鄭建新，于 哲，黃甘樂

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

武漢沌口長(zhǎng)江大橋?yàn)?100+275+760+275+100)m雙塔雙索面斜拉橋。鉆石型索塔高233.7m。主梁為PK斷面鋼箱梁，寬46m，橋面中心梁高4m，主梁共127個(gè)節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)12m。全橋共設(shè)置30組平行鋼絲斜拉索。橋型布置如圖1所示，主梁橫斷面如圖2所示。

圖1 武漢沌口長(zhǎng)江大橋橋型布置(單位：m)

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

該橋主梁鋼箱梁塔區(qū)5個(gè)節(jié)段、過(guò)渡墩及輔助墩頂各1個(gè)節(jié)段采用大型起重船吊裝，其余鋼主梁節(jié)段均采用橋面吊機(jī)懸臂對(duì)稱安裝，中跨合龍段采用南側(cè)起吊、北側(cè)頂推輔助合龍施工。

2 施工技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

2.1 大跨鋼箱梁斜拉橋節(jié)段快速安裝技術(shù)

目前，斜拉橋上部結(jié)構(gòu)安裝施工中，斜拉索通常采用不少于2次張拉工藝。由于鋼材的允許應(yīng)力較大，相關(guān)研究表明，鋼主梁斜拉橋施工過(guò)程中，主梁的受力基本不會(huì)超出材料容許范圍。為充分利用材料的力學(xué)特性，在滿足結(jié)構(gòu)受力安全性的基礎(chǔ)上，制造過(guò)程中精確獲取構(gòu)件無(wú)應(yīng)力尺寸，斜拉索施工時(shí)一次張拉至標(biāo)記的成橋目標(biāo)索長(zhǎng)，之后，同步進(jìn)行當(dāng)前節(jié)段的控制參數(shù)識(shí)別與下一節(jié)段的精匹配。相較于傳統(tǒng)的鋼主梁安裝工藝流程，節(jié)段施工步驟得到簡(jiǎn)化。傳統(tǒng)工序和新工序節(jié)段安裝工藝流程對(duì)比如表1所示，新工序施工期主梁應(yīng)力包絡(luò)圖如圖3所示。

表1 節(jié)段安裝工藝流程對(duì)比

圖3 新工序施工過(guò)程中鋼主梁應(yīng)力包絡(luò)圖

節(jié)段安裝新工序成功應(yīng)用于沌口長(zhǎng)江大橋，施工期鋼主梁應(yīng)力均在100MPa內(nèi)，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段安裝時(shí)間為4d，優(yōu)于傳統(tǒng)工藝(5d)，且優(yōu)化后的工藝只需在控制參數(shù)識(shí)別與梁段精匹配時(shí)進(jìn)行線形和索力的精確測(cè)量，既滿足了施工安全及控制精度要求，又減少了過(guò)程中測(cè)試工作量。

2.2 基于傾角傳感測(cè)量的智能化梁段匹配控制系統(tǒng)

梁段匹配效率影響節(jié)段快速安裝技術(shù)的實(shí)施，匹配精度決定梁段間無(wú)應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系的實(shí)現(xiàn)、匹配口連接斷面環(huán)縫質(zhì)量，影響使用過(guò)程中的疲勞性能。傳統(tǒng)的鋼梁匹配安裝主要是通過(guò)水準(zhǔn)儀測(cè)量相鄰3個(gè)梁段控制點(diǎn)坐標(biāo)(x1,z1)，(x2,z2)，(x3,z3)，或相對(duì)高差W1，W2，W3，數(shù)據(jù)反饋到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控人員，進(jìn)行分析后提出梁段高程調(diào)整措施，之后橋面吊機(jī)工作人員根據(jù)指令操控調(diào)整，從而完成梁段匹配安裝(見圖4)。大跨結(jié)構(gòu)響應(yīng)敏感，寬幅構(gòu)造橫向變形差異大，傳統(tǒng)幾何測(cè)量匹配方法受環(huán)境影響大、效率低。

圖4 梁段匹配示意

根據(jù)幾何控制法原理，相鄰梁段控制點(diǎn)連線間夾角ε在工廠制造過(guò)程中即已確定，現(xiàn)場(chǎng)安裝以還原該角度為控制目標(biāo)。

為此，研制了基于高精度傾角儀傳感器測(cè)量的梁段匹配控制技術(shù)。將初始值為0的2臺(tái)傾角儀傳感器安裝在已安裝梁段前端，得到角度α1，待安裝梁段精匹配前，將其中一臺(tái)傾角儀移動(dòng)至待安裝梁段前端，得到角度α2。α為傾角儀傳感器采集的相鄰梁段間夾角數(shù)據(jù)，α=α1-α2=180°-ε；L為傾角儀傳感器與初始位置距離；Δh=L·sinα為傾角傳感器安裝點(diǎn)相對(duì)于已安裝梁段的相對(duì)高程；Δh≤2mm為控制目標(biāo)狀態(tài)。

通過(guò)角度傳感器自動(dòng)采集待匹配梁段橫向撓曲角度及其與已完成梁段間夾角，無(wú)線傳輸至中央控制器，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、自動(dòng)反饋調(diào)整，如圖5所示。

圖5 匹配控制

智能匹配系統(tǒng)的控制精度達(dá)到2mm以內(nèi)，高于傳統(tǒng)6mm控制精度，且匹配用時(shí)<0.5h，明顯優(yōu)于人工測(cè)量匹配用時(shí)(4h)。

2.3 基于三維激光的自動(dòng)測(cè)控技術(shù)

目前中跨合龍段下料前的合龍口形態(tài)識(shí)別主要采用全站儀或鋼卷尺測(cè)量，寬幅鋼箱梁變形導(dǎo)致截面形態(tài)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行合龍口形態(tài)識(shí)別存在測(cè)點(diǎn)數(shù)少、可靠性難以保證、測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。為此，開發(fā)了基于三維激光的自動(dòng)測(cè)控技術(shù)。合龍口兩側(cè)梁段在工廠制造完成后，在前端待測(cè)量斷面按1m等間距焊接測(cè)點(diǎn)標(biāo)靶，合龍口連續(xù)觀測(cè)時(shí)，采用布置在懸臂前端的三維激光掃描儀對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行自動(dòng)追蹤掃描，獲取標(biāo)靶中心三維坐標(biāo)，由測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)生成合龍口形態(tài)三維圖，實(shí)現(xiàn)了寬幅鋼主梁合龍口斷面形態(tài)參數(shù)的精準(zhǔn)識(shí)別。三維激光測(cè)控技術(shù)應(yīng)用如圖6所示。

圖6 三維激光測(cè)控技術(shù)應(yīng)用

基于三維激光掃描儀的自動(dòng)測(cè)控技術(shù)提高了合龍段下料精度，有效控制合龍口環(huán)縫寬度在8～10mm，實(shí)現(xiàn)了合龍口姿態(tài)的連續(xù)自動(dòng)化觀測(cè)，替代了傳統(tǒng)的人工測(cè)量。

2.4 基于幾何控制法的橋梁全壽命安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外橋梁施工期與運(yùn)營(yíng)期的監(jiān)測(cè)存在兩階段間橋梁狀態(tài)信息繼承性不強(qiáng)，運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)真實(shí)狀態(tài)識(shí)別難度大的問(wèn)題。為此，將幾何控制法由施工期延伸至運(yùn)營(yíng)過(guò)程，研發(fā)了橋梁全壽命安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。

幾何控制的理論基礎(chǔ)為：幾何體系一定的彈性結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)僅取決于其所受的作用體系，與構(gòu)件安裝、荷載施加、體系轉(zhuǎn)換無(wú)關(guān)。基于該理論，研發(fā)了集制造、安裝、運(yùn)營(yíng)全生命周期于一體的控制技術(shù)。施工期鋼箱梁、斜拉索等構(gòu)件按無(wú)應(yīng)力尺寸制造、安裝，并進(jìn)行參數(shù)識(shí)別與調(diào)整、線形及內(nèi)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制，可精確實(shí)現(xiàn)成橋目標(biāo)狀態(tài)。基于成橋結(jié)構(gòu)精確參數(shù)及線形與內(nèi)力狀態(tài)的繼承，運(yùn)營(yíng)期可準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)真實(shí)狀態(tài)，主動(dòng)養(yǎng)護(hù)，必要時(shí)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件按無(wú)應(yīng)力構(gòu)形更換。橋梁施工和運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)的繼承與融合如圖7所示，全壽命安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施流程如圖8所示。

圖7 施工和運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)繼承與融合

圖8 橋梁全壽命安全監(jiān)控體系

2.5 橋梁安全監(jiān)控平臺(tái)

針對(duì)目前普遍存在的橋梁施工監(jiān)控與運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)分離現(xiàn)狀，將施工期和運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)的硬件、軟件、傳輸及數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行融合，開發(fā)了施工和運(yùn)營(yíng)期全過(guò)程安全監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)由自動(dòng)化傳感測(cè)試(傳感器、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與控制等模塊)、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與管理、結(jié)構(gòu)預(yù)警與安全評(píng)估、用戶界面4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成(見圖9)。

圖9 平臺(tái)總體構(gòu)成

結(jié)構(gòu)工廠制造階段無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下完成監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備的安裝，并開始各類幾何及物理參數(shù)的采集，同時(shí)采用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及配套技術(shù)支撐系統(tǒng)，如計(jì)算分析系統(tǒng)、關(guān)鍵構(gòu)件制造數(shù)字化控制、參數(shù)識(shí)別及模型修正、全過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)橋梁從施工到運(yùn)維全生命周期的監(jiān)控(見圖10)。

圖10 橋梁安全監(jiān)控平臺(tái)

3 結(jié)語(yǔ)

1)充分利用材料特性，優(yōu)化了上部結(jié)構(gòu)安裝工藝，斜拉索一次張拉至成橋目標(biāo)索長(zhǎng)，并將監(jiān)控參數(shù)識(shí)別與梁段精匹配合并進(jìn)行，縮短了節(jié)段安裝周期和減少了控制工作量。

2)研發(fā)了基于傾角傳感測(cè)量的智能化梁段匹配安裝控制技術(shù)，提高了梁段的匹配工效與精度。

3)采用三維激光測(cè)控技術(shù)，提出了合龍口形態(tài)參數(shù)的精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)與方法。

4)研發(fā)了基于幾何控制法的橋梁施工期與運(yùn)營(yíng)期全過(guò)程安全監(jiān)控技術(shù)和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了全壽命監(jiān)控。