摘 要：【目的】近年來(lái)，我國(guó)橋梁安全事故頻發(fā)，其中一些事故是由于施工階段缺乏科學(xué)、全面的安全監(jiān)測(cè)造成的，以濮陽(yáng)市某連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，旨在消除橋梁施工階段可能造成的結(jié)構(gòu)安全隱患?！痉椒ā渴┕るA段采用Midas軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，利用方差分析中的F統(tǒng)計(jì)量方法及最小二乘法對(duì)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了篩選及優(yōu)化，并基于仿真結(jié)果建立了橋梁施工階段的預(yù)警閾值?！窘Y(jié)果】橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)警結(jié)果顯示，該橋施工階段處于健康安全狀態(tài)?！窘Y(jié)論】對(duì)模型參數(shù)的優(yōu)化及建立的預(yù)警閾值模型能夠準(zhǔn)確反映橋梁的實(shí)際狀態(tài)，為橋梁施工階段安全監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：橋梁施工監(jiān)測(cè)；參數(shù)估計(jì)；預(yù)警閾值；安全狀態(tài)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TG333" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）21-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.016

Research on Construction Monitoring and Early Warning of"Continuous Rigid Frame Bridge

LIU Zhen1 HUANG Xianglu2 MENG Wenyuan1

（1.School of Civil Engineering and Communication， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045，China; 2. China Railway 17th Bureau Group Co.， Ltd.， Taiyuan 030006，China）

Abstract： [Purposes] In recent years， bridge safety accidents in China occur frequently， and some of which are caused by the lack of scientific and comprehensive safety monitoring in the construction stage. Taking a continuous rigid frame bridge in Puyang City as the research object， this paper aims to eliminate the structural safety hazards that may be caused by the bridge construction stage.[Methods] In the construction stage， Midas software was used for numerical simulation， and the model structural parameters were screened and optimized by using the F statistic method and least squares method in ANOVA， and the early warning threshold of the bridge construction stage was established based on the simulation results.[Findings] The bridge monitoring data and early warning results showed that the bridge was in a healthy and safe state during the construction stage. [Conclusions] The optimization of model parameters and the early warning threshold model established can accurately reflect the actual state of the bridge， which provides a basis and reference for safety monitoring and early warning in the bridge construction stage.

Keywords： bridge construction monitoring; parameter estimation; early warning thresholds; security posture analysis

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，公路橋梁已成為現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。作為其中一種高承載能力和穩(wěn)定性強(qiáng)的橋梁類(lèi)型，連續(xù)剛構(gòu)橋被廣泛采用。

隨著橋梁跨度的增加，采用懸臂施工法滿足建造需求是較為常見(jiàn)的選擇并更具優(yōu)勢(shì)。然而，該方法在施工過(guò)程中也存在一定的局限性，例如施工難度大、內(nèi)力及位移變化復(fù)雜等^［1］。對(duì)于大跨度的連續(xù)剛構(gòu)橋來(lái)說(shuō)，若監(jiān)測(cè)控制不到位，則可能導(dǎo)致?lián)隙茸兓黠@，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫等問(wèn)題^［2］。

因此，在施工階段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁、分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和控制是確保橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)符合設(shè)計(jì)規(guī)范的必要手段?；诖?，本研究旨在探究連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑施工法下的橋梁監(jiān)測(cè)及預(yù)警方法，為實(shí)現(xiàn)橋梁施工過(guò)程的安全、高效提供參考。

1 工程概況

該橋梁類(lèi)型為連續(xù)剛構(gòu)梁橋，橋長(zhǎng)（80+130+80） m，主梁截面為單箱單室，橋梁應(yīng)變及溫度傳感器布置如圖1所示。本研究使用橋梁結(jié)構(gòu)分析專(zhuān)用程序Midas 2021，對(duì)橋梁施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬，由于橋梁為左右幅對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，故僅建立單幅模型。

全橋模型共170個(gè)節(jié)點(diǎn)，167個(gè)單元，234根預(yù)應(yīng)力筋，橋梁有限元模型如圖 2 所示。主梁采用C55混凝土，彈性模量為35.5 kN/mm²，鋼筋束預(yù)應(yīng)力為1 395 MPa，波紋管摩阻系數(shù)為0.3。

該橋施工階段結(jié)構(gòu)分析方法選用正裝分析法，此方法是一種模擬橋梁實(shí)際施工順序及荷載的計(jì)算分析方法^［3］。本研究選用此方法共建立43個(gè)施工階段，具體見(jiàn)表1。

施工監(jiān)控采用自適應(yīng)控制法，相較于閉環(huán)控制法，其優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)識(shí)別參數(shù)調(diào)整結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，在調(diào)整后可根據(jù)實(shí)際情況循環(huán)調(diào)整，直至橋梁建成^［4］。

2 仿真分析結(jié)果

2.1 應(yīng)力狀態(tài)結(jié)果驗(yàn)算

通過(guò)Midas模型計(jì)算分析橋梁最大懸臂狀態(tài)，得到橋梁彎矩、剪力及應(yīng)力最大值，其中應(yīng)力最大值為10.82 MPa，與規(guī)范對(duì)比，規(guī)范規(guī)定主梁應(yīng)力應(yīng)小于0.7倍的混凝土抗壓強(qiáng)度，比較結(jié)果：10.82 MPa≤0.7f_ck= 0.7×35.5 MPa，符合規(guī)范。邊跨合龍、中跨合龍狀態(tài)分析、二期鋪裝狀態(tài)分析結(jié)果最大應(yīng)力值分別為11.07 MPa、11.80 MPa、10.77 MPa，均符合規(guī)范。

2.2 預(yù)拱度

在橋梁施工過(guò)程中，需要進(jìn)行預(yù)拱度計(jì)算，使橋梁變形沉降后達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析后得到橋梁施工階段預(yù)拱度，如圖3所示。

3 敏感性分析及參數(shù)估計(jì)

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)篩選及顯著性分析

選取混凝土容重、彈性模量、波紋管摩阻系數(shù)及鋼筋束預(yù)應(yīng)力作為初始設(shè)計(jì)變量。選取橋梁最大懸臂狀態(tài)下，即16號(hào)塊張拉后，其他號(hào)塊豎向位移變化作為目標(biāo)變量。橋梁豎向位移影響參數(shù)顯著性分析如圖4所示。

將初始設(shè)計(jì)變量分別提高10%后得到主梁豎向位移變化量，相較于其他設(shè)計(jì)變量，混凝土容重對(duì)于豎向位移影響幅度較小，故選取彈性模量、波紋管摩阻系數(shù)、鋼筋束預(yù)應(yīng)力作為最終設(shè)計(jì)變量參數(shù)并分別以參數(shù)A、B、C表示；橋梁9、11、13、15#塊豎向位移作為目標(biāo)變量。假定參數(shù)在10%的變化范圍內(nèi)結(jié)果線性相關(guān)，采用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法^［5］進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方差分析法分析參數(shù)顯著性，參數(shù)顯著性水平如圖4所示，p值反映設(shè)計(jì)變量參數(shù)對(duì)目標(biāo)變量的顯著性，p＜0.05表示該設(shè)計(jì)變量參數(shù)對(duì)目標(biāo)變量的影響是顯著的。顯著性分析結(jié)果表明，參數(shù)A、B、C對(duì)目標(biāo)變量的影響也是顯著的。

3.2 參數(shù)估計(jì)

橋梁施工階段結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)方法中，最小二乘法被廣泛應(yīng)用，它是一種基于誤差最小化的分析方法。對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)^［6］，見(jiàn)式（1）。

[θ=（φ^Tρφ）^-1φ^TρY]" " " " " " " " " " "（1）

式中：θ、φ、ρ、Y分別為參數(shù)誤差、變換矩陣、加權(quán)矩陣、誤差向量。

基于顯著性分析結(jié)果，選擇混凝土彈性模量、波紋管摩阻系數(shù)及鋼筋束預(yù)應(yīng)力作為變量參數(shù)；選取力學(xué)性能較為明顯的中期施工階段進(jìn)行分析，8#塊澆筑后的4、5、6、7#塊豎向位移理論值與實(shí)測(cè)值為樣本見(jiàn)表2，得到誤差向量見(jiàn)式（2）。

{Y} = {0.09 0.14 0.13 0.18}" " " " " " " " （2）

分別將參數(shù)混凝土彈性模量、波紋管摩阻系數(shù)及鋼筋束預(yù)應(yīng)力提高10%，得到轉(zhuǎn)換矩陣，見(jiàn)式（3）。

加權(quán)系數(shù)矩陣ρ與很多因素相關(guān)，包括現(xiàn)場(chǎng)人員的施工經(jīng)驗(yàn)等主觀因素及橋梁結(jié)構(gòu)本身等客觀因素，通常難以確定，故本研究在進(jìn)行參數(shù)誤差調(diào)整時(shí)，不考慮權(quán)矩陣影響。將轉(zhuǎn)換矩陣代入式（1），得到參數(shù)修正量，見(jiàn)式（4）。

參數(shù)修正后結(jié)果為鋼筋束預(yù)應(yīng)力1 279.22 MPa、彈性模量39.16 kN/mm²、波紋管摩阻系數(shù)0.279，并且模型參數(shù)估計(jì)在施工階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，修正后的數(shù)值模擬結(jié)果作為橋梁施工階段的理論值，為本研究后續(xù)的預(yù)警閾值設(shè)定提供參考。

4 施工監(jiān)測(cè)預(yù)警及安全狀態(tài)分析

選取橋梁施工號(hào)塊澆筑前、澆筑后、張拉后的撓度及應(yīng)力作為監(jiān)測(cè)目標(biāo)^［7］。

4.1 固定閾值預(yù)警

4.1.1 撓度預(yù)警閾值。參考《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2004），已澆梁端及成橋后控制高差為±L/5 000，則該橋控制誤差為±130 000/5 000=±26 mm。

監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果顯示，橋梁施工號(hào)塊澆筑前后、張拉后撓度最大誤差為22 mm，均小于26 mm。撓度預(yù)警閾值和該橋1號(hào)橋墩左幅大里程監(jiān)測(cè)高程與數(shù)值模擬結(jié)果差值，如圖5所示。其中正值為實(shí)測(cè)值高于理論值的差值，負(fù)值為實(shí)測(cè)值低于理論值的差值，均未超出預(yù)警閾值，處于正常狀態(tài)。

4.1.2 應(yīng)力預(yù)警閾值。橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用高精度的振弦應(yīng)變計(jì)算，監(jiān)測(cè)橋梁在混凝土梁16個(gè)號(hào)塊澆筑前、澆筑后及張拉后的應(yīng)力變化情況，并利用應(yīng)變與應(yīng)力線性關(guān)系換算成應(yīng)力，與數(shù)值模擬得到的理論應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比。

施工階段應(yīng)力預(yù)警閾值選取理論數(shù)值±10%變化幅度作為應(yīng)力預(yù)警閾值，由橋梁一號(hào)橋墩左幅0號(hào)塊大里程應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)得到，14個(gè)號(hào)塊張拉后應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果（由應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算得出）如圖6所示。由圖6可知，監(jiān)測(cè)結(jié)果存在一定誤差，經(jīng)分析其產(chǎn)生受多種因素影響，如理論模型計(jì)算與實(shí)際施工存在誤差、應(yīng)變計(jì)置入場(chǎng)景及應(yīng)變滯后性、混凝土收縮徐變影響、溫度變化、剪力值效應(yīng)等各種因素。其中個(gè)別號(hào)塊受溫度效應(yīng)、荷載等各種因素干擾，實(shí)測(cè)應(yīng)力與理

論值相差較大，但總體變化趨勢(shì)并未偏離，應(yīng)力預(yù)警后綜合分析，可以判定橋梁應(yīng)力施工階段變化符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

4.2 變化閾值預(yù)警

利用橋梁左右幅對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)這一特性，建立撓度及應(yīng)力關(guān)聯(lián)度指標(biāo)，分析橋梁非均勻變化。則撓度變化預(yù)警閾值為橋梁相同施工階段左右幅撓度差值±52 mm；應(yīng)力變化預(yù)警閾值為相同施工階段左右幅應(yīng)力差值±20%，該橋自施工直至成橋，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均未超過(guò)變化預(yù)警閾值。

5 結(jié)論

本研究以濮陽(yáng)市某連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)測(cè)及預(yù)警為研究背景，利用Midas軟件對(duì)該橋進(jìn)行了仿真分析并優(yōu)化了模型參數(shù)，建立了相應(yīng)的預(yù)警閾值模型，最終得出以下結(jié)論。

①利用方差分析中的F統(tǒng)計(jì)量方法及最小二乘法對(duì)該橋數(shù)值模擬參數(shù)進(jìn)行識(shí)別及估計(jì)是有效的。

②本研究成功建立了科學(xué)、有效的連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)、有效的安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警。

③依據(jù)橋梁整個(gè)施工階段監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果，該橋結(jié)構(gòu)在施工階段處于安全、穩(wěn)定狀態(tài)。

研究結(jié)果為施工階段橋梁安全監(jiān)測(cè)提供了一種新的方法和思路，對(duì)于保障橋梁施工階段的安全具有參考價(jià)值。

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收稿日期：2023-04-22

作者簡(jiǎn)介：劉震（1997—），男，碩士生，研究方向：公路橋梁安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警。