謝曙輝

(華設(shè)檢測科技有限公司，江蘇 南京 210014)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有結(jié)構(gòu)自重輕、承載能力強(qiáng)、裝配程度高、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中。連續(xù)拱梁組合體系橋梁，相比一般梁橋和拱橋，具有整體受力更合理、跨越能力大、外觀曲線優(yōu)美的特點(diǎn)[1]。

橋梁施工監(jiān)控先進(jìn)理論及技術(shù)是橋梁工程尤其是大型、特殊結(jié)構(gòu)橋梁良好成橋狀態(tài)的保證。復(fù)雜橋梁的成橋線形與內(nèi)力跟施工方法、工序密切相關(guān)。橋梁施工監(jiān)控一方面是對設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行復(fù)核，對成橋關(guān)鍵指標(biāo)引入施工影響因素進(jìn)行分析修正；一方面是根據(jù)施工工序的開展，通過結(jié)構(gòu)監(jiān)測對已有關(guān)鍵指標(biāo)偏差進(jìn)行分析，對下一步的施工結(jié)果進(jìn)行前瞻控制。

本文通過建立橋梁施工監(jiān)控體系，監(jiān)測施工全過程中橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變位及索力參數(shù)，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、反饋指導(dǎo)施工，相關(guān)成果可為連續(xù)鋼桁架拱橋施工監(jiān)控提供參考。

1 工程概況

本橋?yàn)殡p層三跨連續(xù)鋼桁架系桿拱橋，南北走向，跨徑布置為(59+150+59)m。上層橋面為雙向八車道的城市快速路，總寬42 m，下層為雙向六車道+兩條非機(jī)動(dòng)車道的城市主干道，總寬43 m。主拱圈是由上下兩片拱肋組成的、三角桁式桁架拱體系。上拱軸線為樣條曲線，跨度218 m，下拱弦軸線為二次拋物線，跨度150 m，矢高34 m，矢跨比1/4.41，全橋共設(shè)13對柔性吊桿，柔性索規(guī)格為Φ7-127雙層雙防護(hù)高密度聚乙烯護(hù)套的鍍鋅高強(qiáng)度平行鋼絲索。主桁梁由橫橋向兩片主桁組成，采用三角桁式，主桁間距36.5 m，主桁中心線高差8 m，標(biāo)準(zhǔn)段弦桿與斜腹板的夾角為60°左右。橋面系由帶U肋的正交異性板、橫梁、人行道挑臂、檢修道挑臂組成。

本橋采用廠內(nèi)預(yù)制加工構(gòu)件，現(xiàn)場機(jī)械吊裝與支架拼裝結(jié)合的總體施工方案(見圖1～圖4)。

2 施工監(jiān)控體系

橋梁建設(shè)伴隨著結(jié)構(gòu)體量規(guī)?；?、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜化、施工質(zhì)量精細(xì)化，施工監(jiān)測控制理論技術(shù)迅猛發(fā)展。橋梁施工監(jiān)控理論從傳統(tǒng)的工程控制理論、模糊數(shù)學(xué)、灰色理論，逐步形成以自適應(yīng)控制理論等為代表的較為完善的理論技術(shù)[2]。自適應(yīng)控制理論[3]作為過程控制理論一分支，其一般原理是通過采集工程基礎(chǔ)信息，將相關(guān)數(shù)據(jù)與期望目標(biāo)進(jìn)行對比、辨識、判別，根據(jù)結(jié)果作出控制決策，并實(shí)時(shí)對工程進(jìn)行過程修正，循此往復(fù)，從而使得工程質(zhì)量達(dá)到既定目標(biāo)。

本橋施工監(jiān)控以自適應(yīng)控制理論為基礎(chǔ)，借助Midas Civil有限元軟件，依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工狀態(tài)分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)，識別施工與設(shè)計(jì)的差異，并根據(jù)實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對施工狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而形成監(jiān)控指令指導(dǎo)施工。本橋施工監(jiān)控技術(shù)路線見圖5，本橋有限元仿真模型見圖6。

3 施工監(jiān)控內(nèi)容

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

為保證施工過程中橋梁的安全，監(jiān)測結(jié)構(gòu)特征斷面拱圈弦桿及腹桿、桁梁弦桿及腹桿、橫梁等構(gòu)件的應(yīng)力狀況。為確保整個(gè)施工過程應(yīng)力測試元件的穩(wěn)定性，本橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測試。

根據(jù)節(jié)段拼裝形式與理論計(jì)算結(jié)果，確定如圖7所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制截面。其中截面1-1、截面9-9為拱圈上弦桿拱腳截面，截面2-2、截面8-8為墩頂拱圈上弦桿截面，截面3-3、截面7-7為拱圈下弦桿拱腳截面，截面4-4～截面6-6為中跨拱圈四分點(diǎn)截面，截面10-10、截面16-16為邊跨桁梁跨中截面，截面11-11～截面15-15為中跨桁梁四分點(diǎn)截面。另外選取3號墩、4號墩墩頂橫梁，4號孔、5號孔跨中橫梁進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。

3.2 結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測主要包括臨時(shí)結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測、拱圈變位與線形監(jiān)測、桁梁變位與線形監(jiān)測、橋面系線形監(jiān)測、主墩沉降監(jiān)測等。施工過程中，通過全站儀及電子水準(zhǔn)儀對橋梁結(jié)構(gòu)變位與線形進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測截面的布置依據(jù)應(yīng)力監(jiān)測適當(dāng)調(diào)整。

橋梁合龍前，拱圈及桁梁變位監(jiān)測主要結(jié)合拼接節(jié)段進(jìn)行，橋梁合龍后，結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測通過橋梁特征節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。通過在橋面布置位移測點(diǎn)，監(jiān)測橋面橫坡及成橋線形。

成橋線形影響結(jié)構(gòu)安全及行車舒適性，是橋梁施工監(jiān)控的關(guān)鍵指標(biāo)。特別是預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)，一旦構(gòu)件加工完成，后期調(diào)節(jié)空間很小，預(yù)拼線形是否合理直接影響成橋線形是否理想。

3.3 吊桿索力監(jiān)測

對于系桿拱橋，吊桿索力的大小直接影響橋梁整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及線形狀態(tài)，施工監(jiān)控的重點(diǎn)是以設(shè)計(jì)吊桿索力為目標(biāo)，根據(jù)施工步驟多次、分批張拉，不斷調(diào)整吊桿力來實(shí)現(xiàn)合理成橋吊桿索力。常見的索力測量的方法有油壓表法、壓力傳感器法、磁通量法、振動(dòng)測量法等[4-5]。

本橋吊桿索力的監(jiān)測主要結(jié)合油壓表法和振動(dòng)測量法。吊桿施工時(shí)以張拉端的千斤頂油壓表數(shù)值進(jìn)行控制，利用索力動(dòng)測儀測試吊桿自振頻率，根據(jù)吊桿參數(shù)，計(jì)算已有吊桿索力進(jìn)行復(fù)核。

4 施工監(jiān)控成果

4.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

拱圈和桁梁典型控制截面應(yīng)力變化對比如圖8,圖9所示，初始應(yīng)力為各桿件無應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力。拱圈拱腳斷面(截面1-1～截面3-3、截面7-7～截面9-9)累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-2.5 MPa～5.4 MPa，中跨拱圈1/4L斷面(截面4-4)、3/4L斷面(截面6-6)累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-2.5 MPa～5.8 MPa，中跨拱圈1/2L斷面(截面5-5)累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-3.9 MPa～4.8 MPa；邊跨桁梁1/2L斷面(截面10-10、截面16-16)累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-4.3 MPa～2.3 MPa，墩頂桁梁斷面(截面11-11、截面15-15)累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-3.8MPa～6.7MPa，中跨桁梁1/4L斷面(截面12-12)，3/4L斷面(截面14-14)累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-6.3 MPa～3.5 MPa，中跨桁梁1/2L斷面(13-13)累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-6.3 MPa～3.3 MPa；3號墩、4號墩墩頂橫梁斷面累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-2.5 MPa～2.9 MPa，4號孔、5號孔跨中橫梁斷面累計(jì)應(yīng)力與理論值偏差-2.1 MPa～2.4 MPa。應(yīng)力趨勢與理論值較為吻合，施工過程中結(jié)構(gòu)各控制截面受力安全，成橋后結(jié)構(gòu)各控制截面應(yīng)力狀態(tài)良好并有一定應(yīng)力儲備。

4.2 結(jié)構(gòu)變位分析

施工過程中，橋梁構(gòu)件預(yù)拼階段，桁梁預(yù)拼高程偏差-3 mm～2 mm，拱圈預(yù)拼高程偏差-3 mm～3 mm，橋面系預(yù)拼橫坡偏差0.06%～0.23%；橋梁構(gòu)件架設(shè)階段，桁梁架設(shè)高程偏差-15 mm～17 mm，桁梁合龍高差3 mm～5 mm，拱圈架設(shè)高程偏差-14 mm～16 mm，橋面系架設(shè)橫坡偏差0.00%～0.14%，控制指標(biāo)滿足規(guī)范[6]及設(shè)計(jì)要求。

施工結(jié)束后，選取桁梁縱向節(jié)點(diǎn)位置測量橋面線形，實(shí)測橋面線形與設(shè)計(jì)線形偏差-9 mm～9 mm，成橋線形滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求(見圖10)。

4.3 吊桿索力分析

通過兩次、分批張拉行程，見表1，將吊桿索力張拉至設(shè)計(jì)要求范圍(端吊桿由于索長較小，基于頻率法，未作索力評價(jià))。成橋后基于振動(dòng)測量法，計(jì)算吊桿索力與設(shè)計(jì)值偏差-9.27%～6.62%，成橋索力滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求(見圖11，表2)。

表1 吊桿張拉次序

表2 成橋階段吊桿索力結(jié)果

5 結(jié)語

以某雙層三跨連續(xù)鋼桁架系桿拱橋施工監(jiān)控為背景，通過施工監(jiān)控體系，在施工過程中對橋梁結(jié)構(gòu)特征截面應(yīng)力、變位及索力進(jìn)行過程監(jiān)測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論值差異，實(shí)時(shí)響應(yīng)并作出決策調(diào)控，最終得到理想成橋狀態(tài)。

1)主要施工階段橋梁控制斷面實(shí)測應(yīng)力與理論應(yīng)力偏差-6.3 MPa～6.7 MPa，應(yīng)力趨勢與理論值較為吻合，施工過程中結(jié)構(gòu)各控制截面受力安全。

2)橋梁構(gòu)件預(yù)拼及架設(shè)階段，主要控制指標(biāo)滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，成橋后實(shí)測橋面線形與設(shè)計(jì)線形偏差-9 mm～9 mm，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

3)成橋后基于振動(dòng)測量法，除兩端短吊桿外，其余吊桿計(jì)算索力與設(shè)計(jì)索力偏差-9.27%～6.62%，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。