橋梁施工監控的必要性和目的

葛海燕

(黑龍江省水利四處工程有限責任公司，黑龍江牡丹江157000)

1 工程概況

郁江主橋跨度布置為:(36+96+228+96+36)m，全長492 m。本橋為雙索面斜拉鋼桁連續梁橋，主梁為下承式鋼桁梁，斜拉索采用平行鋼束體系，錨固于主桁上弦節點，全橋為半漂浮體系，281～286號墩頂設有豎向支座，主塔與主梁間采用縱向阻尼約束體系，設置縱向阻尼器。斜拉橋主梁為鋼桁梁，三角形桁架，兩片主桁，桁間距15 m，桁高14 m，節間長度12 m。下弦平面采用正交異性鋼板的整體道碴橋面結構，鋼橋面板與帶整體節點的主桁下弦桿通長連接，共同承受主桁內力。主塔塔高為102.5 m，其中桁梁以上塔高49.5 m，桁梁以下塔高40 m，采用 C50鋼筋混凝土結構，每邊設置8對拉索，主塔基礎為20根Φ2.5 m的鉆孔樁，283#、284#主墩位于河水中。

2 施工監控的必要性

橋梁施工監控不僅是橋梁施工技術的重要組成部分，也是確保橋梁施工宏觀質量控制的關鍵及橋梁建設的安全保證，它在施工過程中起著安全預警、施工指導以及優化施工方案的作用。

橋梁在施工(安裝)過程中結構體系將隨施工階段不同而變化，現場施工荷載狀況、外界環境條件也是不斷變化的，結構內力也隨之發生變化。而結構的實際內力值與設計的理論內力值之間及結構的實際變位值與設計變位值也存在差異，使得實際橋梁在施工過程中的每一狀態不可能與設計狀態完全一致，造成實際狀態與設計狀態不一致的主要因素有:

1)設計時設計參數的取值不可能與實際結構一致，比如結構自重、截面尺寸、混凝土彈性模量、施工荷載、索力和預應力等均是具有隨機性的幾何和物理常數，與設計值相比將或多或少地有所變化;

2)環境因素諸如溫度、濕度的影響;

3)施工誤差的影響;

4)結構計算模型簡化和計算誤差的影響;

5)量測誤差的影響。

上述這些因素的影響在設計階段一般沒有也無法完全考慮和計及，只有在施工過程中根據結構的實際反應予以考慮，并需要在施工過程中對內力及變位進行監測監控，及時掌握結構實際狀態，對施工步驟及控制條件作出調整，防止施工中的誤差積累，保證成橋線形與結構安全。若不在施工過程中實施有效的控制，就有可能由于誤差的積累致使成橋后結構的整體受力狀態及線形嚴重偏離設計目標而影響結構的可靠性。因此，開展本項目的工作將具有重要的意義。

斜拉橋是高次超靜定結構，每個節點位置的變化都會使施工線形偏離設計值，導致結構內力重新分配，使成橋內力偏離設計值。鋼桁梁、索塔和拉索之間剛度相差十分懸殊，受拉索垂度、溫度變化、風力、日照的影響、施工臨時荷載等復雜因素干擾，使力與變形關系變得十分復雜，施工中雖可以采用多種計算方法，算出各施工階段或步驟的索力和相應的梁體變形，但根據理論計算所給出的索力、線形指導施工時，構的實際變形卻未必能達到預期效果。斜拉橋在施工中表現出來的這種理論與實際的偏差具有累積性，如不及時加以有效控制和調整，隨著鋼桁梁懸臂施工長度增加，鋼桁梁標高最終會顯著偏離設計目標，造成合龍困難，影響成橋的內力和線形。

本項目將以南廣高鐵郁江雙線特大橋為控制對象，對其施工過程中結構的受力和變形進行有效的監測和控制，通過施工過程的數據采集和優化控制，從而為該橋的成功、順利修建提供卓有成效的技術支持，為該橋的順利投入運營和長期監控提供可靠的依據。

2.2 施工監控的目的

通過施工現場的結構測試，跟蹤計算分析及成橋狀態預測，得出合理的反饋控制措施，為施工過程決策提供技術依據，也為結構行為控制提供理論數據。

1)確保大橋施工過程結構的安全，實現鋼桁梁高精度合龍。驗證施工工序的可行性，在保證結構安全的基礎上為施工提供更為方便、經濟的施工方法。

2)使成橋后結構內力盡量逼近最優狀態。

3)使成橋線形盡量逼近設計線形。

2.3 施工監控理念

郁江雙線特大橋屬于高次超靜定結構，是由塔、梁、索三者共同組成的一個平衡體系，任何一方面狀態的改變都會影響結構內力分配和主梁線形的變化，且施工中的每個工況的結構體系及荷載條件都不盡相同，結構的內力和變形也隨之不斷變化。同時由于橋梁結構的實際參數(如材料屬性等)與設計值存在一些差異，加上現場施工荷載及環境變化的不確定性，將會使結構的應力狀態和線形偏離設計值，這種偏離不僅影響橋梁的合龍，還會危及施工過程中結構的安全。

對于郁江雙線特大橋這種結構復雜的大跨度鋼桁梁斜拉橋，要實現施工控制的目標，必須實施行之有效的測試手段和控制方法。在該橋的施工控制中我們將采用先進的測試元件與儀器，以保證儀器本身的測試精度，并科學合理的選擇測試時間與測試頻率，以減少或分離日照和氣溫對現場測試與控制的影響，同時采用控制系統進行參數估計，并進行施工穩定性評價，使模擬的計算過程逐漸適應該橋的施工狀態。通過采取以上測試與控制手段，為施工控制目標的實現提供了強有力的保障。

在郁江雙線特大橋施工過程中，橋梁的實際狀態與理想狀態必然會存在一定的偏差。施工中結構偏離目標的原因涉及的范圍極其廣泛，包括設計參數誤差(如材料特性、截面特性、主塔混凝土徐變系數等)、施工誤差(如制造誤差、索力張拉誤差等)、測量誤差、結構分析模型誤差等。為了分析并減小這些誤差，需要運用現代控制理論，把橋梁施工全過程看作為一個復雜的動態過程，根據結構理想狀態、現場實測狀態和誤差信息狀況進行誤差分析，并制定可調變量的最佳調整方案，指導施工現場調整作業，使結構施工的實際狀態趨于預定理想狀態。在此基礎上，可根據當前結構狀態進行正裝計算，預告今后施工可能出現的應力和變形狀態及提供下一階段的施工控制參數(索力、線形值等)。這就是施工控制的兩大任務:即結構的前期預報和后期調整。由于每步施工都會引入新的誤差，因此前期預報與后期調整是一個不斷循環前進和消除內力和線形偏差的過程。

針對郁江雙線特大橋的結構及施工特點，我們采用的控制理念將會融合自適應控制和預測控制優點，以使施工偏差最小為目標。根據施工全過程中實際發生的各項影響橋梁應力、變形和索力的參數，結合施工過程中測得的各階段索力、應力與變形數據，及時分析各施工階段中實測值與設計預測值的差異并找出原因，提出修正對策，以協助施工單位安全、優質、高效地進行施工，并確保在全橋建成以后橋梁的內力狀態、線形狀態與設計盡量相符。

［1］中南大學土木工程檢測中心.南廣高鐵郁江雙線特大橋施工監控方案［R］.長沙:中南大學土木工程檢測中心，2009.