāo)，按照規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)確定每一施工步驟應(yīng)達(dá)到的分目標(biāo)；②根據(jù)上述分目標(biāo)開(kāi)始施工，并測(cè)量實(shí)際結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力等數(shù)據(jù)；③根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)分析和調(diào)整各統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以調(diào)整后的參數(shù)重新確定以后各施工步驟的分目標(biāo)，建立新的跟蹤分析程序。

圖1 自適應(yīng)施工監(jiān)控基本原理

3 施工過(guò)程的仿真計(jì)算

按照施工和設(shè)計(jì)所確定的施工工序，以及設(shè)計(jì)所提供的基本參數(shù)，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行正裝分析及倒裝分析，得到各施工狀態(tài)以及成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)和變形等控制數(shù)據(jù)。施工階段控制截面應(yīng)力及位移計(jì)算理論值見(jiàn)表1、表2。

表1 施工階段拱肋應(yīng)力值計(jì)算表 MPa

表2 施工階段拱肋豎向變形值 mm

3.1 立模標(biāo)高的確定

對(duì)于拱橋施工來(lái)說(shuō)，拱肋立模標(biāo)高的計(jì)算是最為重要的工作，其定位的準(zhǔn)確直接關(guān)系到拱軸線(xiàn)的線(xiàn)形，影響結(jié)構(gòu)的受力。

拱肋定位標(biāo)高＝設(shè)計(jì)標(biāo)高＋施工預(yù)拋高＋運(yùn)營(yíng)預(yù)拋高＋支架變形拋高。其中：設(shè)計(jì)標(biāo)高為設(shè)計(jì)圖紙上提供的標(biāo)高；施工預(yù)拋高為施工該節(jié)段后至成橋時(shí)，該節(jié)段發(fā)生的豎向變形值負(fù)數(shù)；運(yùn)營(yíng)預(yù)拋高為成橋后，由于活載或者徐變作用，使該節(jié)段發(fā)生豎向變形值的負(fù)數(shù)；支架變形拋高為澆筑該節(jié)段混凝土，支架產(chǎn)生的豎向變形值的負(fù)數(shù)。本橋經(jīng)計(jì)算施工、運(yùn)營(yíng)預(yù)拋高，跨中設(shè)置為8 cm，其他位置按二次拋物線(xiàn)進(jìn)行分配。

3.2 拱肋頂推力的計(jì)算

由于該橋矢跨比較小，因此結(jié)構(gòu)對(duì)溫度比較敏感，尤其是拱腳上緣的拉應(yīng)力。而實(shí)際合龍溫度往往由于施工工期等客觀氣象因素影響導(dǎo)致與設(shè)計(jì)溫度間差別較大，因此會(huì)使合龍后的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力較大，甚者出現(xiàn)拱肋拱腳上緣等部位開(kāi)裂。為了抵消拱肋合龍時(shí)現(xiàn)場(chǎng)溫度與設(shè)計(jì)溫度之間差值Δt產(chǎn)生的拱腳負(fù)彎矩，在合龍前，拱肋頂推力的大小應(yīng)該根據(jù)Δt的大小確定，使得頂推后，由于Δt產(chǎn)生的拱，腳負(fù)彎矩與頂推產(chǎn)生的力大小相等，方向相反，即可達(dá)到設(shè)計(jì)內(nèi)力狀態(tài)，保證拱腳部分受力滿(mǎn)足要求［2］，即：

式中：M拱腳，頂推力為頂推力產(chǎn)生的拱腳彎矩；M拱腳，溫度力為現(xiàn)場(chǎng)溫度與設(shè)計(jì)溫度之間差值Δt產(chǎn)生的拱腳彎矩。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度與設(shè)計(jì)溫度之間差值Δt和頂推位置，通過(guò)模型計(jì)算即可確定頂推力的大小。按設(shè)計(jì)要求，該橋拱肋合龍溫度控制在15℃，當(dāng)該橋合龍溫度高于15℃時(shí)，對(duì)該橋拱肋受力進(jìn)行分析可知，每當(dāng)合龍溫度高出設(shè)計(jì)溫度1℃ ，結(jié)構(gòu)回復(fù)到設(shè)計(jì)溫度狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的拱腳斷面的軸力和彎矩分別為－101 k N和－520 k N·m，由此產(chǎn)生該斷面上緣拉應(yīng)力為0.17 MPa和下緣壓應(yīng)力為－0.2 MPa，而實(shí)際本橋合龍時(shí)間在7，8月份，最低大氣溫度為25℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)合龍溫度，因此通過(guò)計(jì)算本橋拱肋頂推力（合龍段內(nèi)水平方向頂推）為單片拱肋施加3 000 k N，半幅合計(jì)6 000 k N以減小正常使用階段該截面的拉、壓應(yīng)力。

4 施工控制測(cè)量

4.1 應(yīng)力和線(xiàn)型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

根據(jù)拱橋的受力特點(diǎn)，拱肋應(yīng)變測(cè)試斷面主要布置在拱腳、四分點(diǎn)和拱頂斷面；系桿測(cè)試斷面主要布置在拱腳、四分點(diǎn)和跨中位置。拱肋變形測(cè)試斷面每個(gè)拱肋下方布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，特別在拱肋各分段接頭處及主拱腳處進(jìn)行線(xiàn)性及位移監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置位置見(jiàn)圖2。

圖2 蒿東河橋拱肋、系桿應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置位置圖

4.2 施工過(guò)程中應(yīng)力及線(xiàn)形監(jiān)測(cè)

本橋施工工藝順序?yàn)椋夯A(chǔ)施工→澆筑系桿中間段→張拉系桿中間段鋼束→澆筑承臺(tái)、拱腳→系桿合龍段頂推→系桿合龍→張拉系桿合龍束→搭設(shè)拱肋支架→澆筑拱肋→拱肋合龍→拆除支架→張拉系桿通長(zhǎng)束→澆筑拱上立柱和蓋梁→架設(shè)梁板→施工橋面系。

根據(jù)施工順序有針對(duì)性地對(duì)每一施工節(jié)段拱肋、系桿進(jìn)行應(yīng)力與線(xiàn)形監(jiān)測(cè)。

4.2.1 拱肋線(xiàn)形控制

本橋設(shè)計(jì)明確給定在拱肋施工過(guò)程中所設(shè)預(yù)拱度。拱肋線(xiàn)形控制應(yīng)包括現(xiàn)澆拱肋時(shí)拱肋豎向高程的觀測(cè)控制，每個(gè)施工工況下拱肋豎向變形計(jì)算值與觀測(cè)值的對(duì)比。本橋現(xiàn)澆拱肋共分5段，拱肋線(xiàn)形控制測(cè)試從主拱澆筑完成后直至成橋均需測(cè)量，分為以下工況進(jìn)行測(cè)量：①主拱澆筑混凝土過(guò)程中；②主拱混凝土澆筑完成；③橋面風(fēng)撐澆筑完成；④拱肋支架拆除后；⑤拱上立柱、蓋梁澆筑完成；⑥拱上板梁架設(shè)完成；⑦ 橋面鋪裝完成。測(cè)試時(shí)間應(yīng)選擇早晨日出前，避免日照、溫度影響。

4.2.2 系桿、拱肋應(yīng)變測(cè)量

結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試的目的是測(cè)量結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。將應(yīng)變計(jì)埋在混凝土中或粘貼在混凝土表面，測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化，從而推算結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化?？紤]到結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的長(zhǎng)期性，采用弦式應(yīng)變測(cè)試法［3］，其中系桿采用表貼式應(yīng)變計(jì)，拱肋采用埋入式應(yīng)變計(jì)。根據(jù)施工順序?qū)γ恳皇┕す?jié)段拱肋與系桿的工況應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系桿：①系桿張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋前后；②系桿頂推前后；③拱肋支架預(yù)壓時(shí)；④拱肋節(jié)段澆筑過(guò)程中；⑤拱肋支架拆除后；⑥立柱蓋梁施工完成；⑦二期鋪裝施工完成。拱肋：①拱肋節(jié)段澆筑過(guò)程中；②拱肋支架拆除后；③立柱蓋梁施工完成；④二期鋪裝施工完成。另外幾種需進(jìn)行監(jiān)測(cè)的工況有：①結(jié)構(gòu)合龍；②橋面上施工荷載有較大變化。

4.2.3 拱座水平位移測(cè)試

在施工過(guò)程中張拉預(yù)應(yīng)力、施工拱肋及拱上建筑都會(huì)產(chǎn)生拱肋的水平推力，使得拱座發(fā)生水平位移。因此，須對(duì)拱座的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。具體方法為在拱座兩端做好標(biāo)記，采用測(cè)距儀進(jìn)行讀數(shù)，精度控制在1 mm以?xún)?nèi)。測(cè)試工況為：①?gòu)埨禇U預(yù)應(yīng)力前后；②拱肋合龍頂推前后；③拆除拱肋支架前后；④拱上建筑施工過(guò)程。

4.2.4 溫度監(jiān)測(cè)

對(duì)拱肋混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，以獲得與線(xiàn)形及位移相對(duì)應(yīng)的大氣溫度以及拱肋自身的溫度，為拱圈合龍時(shí)由溫度差造成的結(jié)構(gòu)受力偏差控制分析服務(wù)?；炷羶?nèi)部的溫度采用埋入式應(yīng)變傳感器進(jìn)行測(cè)量，外界溫度采用溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，混凝土表面溫度采用表面溫度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試工況同應(yīng)變測(cè)試工況。觀測(cè)時(shí)間應(yīng)選在清晨或黃昏日落之后，測(cè)量時(shí)間最好控制在2 h之內(nèi)。

4.2.5 支架變形監(jiān)測(cè)

通過(guò)支架預(yù)壓荷載可以消除支架部分非彈性變形并且在支架預(yù)壓過(guò)程中測(cè)量支架彈性變形和非彈性變形［4］，在主拱肋澆筑過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)支架變形，以保證施工過(guò)程中支架的安全和主拱肋成橋時(shí)的線(xiàn)性。

5 施工控制結(jié)果及結(jié)論

蒿東河橋施工監(jiān)控從2012年4月系桿施工開(kāi)始到2012年10月橋梁完成橋面系，歷時(shí)7個(gè)月，順利完成監(jiān)控任務(wù)。

5.1 拱肋線(xiàn)形偏差

在對(duì)拱肋支架豎向變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，澆筑過(guò)程中所有測(cè)點(diǎn)最大豎向變形為5 mm，小于等于支架變形拋高值5 mm，拆除拱肋支架后，拱頂下沉量最大為18 mm，小于設(shè)計(jì)下沉量27 mm，張拉系桿通長(zhǎng)束后拱頂上拱為8 mm，小于設(shè)計(jì)上拱量為11 mm，架設(shè)板梁施工完橋面系后拱頂下沉量最大為25 mm，小于設(shè)計(jì)下沉量30 mm，通過(guò)以上數(shù)據(jù)，表明各個(gè)工況拱肋標(biāo)高與設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)標(biāo)高處于吻合狀態(tài)，拱肋的拱軸線(xiàn)在施工完成后與設(shè)計(jì)拱軸線(xiàn)重合，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5.2 應(yīng)力偏差

各監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論應(yīng)力值相比，為接近且走向趨勢(shì)相同以，即拱肋合龍前最大拉應(yīng)力為0.7 MPa，出現(xiàn)在跨中GL4，GL5斷面下緣位置；最大壓應(yīng)力為－0.9 MPa，出現(xiàn)在GL2，GL7斷面下緣位置；系桿最大拉應(yīng)力0.6 MPa，出現(xiàn)在跨中斷面，基本在理論零值附近。系桿合龍段斷面最大壓應(yīng)力為－3.0 MPa，最小壓應(yīng)力－1.7 MPa，與合龍束張拉產(chǎn)生的應(yīng)力理論值－2.2 MPa基本一致。拱肋合龍前張拉系桿T2，T3通長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力束后，系桿最大壓應(yīng)力－6.7 MPa出現(xiàn)在跨中斷面，與理論值－5.8 MPa接近。拱肋斷面最大壓應(yīng)力為－3.7 MPa，出現(xiàn)在拱肋的GL2，GL4斷面上緣位置，與計(jì)算的－3.2 MPa接近。拱肋合龍前對(duì)拱肋進(jìn)行頂推后拱肋最大壓應(yīng)力為－1.17 MPa，出現(xiàn)在GL2，GL5斷面上緣位置。拱肋支架拆除二期橋面鋪裝施工完畢后，系桿最大壓應(yīng)力為－6.5 MPa，出現(xiàn)在系桿跨中斷面，與理論值－6.2 MPa接近。拱肋斷面最大壓應(yīng)力為－4.8 MPa，出現(xiàn)在跨中GL4，GL5斷面下緣位置，與計(jì)算的－3.6 MPa接近。所有測(cè)試斷面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。通過(guò)以上數(shù)據(jù)，表明各控制截面應(yīng)力狀態(tài)良好，保持有較大壓應(yīng)力儲(chǔ)備，且通過(guò)拱肋合龍頂推措施能夠大大減小拱腳斷面拉、壓應(yīng)力，為后期橋梁運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造良好條件。

［1］ JTG／T F50－2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ 過(guò)鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［3］ 顧安邦，張永水.橋梁施工監(jiān)測(cè)與控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］ 向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2001.