黃春華

（上海浦東城市建設(shè)實業(yè)發(fā)展有限公司,上海市　200136）

0　引言

斜拉橋為高次超靜定的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，其成橋后合理的線形和內(nèi)力不僅在于優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，還在于精湛的施工技術(shù)。在斜拉橋施工建設(shè)過程中，受外界各種自然條件影響以及材料特性的差異，使得斜拉橋結(jié)構(gòu)的受力與變形的關(guān)系異常復(fù)雜。雖然，在施工計算中可以采用多種計算方法，得到橋梁在各施工階段的索力和主梁變形，但是，按理論計算得到的結(jié)果進行施工，受拉索垂度、溫度變化、日照、施工臨時荷載以及混凝土收縮徐變等因素影響，結(jié)構(gòu)卻不一定達(dá)到期望的內(nèi)力和變形。動態(tài)的監(jiān)控技術(shù)能夠及時對橋梁施工計算模型進行修正，以使成橋受力狀態(tài)和線形更趨于合理，達(dá)到設(shè)計要求。

隨著斜拉橋設(shè)計和建造技術(shù)的不斷提升，斜拉橋的施工監(jiān)控技術(shù)也不斷改進。胥潤東等為解決斜拉橋施工監(jiān)控過程中數(shù)據(jù)量龐大、管理和分析任務(wù)繁重而易出錯的技術(shù)難題，基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以Vi sualst udi o 2008編程環(huán)境為平臺，開發(fā)出斜拉橋施工監(jiān)控數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[1]，將橋梁施工監(jiān)控與健康監(jiān)測平臺進行對接，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)施工的遠(yuǎn)程監(jiān)測和指令發(fā)送，而且實現(xiàn)了對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲和管理，為橋梁結(jié)構(gòu)后續(xù)的健康監(jiān)測提供可靠的原始數(shù)據(jù)。

結(jié)合具體工程，對混凝土斜拉橋的施工監(jiān)控中的線形及內(nèi)力控制技術(shù)進行探討，以期為同類工程提供技術(shù)借鑒。

1　工程概況

某工程主橋為獨塔雙索面混凝土斜拉橋,塔、梁、墩固結(jié)體系，無輔助墩，跨徑布置為91 m+123 m。索塔為“H”型平行直立塔柱,高72.986 m。主梁為分離式混凝土主梁，中心梁高2.8 m。主梁頂板寬38.1 m，厚0.28 m，設(shè)雙向橫坡。主梁在每對拉索錨固處對應(yīng)設(shè)置一道橫梁，橫梁順橋向間距6 m，高度2.5 m，厚度0.3 m。錨跨尾部節(jié)段做成箱形，采用生鐵錠+鐵屑混凝土進行壓重。主梁內(nèi)配置的預(yù)應(yīng)力鋼束（筋）分為施工階段預(yù)應(yīng)力鋼筋、合攏預(yù)應(yīng)力鋼束、橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束和橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束4種。斜拉索采用平行扇形雙索面布置，為平行鋼絲成品索，梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為6.0 m，密索區(qū)為2.5 m，塔軸線處的拉索布置為9×1.8 m+2.5 m+2.3 m+6×2.0 m。橋梁立面見圖1。

圖1　橋梁立面圖（單位：m）

2　監(jiān)控內(nèi)容

2.1　索塔預(yù)高量控制

混凝土橋塔在成橋后受索力和自重影響，以及混凝土材料自身的收縮和徐變，使得索塔在施工的過程中需要有一定的預(yù)高量，以確保在成橋后橋塔內(nèi)力與設(shè)計一致。在施工過程中進行與橋塔施工材料一致的混凝土材料試驗，包括彈性模量和徐變測試，獲取混凝土材料的收縮徐變的時變曲線，用于獲取橋塔在每個施工階段以及成橋后標(biāo)高。

2.2　線形控制

該橋線形控制主要是主梁的線形控制。主梁線形平順，不僅關(guān)系到主梁的順利合攏，而且關(guān)系到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是否合理。該橋采用懸臂施工，主梁立模標(biāo)高的控制是獲取成橋后合理內(nèi)力的關(guān)鍵。在監(jiān)控中，綜合考慮包括施工荷載、后續(xù)節(jié)段、混凝土收縮、徐變的影響，給出每個懸臂節(jié)段的立模標(biāo)高。

2.3　內(nèi)力控制

內(nèi)力控制主要包括對主梁和索塔的內(nèi)力控制以及對拉索索力的控制。主梁和索塔的合理內(nèi)力主要通過立模標(biāo)高確定以及合理的索塔預(yù)高量實現(xiàn)。斜拉索的內(nèi)力控制主要采用通過對索力的精確測試來實現(xiàn)。在施工中考慮對測試方法所得結(jié)果的校核，在最短拉索和最長拉索的錨固端安裝錨索計，實現(xiàn)對拉索索力的精確測量。

2.4　結(jié)構(gòu)溫度場控制

受日照影響，結(jié)構(gòu)中會形成梯度溫度，采用兩種方法來避免受該溫度場產(chǎn)生的溫度內(nèi)力。通過建立全橋的有限元數(shù)值模型，模擬不同溫度場作用下結(jié)構(gòu)的變形。在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置安裝溫度傳感器，獲取日照情況下結(jié)構(gòu)在24 h內(nèi)的溫度-變形曲線，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)變形測量數(shù)據(jù)的修正。

3　施工監(jiān)控計算

斜拉橋的施工過程異常復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法較難解決結(jié)構(gòu)的非線性以及混凝土的收縮徐變問題，采用成熟的大型結(jié)構(gòu)有限元計算軟件對該橋進行建模，利用空間桿系模型，分析橋梁在各施工階段結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。

建模時，對主塔和主梁均采用精確的梁單元模擬。其中，由于主梁為雙主梁形式，為真實模擬橋梁結(jié)構(gòu)，建立雙縱梁，將主梁截面剛度平均分配給兩根縱梁，并采用剛性橫梁進行連接。橋面板采用板單元進行模擬。斜拉索采用桁架單元模擬，考慮拉索垂度的影響，采用ernst公式計算等效的彈性模量。預(yù)應(yīng)力筋采用預(yù)應(yīng)力鋼束模擬，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)轉(zhuǎn)化為等效荷載進行施加。

在進行施工過程計算時，避免正裝分析與倒裝分析的不足，采用正裝分析和倒裝分析相結(jié)合的分析方法進行分析。首先進行倒裝分析，然后以倒裝分析的結(jié)果進行正裝分析，考慮混凝土收縮徐變的影響，反復(fù)迭代，獲取正確的各施工階段參數(shù)。圖2為全橋Midas模型。

圖2　全橋Midas模型

4　現(xiàn)場參數(shù)測試方法

橋梁施工監(jiān)控是依托于結(jié)構(gòu)施工的動態(tài)過程，良好的測試技術(shù)是獲取精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)的保證，同時也是準(zhǔn)確發(fā)出監(jiān)控指令的前提。

在整個監(jiān)控中需要對該橋進行測試的參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵斷面應(yīng)力、拉索索力、結(jié)構(gòu)溫度等。其中，結(jié)構(gòu)變形測試主要包括主梁軸線和線形測試，塔頂水平位移監(jiān)測以及橋墩的沉降觀測。結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試主要包括主梁關(guān)鍵斷面應(yīng)力測試、索塔關(guān)鍵斷面應(yīng)力測試。溫度測試主要包括主梁關(guān)鍵斷面溫度測試、索塔關(guān)鍵斷面溫度測試以及斜拉索的溫度測試。監(jiān)控過程中監(jiān)控參數(shù)的獲取過程見圖3。

圖3　施工監(jiān)控參數(shù)獲取流程

在索塔承臺頂面布設(shè)基礎(chǔ)標(biāo)高的永久觀測點，在塔頂布設(shè)塔頂標(biāo)高的永久測點。分別在塔頂、塔梁結(jié)合處以及最短索與塔柱相交處布設(shè)橋塔水平位移測點。對索塔基礎(chǔ)沉降、索塔豎向位移與塔頂水平位移均采用全站儀進行測量，精度不低于1 mm。

主梁位移測點主要布設(shè)于塔梁結(jié)合處、每跨跨中、4分點以及拉索錨固端斷面。每斷面布設(shè)3點，中點處用于測試主梁軸線的偏移量（見圖4）。主梁標(biāo)高采用精密三角高程測量方法，精度為±1 mm。

圖4　主梁斷面位移測點

索塔應(yīng)力測試斷面主要布設(shè)于最短索與索塔交叉點處以及塔梁結(jié)合處,每塔柱各布設(shè)4個測點（見圖5）。布設(shè)時綜合考慮現(xiàn)場的惡劣環(huán)境以及經(jīng)濟因素，選用質(zhì)量優(yōu)良的振弦式應(yīng)變計進行測試，同時獲取相應(yīng)的溫度場數(shù)據(jù)。

圖5　橋塔斷面測點布置

主梁應(yīng)力測試斷面主要選取塔梁結(jié)合處主梁根部，錨跨跨中，壓重處，主跨四分點和二分點斷面，每個斷面在雙側(cè)梁頂和梁底各布設(shè)一個測點（見圖6）,并布設(shè)振弦式應(yīng)變計進行測試，同時獲取相應(yīng)的溫度場數(shù)據(jù)。

圖6　主梁斷面應(yīng)力測點布置

索力測試除在最短索和最長索的錨固端處布設(shè)錨索計進行測試，其余拉索索力均采用頻率法獲取。測試時采用臨時安裝在斜拉索的拾振器（見圖7）進行信息采集，在環(huán)境激勵下，根據(jù)對采集的加速度信號分析，計算當(dāng)前索力。斜拉索與其自振頻率有以下關(guān)系（以兩端鉸接的柔性索為例）：

式中：T為吊桿的索力，kN；W為單位長度吊桿重量,kN；L為吊桿的計算長度,m；fn為第n階自振頻率，H z；n為振動階數(shù)；g為重力加速度,s2/m。

圖7　索力測試用拾振器

5　結(jié)語

結(jié)合某混凝土斜拉橋施工監(jiān)控，從索塔預(yù)高量、線形控制、內(nèi)力控制以及結(jié)構(gòu)溫度場控制等方面對混凝土斜拉橋施工控制與監(jiān)測的過程和方法進行探討,給出混凝土斜拉橋現(xiàn)場施工參數(shù)的獲取流程，并對各測試參數(shù)的測點布設(shè)、測試方法以及測試儀器進行比選和研究，為同類項目的施工監(jiān)控提供借鑒。