孫 飛 中建交通建設集團有限公司

鐘小林 中國鐵路上海局集團有限公司上海華東鐵路建設監(jiān)理有限公司

1 引言

鄭阜高鐵跨泉河（45+75+172+75+45）曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁是國內(nèi)首座五連跨三折線、非對稱不平衡、采用漂浮結(jié)構(gòu)設計的曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁，并應用了溫度限位器和速度阻尼器等多種新技術(shù)。鋼桁采用再分式桁架，結(jié)構(gòu)形式為箱梁+鋼桁架結(jié)構(gòu)形式。主梁在中跨172 m范圍內(nèi)設置加勁鋼桁，桁高14 m，節(jié)間距16 m。鋼桁結(jié)構(gòu)上弦桿采用箱型截面。腹桿采用工字型截面，再分腹桿采用工字型截面。上平聯(lián)采用X型構(gòu)造，工字型截面。全橋?qū)ΨQ設置4道橫聯(lián)和橋門架。鋼桁下弦節(jié)點采用埋入式構(gòu)造，埋入梁體495 mm~805 mm，依靠PBL剪力鍵與混凝土梁相連，與梁段砼一起澆筑，采用高強螺栓與鋼桁其他桿件連接，在節(jié)點板范圍內(nèi)設置凸臺，外包鋼板，內(nèi)灌混凝土。

橋梁施工控制不僅是橋梁施工技術(shù)的難點，也是施工中實施的難點，尤其對于大跨度組合型橋梁。在非對稱不平衡狀態(tài)下的懸臂施工和合龍，以及預應力混凝土梁體合龍鋼桁的拼裝和合龍過程中，如何做好施工監(jiān)控，解決有確定因素和非確定因素（如設計計算、材料性能、施工精度、荷載變化，大氣溫度等）引起的設計理想狀態(tài)與實際施工狀態(tài)下的差異，從各種受誤差影響而失真的參數(shù)中篩選出相對真實數(shù)據(jù)，對施工狀態(tài)進行實時監(jiān)測、糾偏和預測，從而實現(xiàn)通過施工監(jiān)控將連續(xù)梁兩邊跨合攏誤差、中跨誤差減少到10 mm，形成偏差小于3%的成果及鋼桁的精確拼裝和合龍。橋梁實景見圖1所示。

圖1 跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁

2 施工監(jiān)控理論

鋼桁加勁連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控主要是梁體施工、鋼桁架拼裝過程的監(jiān)控。雖然這些施工過程中的監(jiān)控較多，但主要的是線形及應力、張拉力的監(jiān)測，后面提到的其它監(jiān)測項目都是圍繞這兩項內(nèi)容進行并為之服務的，或者為了調(diào)整線形或者為了參數(shù)識別之用。在線形與應力兩項內(nèi)容中以線形監(jiān)控為主，應力監(jiān)控為輔。應力監(jiān)控更多的偏于被動測量后的監(jiān)視，即偏“監(jiān)”弱“控”，它用以防止結(jié)構(gòu)應力超限，從而保證橋梁施工的安全；而線形是可以通過參數(shù)的優(yōu)化重新計算并能進行預測調(diào)整進而無限逼近設計線形的。因此，該橋施工監(jiān)控的核心內(nèi)容是線形監(jiān)控。本橋監(jiān)控流程如圖2所示。

圖2 施工監(jiān)控框圖

在實際施工中，由于設計參數(shù)誤差、施工誤差、測量誤差、結(jié)構(gòu)分析誤差等綜合干擾因素，橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)總存在著一定的誤差。施工監(jiān)控所要解決的主要問題就是如何調(diào)整這些誤差，使實際狀態(tài)盡量接近理想狀態(tài)。

設計參數(shù)誤差是引起大跨度橋梁施工誤差的主要因素之一。為了調(diào)整設計參數(shù)誤差，首先要確定引起橋梁結(jié)構(gòu)偏差的主要實際參數(shù)，其次就是運用最小二乘法理論來識別這些參數(shù)誤差，最后要得到設計參數(shù)的正確估計值，通過修正設計參數(shù)誤差，使橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)和理想狀態(tài)相一致。

鑒于此，施工監(jiān)控中，需要對設計參數(shù)識別和調(diào)整，通過在典型施工狀態(tài)下對狀態(tài)變量實測值與理論值的比較，以及設計參數(shù)影響分析，利用最小二乘法進行參數(shù)估計。采用自適應方法進行施工監(jiān)控，自適應控制是在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再加上一個系統(tǒng)參數(shù)識別過程，是一個預告—施工—量測—計算—參數(shù)識別—分析—修正—預告的循環(huán)過程（圖3）。即在施工過程中，比較結(jié)構(gòu)測量的受力狀態(tài)與模型計算結(jié)果，依據(jù)兩者的誤差進行參數(shù)調(diào)整(識別)，使模型的輸出結(jié)果與實際測量的結(jié)果相一致。利用修正的計算模型參數(shù)，重新計算各施工階段的理想狀態(tài)，按反饋控制方法對結(jié)構(gòu)進行控制。這樣，經(jīng)過幾個工況的反復識別后，計算模型就基本上與實際結(jié)構(gòu)相一致了，在此基礎(chǔ)上可以對施工狀態(tài)進行更好的控制。

圖3 參數(shù)識別流程圖

線形調(diào)整的直接手段是調(diào)整立模標高，將參數(shù)誤差引起的主梁標高的變化通過立模標高的調(diào)整予以修正。對于桁架的線形和應力的調(diào)整，主要通過調(diào)整拼接縫長度來實現(xiàn)。合龍溫度選擇調(diào)整也是可采用的手段，但應與設計協(xié)商使之吻合。

3 施工監(jiān)控原則

施工監(jiān)控的最終目標是確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設計要求，這也是施工監(jiān)控中須遵循的兩個原則。

（1）受力要求

受力要求包括橋梁及施工支架在施工過程中的內(nèi)力或應力應在設計容許范圍之內(nèi)，這些內(nèi)力或應力狀況反映了該橋的整體受力狀態(tài)。對于鋼桁加勁連續(xù)梁，主梁應力、桁架應力是控制的關(guān)鍵。

（2）線形要求

對鋼桁加勁連續(xù)梁橋而言，線形要求指在施工過程中通過設置合理的預拱度使成橋后的鋼桁架、橋面標高及軸線橫向偏位符合設計要求。

4 施工監(jiān)控內(nèi)容

鋼桁加勁連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控工作內(nèi)容主要包括理論分析預測、施工監(jiān)測及施工控制三部分。

4.1 理論分析預測

理論分析的主要內(nèi)容就是對施工過程中每個階段包括成橋階段的內(nèi)力和變形在確定的材料參數(shù)、荷載、邊界條件下（即設計圖紙上給定的參數(shù)、條件）進行分析預測。

本橋采用正裝分析法用橋梁空間計算程序進行計算分析，復核設計圖紙上給定的理論成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)。按照設計提供的橋梁基本參數(shù)以及施工工序?qū)κ┕み^程進行正裝計算，計算結(jié)果可以得到各施工狀態(tài)以及成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制數(shù)據(jù)。理論分析采用Midas/Civil程序，計算模型見圖4。

圖4 理論分析預測模型（參考模型）

4.2 施工監(jiān)測

施工監(jiān)測的內(nèi)容主要包括以下三個方面：

（1）梁體及桁架線形，包含兩者的豎向、橫向位移情況；

（2）主墩變形，包含關(guān)鍵點、關(guān)鍵截面的變形情況；

（3）應力，包含梁體、桁架應力。

4.2.1 連續(xù)梁梁體及桁架線形測量

（1）測量方法

梁體及桁架上的關(guān)鍵點均布置有測點，通過測量這些測點的標高變化和偏位并結(jié)合主墩的變形情況，可以得到梁體及桁架各個施工階段的線形，包括橫向的偏位情況。測量儀器為全站儀。

（2）測點布置

①梁體測點：縱向在距每號塊梁端10 cm位置處設置線形觀測斷面、每個斷面橫向在三個腹板上方埋設沉降觀測標，每個斷面共3個測點。

②桁架測點：上弦桿和大腹桿的交點處布置測點，桁架為對稱結(jié)構(gòu)，對稱位置測點一樣，確保在焊接連成整體之前其實測三維坐標和設計值誤差滿足規(guī)范及圖紙要求，同時在后續(xù)工況通過監(jiān)測其坐標來監(jiān)測桁架的線形變化。

梁體及桁架的測點布置見圖5。

圖5 線形測點布置圖

測點的具體布置要和施工單位共同協(xié)商確定，以上測點位置可適當變動。

③測量注意事項

由于大氣溫度對標高或桁架的偏位測量影響較大，測量控制時間一般選擇在夜晚22:00至早上7:00日照之前的時間(溫度較恒定的時段)內(nèi)，應盡快完成，并考慮對日照、風力、大氣壓等影響進行適當修正。

4.2.2 主墩變形測量

主墩的變形測量目的是為了更準確的分析主梁、桁架在各施工階段的變形情況，其測量的方法同樣是通過全站儀測量相關(guān)關(guān)鍵測點的標高進而得到變形值，測量的時間與梁體、桁架的測量時間相同，以確保各位置標高的相互校核。主墩變形測點布置于墩頂?shù)膫?cè)面。

4.2.3 應力測量

鋼桁加勁連續(xù)梁橋?qū)儆诙啻纬o定結(jié)構(gòu)，施工工序復雜，體系轉(zhuǎn)換較多。對于梁體及桁架關(guān)鍵截面上的關(guān)鍵點應進行應力監(jiān)測。

（1）測量方法

應力測量采用鎳鏮振弦式應力傳感器。對于梁體采用內(nèi)埋式傳感器，而對于桁架應力的測量采用外貼式傳感器。

（2）測點布置

①梁體

主梁應力測點布置在主墩根部，沿順橋向設4個控制斷面，每個斷面預埋若干個應變計，要求能反映截面的詳細應力分布狀況，連續(xù)梁斷面位置及測點布置見圖6。

圖6 主梁應力測點布置圖

②桁架

桁架應力測點布置在上弦桿受壓，大腹桿受壓，大腹桿受拉處,對稱布置，共12個截面，兩側(cè)桁架測點布置相同。截面的應力測點布置如圖7、圖8、圖9所示，所有截面桁架應力測點均為外貼式測溫傳感器。

圖7 鋼桁架應力測點布置圖

圖8 應力測點截面一

圖9 應力測點截面二

③注意事項

結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力的變化與施工進程密切相關(guān)，因此應在每道施工工序結(jié)束后根據(jù)工序的不同間隔2～3小時測量一次，直至數(shù)值穩(wěn)定。

應變計固定后即進行測讀數(shù)，以驗證應變計是否良好。

混凝土內(nèi)部應變計的初讀數(shù)應以混凝土水化熱釋放基本完畢后的讀數(shù)為準。這個讀數(shù)的獲得是以混凝土澆筑完畢后每隔2 h～3 h測量一次，穩(wěn)定的數(shù)值即為該讀數(shù)。

桁架外貼應變計應在桁架無應力狀態(tài)下黏貼。所謂無應力狀態(tài)是指桁架在地面或臺座上平放的狀態(tài)，一旦起吊安裝即進入有應力狀態(tài)。

應變計讀數(shù)應在早上氣溫相對穩(wěn)定時進行，以消除氣溫變化引起的影響。這點對于桁架外貼應變計尤為引起注意。

應力測量應及時與設計理論值進行比較，如出現(xiàn)應力超出監(jiān)控允許范圍，應及時停工查找原因并處理。

4.3 施工控制

施工控制是整個橋梁監(jiān)控的核心任務，遵循以線形調(diào)控為主，應力調(diào)控為輔的原則。其目的就是調(diào)整理論計算和測試結(jié)果之間的誤差，使結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力盡量符合設計要求，它包括以下三個方面的內(nèi)容。

4.3.1 誤差分析和原因判斷

（1）掛籃及支架變形誤差分析；

（2）桁架安裝誤差對結(jié)構(gòu)影響分析；

（3）預應力張拉誤差對結(jié)構(gòu)影響分析；

（4）混凝土彈性模量對結(jié)構(gòu)影響分析；

（5）混凝土徐變對結(jié)構(gòu)影響分析；

（6）桁架節(jié)段自重誤差對結(jié)構(gòu)的影響；

（7）合龍溫度對結(jié)構(gòu)影響分析；

（8）水化熱對應力測量的影響分析等。

4.3.2 修改設計參數(shù)和結(jié)構(gòu)計算

按圖3所示的流程，比較結(jié)構(gòu)的測量狀態(tài)與模型計算結(jié)果并進行設計參數(shù)的優(yōu)化識別，然后采用已識別出的參數(shù)，用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行重新分析。

4.3.3 預告結(jié)構(gòu)下階段標高

隨施工階段的進行，提前預告梁體施工立模標高或桁架安裝標高

立?；虬惭b標高計算公式為：

式中：H立模（安裝）—立?；虬惭b標高；

H設計—橋梁結(jié)構(gòu)設計標高；

f掛籃（支架）—支架所發(fā)生的變形；

f后期施工影響—結(jié)構(gòu)某一部分在混凝土澆筑（梁體）或安裝（桁架）之后，由于后續(xù)施工階段的影響使該點產(chǎn)生的變形，這種變形直到成橋竣工時為止；

f1/2靜活載—橋梁承受1/2靜活載所引起變形；

f后期徐變—橋梁竣工后由于后期混凝土收縮徐變而引起的變形。

這里規(guī)定，正負號以變形向上為正向下為負。

4.3.4 竣工標高

我們知道，設計標高理論上即為橋梁在正常使用情況下的標高?？傮w上服從于路線縱斷面的線形設計，是橋梁竣工多年(一般為3～5年)以后，混凝土后期收縮徐變大體完成，橋梁不再發(fā)生明顯的后期變形，在承受1/2靜活載情況下的標高。

竣工標高即為橋梁剛剛竣工時的成橋標高。橋梁在竣工后還要發(fā)生后期收縮徐變變形及活載變形。如果沒有鋪裝二期恒載，后期還要發(fā)生二期恒載變形。

竣工標高與設計標高的關(guān)系可以如下公式表述：

式中：H竣工—橋梁竣工標高；

H二期恒載—橋梁二期恒載產(chǎn)生的變形。

其余符號意義及正負號規(guī)定同前。

由于橋梁竣工后的收縮徐變是幾年后才完成，所以以橋梁竣工標高來衡量橋梁的線形是比較科學的。

5 實測數(shù)據(jù)與理論計算對比分析

為保證預應力混凝土結(jié)構(gòu)和鋼桁的合龍精度，在跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁施工過程中，采用高精度全站儀和精確的測量方法對該橋的測量控制網(wǎng)進行了復測。

界臨特大橋跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁557～562號墩全橋梁面實測標高與理論值比較如圖10所示，每次實測數(shù)據(jù)除個別與理論相差稍大（均在可調(diào)范圍之內(nèi)，施工中進行了及時調(diào)整）外，實測數(shù)據(jù)與線形監(jiān)控理論計算值的偏差都在10 mm以內(nèi)，為預應力混凝土梁體的合龍?zhí)峁┝肆己玫幕A(chǔ)，為鋼桁的安裝提供了有力的保障。

圖10 跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連梁實測標高與理論比較曲線圖

6 成橋后梁體的線形和內(nèi)力狀態(tài)分析

根據(jù)實測和理論對比數(shù)據(jù)可知，在橋梁施工過程中，每一懸澆節(jié)段高程控制比較理想，全橋?qū)嶋H施工線形變化與采用有限元理論計算的模型變化值較為吻合，全橋內(nèi)力分布與設計相符。全橋合龍精度高，大橋線形及受力狀態(tài)與理論計算吻合，線形優(yōu)美，符合設計要求。