鋼混組合結(jié)構(gòu)簡支梁橋施工監(jiān)控策略研究

【摘 要】鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁其成橋狀態(tài)與施工過程密切相關(guān)，該橋型受力復(fù)雜，很有必要對其施工過程進(jìn)行監(jiān)控，本文對鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的施工監(jiān)控內(nèi)容及監(jiān)控的具體實施步驟進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對該類型橋梁的施工監(jiān)控具有很強的參考價值。

【關(guān)鍵詞】鋼混組合結(jié)構(gòu)簡支梁橋；施工監(jiān)控；監(jiān)控策略

1. 引言

組合結(jié)構(gòu)通常指由鋼材和混凝土共同形成的結(jié)構(gòu)體系，組合結(jié)構(gòu)橋梁具有整體受力的經(jīng)濟性，發(fā)揮兩種材料各自優(yōu)勢的合理性以及便于施工等突出優(yōu)點，在我國橋梁建設(shè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。然而組合梁橋受力機理復(fù)雜、在我國還無專門的設(shè)計規(guī)范，且組合橋梁的成橋狀態(tài)與施工過程密切相關(guān)，因此有必要根據(jù)實際的施工組織設(shè)計，對橋梁施工過程進(jìn)行監(jiān)測與控制，確保設(shè)計成橋的實現(xiàn)。

2. 鋼混組合結(jié)構(gòu)簡支梁橋監(jiān)控內(nèi)容

2.1 成橋狀態(tài)檢算。

根據(jù)設(shè)計圖紙，采用桿系有限元方法，對橋梁的整體受力、穩(wěn)定性等進(jìn)行計算，對橋梁正常使用狀態(tài)性能進(jìn)行評估，以明確設(shè)計思想及在后續(xù)的監(jiān)控中貫徹設(shè)計意圖。

2.2 施工過程模擬。

根據(jù)施工單位提供的安裝工序和流程，分別用正裝和倒拆的方法，對橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中各工況下的應(yīng)力、變形等進(jìn)行分析；并在考慮風(fēng)荷載的條件下，對正處于安裝狀態(tài)的橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

2.3 安裝參數(shù)確定。

根據(jù)施工過程正裝和倒拆的分析結(jié)果，確定本橋梁的安裝參數(shù)：構(gòu)件無應(yīng)力長度和安裝預(yù)拱度。其中無應(yīng)力長度，用于各構(gòu)件的工廠下料；安裝預(yù)拱度，用于控制現(xiàn)場各梁段的安裝定位。

2.4 施工過程監(jiān)測與預(yù)警

根據(jù)理論分析結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)受力最為不利的區(qū)域，并在該區(qū)域布置應(yīng)力、溫度和變形監(jiān)測的傳感器，對整個施工過程的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度及變形等進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行評估和預(yù)警。

3. 鋼混組合結(jié)構(gòu)簡支梁橋監(jiān)控實施策略

3.1 監(jiān)控思路。

（1）鋼混組合結(jié)構(gòu)簡支梁橋施工過程中應(yīng)對其局部穩(wěn)定和應(yīng)力水平、空間受力特性及鋼梁的變形等進(jìn)行綜合考慮。其中局部穩(wěn)定、應(yīng)力及空間受力狀態(tài)是控制的關(guān)鍵點。為此，宜采取以下控制思想：在局部穩(wěn)定性和應(yīng)力狀況滿足安全要求的前提下，對變形、應(yīng)力（變）進(jìn)行雙控，從宏觀上控制結(jié)構(gòu)的變形，從微觀上控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。施工控制中需建立準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)計算分析模型；考慮外界的環(huán)境因素（如濕度等）對實測應(yīng)力的影響。通過上述措施使所測得的應(yīng)力能正確反映結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力情況，從而為后續(xù)施工提供可靠的依據(jù)。

（2）在上述控制原則的前提下，可用自適應(yīng)控制方法對該橋進(jìn)行施工控制，這種方法是在閉環(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，即為施工→量測→參數(shù)識別→分析→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過程。

3.2 分析計算。

施工監(jiān)控計算可采用專用土木工程結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)及國際通用大型有限元分析軟件系統(tǒng)進(jìn)行施工過程及成橋狀態(tài)的模擬分析。具體分析計算內(nèi)容主要包括以下幾點：

3.2.1 基于桿系有限元理論，考慮組合結(jié)構(gòu)施工過程，如：先鋼結(jié)構(gòu)后混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析計算。計算內(nèi)容包括如下幾個方面：

（1）施工過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗算。

（2）成橋正常使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形驗算。

（3）成橋極限承載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強度驗算。

（4）施工過程橋梁變形分析，以確定設(shè)計預(yù)拱度。

3.2.2 其計算分析的基本思路如下：

（1）認(rèn)真閱讀設(shè)計施工圖和施工組織設(shè)計，掌握橋梁的具體設(shè)計狀況，了解橋梁的整個施工過程。

（2）確定計算中各設(shè)計參數(shù)的取值，確定荷載和荷載組合情況。

（3）建立橋梁桿系結(jié)構(gòu)模型模擬施工階段，并進(jìn)行初步分析。

（4）分析計算結(jié)果，與設(shè)計計算結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)真檢查、校準(zhǔn)計算模型。

（5）進(jìn)行結(jié)構(gòu)最終分析，形成分析報告。

（6）采用另一套分析軟件，對橋梁結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行實質(zhì)性復(fù)核，確保橋梁結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性。

3.3 安裝參數(shù)分析。

對于鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁，其成橋狀態(tài)是由鋼結(jié)構(gòu)的安裝狀態(tài)決定的，因此對于鋼結(jié)構(gòu)部分必須設(shè)置的合理安裝參數(shù)：工廠下料參數(shù)、預(yù)拱度。在此，通過狀態(tài)傳遞法確定鋼結(jié)構(gòu)從工廠下料到現(xiàn)場安裝等各工況下的標(biāo)高情況。具體步驟如下：

3.3.1 根據(jù)施工過程模擬結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)在恒載及活載下的結(jié)構(gòu)變形。

3.3.2 按1.0恒載＋1/2活載工況，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)拱度設(shè)置，同時考慮到橋梁跨徑較小，橋梁結(jié)構(gòu)受力行為可認(rèn)為是線彈性的，由此可確定其無應(yīng)力狀態(tài)線形為成橋線形＋預(yù)拱度。

3.3.3 按照無應(yīng)力狀態(tài)線形，根據(jù)施工分段情況，以折線代替曲線，確定各梁段的上下緣鋼板的下料長度。

3.3.4 在無應(yīng)力線形的基礎(chǔ)上分別加上鋼結(jié)構(gòu)自重、混凝土自重、橋面二期恒載等引起的變形，可得到相應(yīng)工況下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以此作為各階段結(jié)構(gòu)線形狀態(tài)控制的依據(jù)。

3.4 鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容及方法。

鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁施工監(jiān)控內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控：用以反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；結(jié)構(gòu)線形監(jiān)控，主要反映施工質(zhì)量同時兼顧結(jié)構(gòu)受力監(jiān)控；溫度場及效應(yīng)監(jiān)測，反映溫度對結(jié)構(gòu)受力的影響。

3.4.1 鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)力監(jiān)控可采用鋼弦式應(yīng)力計對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測試，應(yīng)力測試過程中需特別注意溫度對測試結(jié)果的影響。溫度影響主要體現(xiàn)在兩個方面：（1）對傳感器而言的，溫度變化會引起弦振頻率改變，在進(jìn)行頻率應(yīng)變換算時須考慮對溫度進(jìn)行修正。（2）對結(jié)構(gòu)的影響，由于材料的熱脹冷縮效應(yīng)，溫度變化為引起結(jié)構(gòu)自由伸長和縮短，當(dāng)這種自由變化受限制時，便會產(chǎn)生應(yīng)力，在應(yīng)力計算時須將溫變引起的自由應(yīng)變予以扣除。因此，為修正溫度影響每個弦式應(yīng)力計都必須配置一個溫度傳感器。溫度測量相對比較簡單，采用熱敏電阻型溫度傳感器置于被測位置，根據(jù)電阻值與溫度變化的相應(yīng)關(guān)系，可實現(xiàn)對溫度的監(jiān)測。

3.4.2 對于標(biāo)高監(jiān)測，采用幾何水準(zhǔn)法進(jìn)行測量，通過標(biāo)高變化情況，來評估橋梁結(jié)構(gòu)的變形；對于橋梁中線，采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測。

對于鋼混組合結(jié)構(gòu)簡支梁橋應(yīng)力測點應(yīng)選擇在跨中截面，另外對鋼混結(jié)合界面也應(yīng)布置適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬟M(jìn)行監(jiān)測。對于線形監(jiān)測應(yīng)在橋梁縱橫向均布設(shè)一定密度的測點，考慮施工過程測量的方便，可將工廠加工階段各測點布置于梁底，成橋后相應(yīng)測點移至梁頂面。對于溫度測點可選在跨中附近截面或支座附近截面埋設(shè)溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測。

3.5 施工誤差處理。

橋梁結(jié)構(gòu)的實際施工狀態(tài)與理想施工狀態(tài)總是存在著一定的誤差，即理論預(yù)測存在誤差。橋梁施工控制的主要目的是使施工實際狀態(tài)最大限度地與理想設(shè)計狀態(tài)相吻合。要實現(xiàn)實際與預(yù)測相吻合，就必須全面了解可能使施工狀態(tài)偏離理論設(shè)計狀態(tài)的所有因素，以便對施工過程進(jìn)行有效控制。

3.5.1 引起理論預(yù)測誤差的原因是多方面的，歸納起來主要有以下幾個方面：結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差、施工誤差、施工監(jiān)測誤差、結(jié)構(gòu)分析模型誤差及溫度變化不一致等。結(jié)構(gòu)參數(shù)是施工控制中進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工模擬分析的基本資料，它主要包括構(gòu)件截面尺寸、材料彈性模量、容重、熱膨脹系數(shù)、施工荷載、索力等，其正確性直接影響分析的結(jié)果。實際研究表明，模型誤差及設(shè)計參數(shù)誤差是引起大跨度橋梁施工控制的誤差主要因素之一。

3.5.2 對施工過程中的預(yù)測誤差將采取如下處理方案：

（1）采用準(zhǔn)確模型進(jìn)行施工過程的模擬仿真分析，以盡量較小模型誤差。

（2）比較實測值與理論預(yù)測值，若兩種誤差在允許范圍內(nèi)，則按原預(yù)測值繼續(xù)下一節(jié)段的施工，否則進(jìn)行第（3）步工作。

（3）進(jìn)一步分析誤差的原因，特別對實際的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行識別，采用較為準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，據(jù)此確定下一階段的施工參數(shù)，對今后的施工狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

4. 結(jié)語

鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁具有巨大的市場推廣潛力，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁其成橋狀態(tài)與施工過程密切相關(guān)，鑒于目前我國還沒有相關(guān)設(shè)計及施工規(guī)范，其施工監(jiān)控顯得尤為重要。本文詳細(xì)分析了鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的施工監(jiān)控策略，對該類橋型的施工監(jiān)控具有重要參考意義。

參考文獻(xiàn)

［1］ 邵長宇.《組合結(jié)構(gòu)橋梁的國際發(fā)展與國內(nèi)展望》.《橋梁》.2009年第3期/總第29期.

［2］ 向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］ 郝超.大跨度鋼斜拉橋施工誤差調(diào)整方法研究［J］，浙江大學(xué)學(xué)報，2003，37（3）.