朱 榮

（上海同濟檢測技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，交通通行需求日趨增長，我國現(xiàn)有公路橋梁中有相當一部分由于建造年代久遠，設計荷載標準低，橋梁寬度不足，加上運營時間長，存在材料性能退化和結(jié)構(gòu)損傷等安全隱患，已嚴重影響了道路的通行能力，成為制約城市交通發(fā)展的瓶頸[1、2]。如將這些橋梁進行拆除重建，不僅耗資巨大，而且對于一些技術(shù)狀況較好的橋梁來說，也是一種社會資源浪費[3]。因此，若能采用有效的改造加固措施，提升橋梁通行能力和提高結(jié)構(gòu)承載能力，使其滿足交通增長的需求，繼續(xù)為交通運輸服務，從而給地方帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益[4、5]。

松浦大橋作為黃浦江上的第一座大橋，運營至今已40 余年，見證上海經(jīng)濟發(fā)展和時代變革，承載了上海人民的回憶與情懷。伴隨地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革，松浦大橋也必須進行改建，以緩解過江交通壓力的需求，為地區(qū)的經(jīng)濟進一步發(fā)展提供基礎保障。

與新建橋梁相比，既有橋梁改建項目在施工過程中，有一定的交通通行需求，同時，改建后的橋梁使用功能、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)均發(fā)生較大變化，無論是大修施工過程的安全控制，還是改建后運營期結(jié)構(gòu)長期性能的保障都提出了極高要求。因此，這對老橋改建施工監(jiān)控提出了與新建橋梁不同的技術(shù)要求。本文針對松浦大橋改建工程實踐，通過對結(jié)構(gòu)特點、改建施工方案研究，以及施工全過程結(jié)構(gòu)狀態(tài)精細的計算分析，確定雙層桁架梁橋改建工程施工控制方法，并結(jié)合現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測，保證改建過程中的結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

松浦大橋于1976 年建成通車，是一座雙層公鐵兩用橋，上層為兩車道公路，路面寬9 m，兩側(cè)各設1.5 m 人行道，下層為單線鐵路。上部結(jié)構(gòu)采用兩聯(lián)兩跨連續(xù)的鉚接三角形鋼桁梁，跨徑組合為96 m+112 m+112 m+96 m，桁架高12.8 m，中間支點及112 m 跨端支點均設6 m 高加勁弦，兩片主桁中距6.018 m，主桁節(jié)間為8 m，通航凈空為10 m，其立面布置見圖1。

圖1 主橋總體立面布置（單位：m）

根據(jù)松浦大橋改建設計方案，主要改建工作有：（1）拓寬上層公路橋面，將原上層12 m 寬的雙向兩車道橋面拓寬為雙向六車道，改造后寬度24.5 m，設計的汽車荷載等級為公路II 級；（2）將下層單線鐵路橋面改造成非機動車道；（3）將下層橋面兩側(cè)原鐵路檢修道改造成3.97 m 寬的人行道。改建前后的橋梁結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖2 主橋大修前后結(jié)構(gòu)斷面（單位：m）

2 施工監(jiān)控特點分析

對于桁架梁橋，結(jié)構(gòu)桿件和連接節(jié)點較多，加上部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件銹蝕和局部變形，結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)與建成時存在較大差異，施工過程中對結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力狀態(tài)的調(diào)控措施非常有限，因此，施工控制的重點從傳統(tǒng)的線形控制轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)安全控制為主，新、舊結(jié)構(gòu)的適配性控制為輔，對現(xiàn)場情況的實時掌控和對結(jié)構(gòu)安全性控制是鋼桁梁橋關(guān)注的重點。主要特點如下：

（1）上層公路橋面寬由12 m 拓寬為24.5 m，由原來的2 車道變?yōu)殡p向6 車道，上、下層橋面重量也有所增加，恒活載的增加對橋梁原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度和穩(wěn)定要求提高。

（2）上層橋面寬度將比現(xiàn)狀橋?qū)捲黾右槐?，整個斷面上寬下窄，空間受力效應明顯，橋面板扭轉(zhuǎn)變形較大，橫向線形的控制問題突出。

（3）由于主體結(jié)構(gòu)線形無法調(diào)整，而大修引起的恒載增加勢必引起成橋線形的變化，需關(guān)注成橋線形的影響。

（4）由于改建項目的特殊性，老橋結(jié)構(gòu)存在一定的性能退化，需要進行一定的加固，這就使得結(jié)構(gòu)當前和改建完成后的實際剛度均較難把握，因此，需要通過現(xiàn)場實測響應進行參數(shù)識別。

（5）改建施工中，需要對主橋支座進行更換，應進行施工過程中同步性控制和結(jié)構(gòu)響應監(jiān)測，更換過程中需對支座頂升反力、位移進行實時監(jiān)控，確保頂升位移達到設計值。

3 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)

由于老橋在運營過程中受到局部損傷，其實際的受力狀態(tài)與理論存在一定的差異。此外，改建過程中結(jié)構(gòu)自重或結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生改變，都將使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生變化，如果實際應力與理論計算應力相差較大，將造成結(jié)構(gòu)強度問題。因此，改建橋梁的結(jié)構(gòu)安全控制對象主要是施工過程中的應力狀態(tài)。

對于松浦大橋這樣的桁架梁橋，結(jié)構(gòu)桿件多，連接節(jié)點復雜，施工過程中很難對所有桿件應力進行評估，因此，準確把握關(guān)鍵受力桿件的監(jiān)測尤為重要。根據(jù)桁架梁橋的受力特點和理論計算結(jié)果，應力測點選取遵循以下原則：（1）結(jié)構(gòu)體系的控制斷面，如墩頂和跨中位置的上下弦桿；（2）主桁受力較大的位置；（3）關(guān)鍵的加固桿件。主桁應力測點布置見圖3。

圖3 桁架應力監(jiān)測布置圖

改建的上層橋面系采用節(jié)段預制鋼- 混凝土正交異性組合橋面板，橫向橋面寬24.5 m，懸臂長度9.25 m，縱向節(jié)段分段長度為8 m，在預制和吊裝安裝時，混凝土橋面板局部橫向拉應力水平較高。為了保證施工過程中混凝土不會發(fā)生開裂現(xiàn)象，并驗證混凝土橋面板抗裂措施的有效性，對預制組合橋面板進行應力監(jiān)測。

橋面板的應力測點布置見圖4。鋼橋面板的橫向應力測點布置在靠近主縱梁的橫梁底板上緣，縱向應力測點布置在主縱梁翼緣板兩側(cè)；混凝土板的橫向應力測點布置在主縱梁與橫梁交界位置對應的混凝土板內(nèi)，縱向應力測點位于主縱梁中央位置對應的混凝土板內(nèi)。

圖4 預制鋼- 混組合橋面板應力測點布置圖

4 線形監(jiān)測技術(shù)

對于老橋改建工程，整體縱向線形已既定存在，施工中已無法對其進行主動控制調(diào)整，只能在施工過程進行跟蹤監(jiān)測，判斷其各施工階段線形變化是否正常，并根據(jù)實測線形變化和理論線形變化的誤差情況，通過對結(jié)構(gòu)進行剛度識別和有限元模型修正，來預測改建后的成橋線形。松浦大橋的線形監(jiān)測主要包括基礎沉降、主桁架縱向線形以及上層橋面系橫坡線形等內(nèi)容。

基礎沉降監(jiān)測主要考察上部結(jié)構(gòu)荷載變化后基礎變形，監(jiān)測點選擇在主墩承臺上。由于老橋地基一般比較穩(wěn)定，且本項目改建施工對基礎的擾動較少，因此基礎沉降主要是判斷在施工過程中是否有異常情況產(chǎn)生，并且評估基礎發(fā)生定量沉降后對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的影響。

主桁縱向線形監(jiān)測貫穿整個改建施工過程，測點選取必須考慮可延續(xù)性和持久性，由于松浦大橋改建過程上、下部橋面系均需經(jīng)歷局部構(gòu)件拆除和安裝，因此，測點宜布置在下弦桿稍靠下位置，見圖5。每聯(lián)橋共10 個測試斷面，采用全站儀進行觀測。

圖5 主桁架高程測點布置圖

鋼- 混組合橋面板施工經(jīng)歷混凝土澆筑、安裝、反力架張拉和斜撐安裝等過程，采用少支點支撐，因此對于上部橋面系橫向變形的控制尤為重要，以保證成橋狀態(tài)橫橋向線形滿足設計要求。每一塊預制橋面板在縱向前后兩端各布置3 個變形點，測點距離梁端可控制在15~20 cm，見圖6。

圖6 預制橋面板橫向變形測點布置

5 剛度識別技術(shù)

橋梁剛度識別及有限元模型修正是對既有橋梁狀態(tài)評估和損傷識別的有效方法之一，其原理是通過實測響應數(shù)據(jù)進行模型修正來尋求建立對實際結(jié)構(gòu)有較高模擬精度的有限元模型，并假設結(jié)構(gòu)的損傷將引起結(jié)構(gòu)模型特性參數(shù)的相應變化，通過靜力位移響應或動力測試中的模態(tài)參數(shù)，來分析模型的參數(shù)分布，預估參數(shù)可以是結(jié)構(gòu)的截面特性參數(shù)。

就松浦大橋舊橋改建工程而言，在整個施工中，結(jié)構(gòu)的應力和變形會發(fā)生變化，通過現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析的對比，可以對舊橋的實際剛度進行識別，從而為后續(xù)的現(xiàn)場控制策略調(diào)整和理論數(shù)據(jù)修正提供依據(jù)。

5.1 基于支座更換過程的反力識別

支座反力的分布反映結(jié)構(gòu)的整體受力情況，通過運營過程支座反力的識別，并與理論計算進行對比，可以掌握結(jié)構(gòu)真實的受力狀態(tài)，通過支座反力的調(diào)整對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的微調(diào)。

松浦大橋原支座采用搖軸支座，存在不同程度的銹蝕，需要進行更換；此外，改建后為滿足通航需求，對中間通航孔進行整體頂升。根據(jù)頂升支座反力識別的要求，監(jiān)測內(nèi)容主要監(jiān)測指標為頂升力、頂升位移，校核指標為結(jié)構(gòu)變形、關(guān)鍵構(gòu)件應力等。

頂升力監(jiān)測主要通過頂升千斤頂油壓系統(tǒng)的壓力傳感器獲得；頂升位移通過自動化頂升控制系統(tǒng)自帶的位移數(shù)據(jù)和布置的位移傳感器進行實時動態(tài)監(jiān)測，測量行程滿足最大頂升位移的需求。位移傳感器安裝在支座墊石的四周角點。

頂升過程各墩支座的實測反力和頂升位移見表1?？梢钥闯觯瑑陕?lián)主桁總重分別為2195.6 t 和2213.6 t，比設計理論重4%和5%。從反力分布來看，兩聯(lián)橋邊墩（0# 和4#）實測反力比理論反力大106 t和89 t，其余各墩反力實測和理論偏差均較小，說明結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)與理論計算一致。

表1 支座頂升反力

5.2 主桁結(jié)構(gòu)動力特性識別

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性主要包括自振頻率、振型以及阻尼比，是結(jié)構(gòu)的固有特性，。自振特性的確定可以作為結(jié)構(gòu)損傷識別和剛度評定的依據(jù)，實測結(jié)構(gòu)的動力特性，既能夠建立橋梁實際動力特性方面的原始檔案，也可用實測數(shù)據(jù)校核理論分析結(jié)果，驗證計算結(jié)果。

主桁架為松浦大橋承重受力的主體結(jié)構(gòu)，因此動力特性識別安排在上層橋面系拆除、主桁橫向連接系安裝后進行，此時主桁結(jié)構(gòu)不受上層橋面系的影響，其自振特性能夠準確把握。根據(jù)該結(jié)構(gòu)狀態(tài)自振頻率的理論計算結(jié)果，振型測點布置在橋梁在各跨徑L 的L/4、L/2、3L/4 以及支點處。前兩階自振特性理論計算與實橋測試結(jié)果對比見表2 和圖7。

可知，一階振型為反對稱豎彎，理論振動頻率為1.702 Hz，二階振型為對稱豎彎，理論振動頻率為3.045 Hz。主桁前兩階實測振型與理論計算振型一致，各階實測頻率均比理論計算偏大，結(jié)構(gòu)實際剛度略高于理論剛度，前兩階實測阻尼比分別為6.22%和2.76%。

表2 結(jié)構(gòu)自重頻率計振型特征

圖7 松浦大橋前兩階振型對比

6 施工監(jiān)控信息化系統(tǒng)應用

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)廣泛應用，對傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)控提供遠程和智能化控制的發(fā)展方向，加上BIM 技術(shù)在工程建設領域已從概念普及進入到全方面的應用發(fā)展階段，為橋梁施工監(jiān)控信息化提供新的展示平臺。基于此，借助松浦大橋改建項目，運用信息化技術(shù)和橋梁施工監(jiān)控工作經(jīng)驗，研發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)，彌補傳統(tǒng)施工監(jiān)控工作在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)協(xié)同、數(shù)據(jù)信息共享、監(jiān)控成果展示上的不足。

圖8 為松浦大橋施工階段監(jiān)測數(shù)據(jù)展示，通過BIM 模型的圖形索引功能，展示各控制截面的內(nèi)力和變形的理論值、實測值等數(shù)據(jù)。通過圖形，直觀顯示松浦大橋各關(guān)鍵構(gòu)件在各施工階段的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力狀態(tài)，以及在整個施工過程中的變化情況。

系統(tǒng)設有全過程施工質(zhì)量管理和施工風險管理，以BIM 模型為信息載體，建立各施工階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)和施工進度的可視化管理。同時，建立施工監(jiān)控工作協(xié)同，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)和質(zhì)量管理數(shù)據(jù)的共享，將技術(shù)人員與管理人員通過終端連接起來，實現(xiàn)信息的及時傳遞與快速分享，見圖9。

圖8 監(jiān)控數(shù)據(jù)BIM 可視化展示

圖9 預制橋面板加工質(zhì)量管理數(shù)據(jù)

7 結(jié) 語

本文以松浦大橋改建為背景，分析了桁架梁橋改建的施工監(jiān)控特點，建立了老橋施工監(jiān)控以結(jié)構(gòu)安全控制為主，新、舊結(jié)構(gòu)的適配性控制為輔的總體控制思路；針對改建施工中所關(guān)心的結(jié)構(gòu)安全及線形控制等問題，研究了相應的監(jiān)測與控制方法。針對支座更換施工階段，對支座反力和主桁架動力特性進行識別，并與理論計算結(jié)果進行對比，驗證與評估結(jié)構(gòu)總體的技術(shù)狀況。在傳統(tǒng)監(jiān)控方法上發(fā)展了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的監(jiān)控數(shù)據(jù)與信息交互平臺工作模式，為國內(nèi)外同類橋梁的施工監(jiān)控提供理論參考依據(jù)與借鑒。