大跨徑鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控研究

段鋆 何佳

橋梁施工監(jiān)控不僅是橋梁施工技術(shù)的重要組成部分，而且也是實(shí)施難度相對(duì)較大的部分。對(duì)不同體系、不同施工方法、不同材料等的橋梁，其施工監(jiān)控技術(shù)要求也不一樣。

大跨徑鋼管混凝土拱橋是一種自架設(shè)體系結(jié)構(gòu)，與其他類(lèi)型橋梁不同的地方是它的剛度和強(qiáng)度是逐漸組合形成的，它的內(nèi)力狀態(tài)也是不斷變化的。在空鋼管拱肋架設(shè)過(guò)程中如果不加以控制和調(diào)整，拱肋的標(biāo)高將偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)，造成合龍困難，從而影響成橋的內(nèi)力和線(xiàn)形，而且在架設(shè)過(guò)程中也存在結(jié)構(gòu)整體、局部失穩(wěn)及內(nèi)力超標(biāo)現(xiàn)象，需要對(duì)此進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

總之，為了保證鋼管混凝土拱橋施工的安全和施工質(zhì)量，使橋梁各階段的內(nèi)力和線(xiàn)形最大限度地接近設(shè)計(jì)期望，需要進(jìn)行橋梁施工監(jiān)控。本文結(jié)合四川合江長(zhǎng)江一橋探討并研究了大跨徑鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控的主要內(nèi)容。

1 工程概況

合江長(zhǎng)江一橋位于成渝地區(qū)環(huán)線(xiàn)合江—納溪段公路LJ2合同段。全橋跨徑組合為10×20 m(引橋)+530 m(主孔跨度)+4×20 m(引橋);引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土帶翼小箱梁;主跨為鋼管混凝土中承式拱橋，橋面梁為“工”形格子梁，橋面板為鋼—混凝土組合橋面板，主橋吊桿間距為14.3 m。主橋長(zhǎng)530 m，引橋長(zhǎng)311.8 m，全橋長(zhǎng)840.89 m。在同類(lèi)型橋梁中，其跨度位居世界第一。橋面凈寬:2×10.75 m+2×1.75 m(人行道)+2×0.5 m(欄桿)+2 m(中央分隔帶)，全寬為28 m。大橋立面圖如圖1所示。

圖1 合江長(zhǎng)江一橋立面圖

拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，主孔跨度為530 m，凈矢跨比為1/4.5，拱軸系數(shù)為1.45。橋面梁由兩道主縱梁(吊桿處)、三道次縱梁、吊桿處主橫梁、吊桿主橫梁間設(shè)置的四道次橫梁組成格子橋面梁;主、次縱橫梁均采用“工”形截面。

2 施工監(jiān)控的目的及原則

2.1 施工監(jiān)控的目的

圍繞合江長(zhǎng)江一橋的成橋線(xiàn)形與內(nèi)力分布的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)，以大橋建設(shè)過(guò)程中的安全、進(jìn)度和質(zhì)量控制為準(zhǔn)則，根據(jù)大橋施工過(guò)程中對(duì)于各階段主拱肋標(biāo)高、軸線(xiàn)偏位、內(nèi)力(應(yīng)力)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值的差異，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要的修正，確保橋梁施工中的安全和順利合龍，并使結(jié)構(gòu)內(nèi)力處于最優(yōu)狀態(tài)，以及成橋線(xiàn)形符合設(shè)計(jì)及現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2 施工監(jiān)控的原則

合江長(zhǎng)江一橋施工監(jiān)控以線(xiàn)形控制為主，應(yīng)力監(jiān)控為輔(但要控制在允許的范圍內(nèi))。

2.2.1 線(xiàn)形監(jiān)控的原則

線(xiàn)形控制主要是主拱肋的標(biāo)高、拱肋橫向偏位和橋面標(biāo)高的控制。主拱肋線(xiàn)形主要是拱肋節(jié)段安裝過(guò)程中各個(gè)觀測(cè)高程點(diǎn)的控制，一方面要滿(mǎn)足成拱后的拱軸線(xiàn)形要求，另一方面要盡可能避免松索成拱后出現(xiàn)較大的馬鞍形。理想狀態(tài)為松索成拱后與一次成拱線(xiàn)形一致。由于制造、運(yùn)輸以及安裝誤差等影響，拱肋將產(chǎn)生一定的變形，鋼管成拱后拱軸線(xiàn)可能偏離設(shè)計(jì)的理想拱軸線(xiàn)，即拱肋在平面內(nèi)、外均存在初始的撓度。拱肋軸線(xiàn)橫向偏位調(diào)節(jié)依靠調(diào)整拱肋側(cè)風(fēng)纜長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)。橋面標(biāo)高是施工控制的另外一個(gè)監(jiān)控重點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)合江長(zhǎng)江一橋施工進(jìn)程，分析在當(dāng)前狀態(tài)下主拱的變形，并預(yù)測(cè)后續(xù)施工對(duì)主拱和吊桿變形的影響，計(jì)算出吊桿下料長(zhǎng)度，保證橋面線(xiàn)形的精度。

2.2.2 應(yīng)力監(jiān)控的原則

反映合江長(zhǎng)江一橋施工過(guò)程中受力的情況主要包括主拱截面的應(yīng)力和索力。鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)和體系是逐漸形成的，因此，在受力方面主要體現(xiàn)為應(yīng)力值的疊加，具體又反映在鋼管和管內(nèi)混凝土兩個(gè)方面。對(duì)此，可以通過(guò)在鋼管表面和管內(nèi)混凝土中埋設(shè)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)。纜索吊裝系統(tǒng)的扣索索力，主要是反映實(shí)際拱肋高程，索力越大，相應(yīng)的拱肋高程值也越大。從已有的監(jiān)控結(jié)果來(lái)看，扣索索力計(jì)算時(shí)需考慮扣索垂度的影響，一般采用Ernst公式進(jìn)行修正。實(shí)際的扣索索力可以通過(guò)索力儀來(lái)監(jiān)測(cè)。為了消除因設(shè)計(jì)參數(shù)取值的不確切所引起的施工中設(shè)計(jì)與實(shí)際的不一致性，應(yīng)在施工監(jiān)控過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)，建立準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型;考慮外界的環(huán)境因素(溫度、濕度等)、施工附加荷載等對(duì)實(shí)測(cè)應(yīng)力、變形的影響;考慮材料的收縮、徐變產(chǎn)生的應(yīng)力和變形測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)上述措施使所測(cè)得的應(yīng)力和變形能正確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)，從而為后續(xù)施工提供可靠的依據(jù)。

3 施工控制計(jì)算

由于橋梁的設(shè)計(jì)和施工中存在著這兩種既不相同又互相聯(lián)系的計(jì)算過(guò)程，并且在實(shí)際工作中這兩類(lèi)計(jì)算可能采用不同的計(jì)算模型。因此，首先要校核設(shè)計(jì)計(jì)算與施工控制計(jì)算的閉合性，在兩者計(jì)算結(jié)論基本一致的前提下，再開(kāi)展施工控制計(jì)算，否則，應(yīng)與設(shè)計(jì)人員一起核對(duì)兩種計(jì)算過(guò)程，找出并解決存在的問(wèn)題。

施工控制計(jì)算可分為兩個(gè)階段進(jìn)行:

第一個(gè)階段就是計(jì)劃工作階段，這個(gè)階段主要是考慮實(shí)際的施工步驟、方法、臨時(shí)結(jié)構(gòu)、臨時(shí)施工荷載等，做更真實(shí)的模擬，并進(jìn)行合理的調(diào)整，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出拱肋、主梁安裝預(yù)測(cè)位置等。第二個(gè)階段是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算階段，這個(gè)階段的主要工作是在前一個(gè)階段工作的基礎(chǔ)上，隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)參數(shù)、誤差分析結(jié)果等對(duì)模型進(jìn)行修改，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工控制目標(biāo)進(jìn)行必要的調(diào)整。

4 施工監(jiān)測(cè)

施工監(jiān)測(cè)就是通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立的實(shí)時(shí)測(cè)量體系，對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移(線(xiàn)形)、索力和溫度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，為施工監(jiān)控工作提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以保證橋梁施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全。也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和比較以判斷結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計(jì)的要求，結(jié)構(gòu)的狀態(tài)是否和監(jiān)控的目標(biāo)相一致，結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)，并根據(jù)需要對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)及監(jiān)控目標(biāo)作出必要的調(diào)整。

合江長(zhǎng)江一橋的施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由應(yīng)力、幾何、索力、溫度等參量，主拱、主梁、扣索、吊桿、吊塔系統(tǒng)等構(gòu)件(施工設(shè)施)組成。

4.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)是一個(gè)重要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，可知道結(jié)構(gòu)受力狀況，及時(shí)判定結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否超限，從而可知道結(jié)構(gòu)的安全狀況。該項(xiàng)監(jiān)測(cè)在每一個(gè)重要的施工階段都要進(jìn)行，并貫穿整個(gè)施工過(guò)程。

合江長(zhǎng)江一橋的應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要包括主拱、橋面系、吊塔、扣塔等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置原則是對(duì)關(guān)鍵部位重點(diǎn)、詳細(xì)測(cè)試，并布置一定的校核點(diǎn)，對(duì)其他部位的測(cè)點(diǎn)，參照施工控制計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，并結(jié)合關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主拱拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)是應(yīng)力監(jiān)測(cè)中的重點(diǎn)，拱肋測(cè)點(diǎn)一般應(yīng)布置在兩個(gè)拱腳，拱頂，L/4，3L/8，3L/4 等處。

4.2 幾何監(jiān)測(cè)

幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)的主要目的是獲取或識(shí)別已成結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)，及時(shí)直觀地評(píng)價(jià)橋梁施工狀態(tài)，為施工控制的線(xiàn)形誤差提供測(cè)試數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)幾何監(jiān)測(cè)是施工監(jiān)控中最重要的反饋指標(biāo)之一。在每一主要施工工況作用前后，都需采用全站儀對(duì)各控制點(diǎn)的標(biāo)高和位移進(jìn)行測(cè)試。

合江長(zhǎng)江一橋的幾何監(jiān)測(cè)主要包括水準(zhǔn)點(diǎn)和控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)、主拱線(xiàn)形監(jiān)測(cè)、拱座及地錨水平位移測(cè)試、扣塔和吊塔的偏位監(jiān)測(cè)。

4.3 索力監(jiān)測(cè)

合江長(zhǎng)江一橋扣塔和吊塔是該橋施工中最主要的臨時(shí)設(shè)施，索力的大小直接關(guān)系到拱肋安裝中節(jié)段高程、塔頂水平偏位以及松索成拱拱肋的變形。

在試吊和拱肋安裝過(guò)程中，每吊裝一個(gè)節(jié)段就應(yīng)監(jiān)測(cè)一次索力，索力的監(jiān)測(cè)將貫穿整個(gè)拱肋的安裝過(guò)程，直至扣索拆除。在橋面系安裝時(shí)，要同步監(jiān)測(cè)吊桿索力，直至橋面鋪裝完成。

4.4 溫度監(jiān)測(cè)

溫度對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、線(xiàn)形具有重要的影響，特別是鋼管混凝土拱橋，溫度對(duì)其位移的影響很顯著。通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)，可以分析并預(yù)測(cè)溫度對(duì)施工過(guò)程中主拱變形的影響和對(duì)主橋施工階段的影響，以確保本橋跨季節(jié)施工和全天候施工。

關(guān)鍵施工工序比如主拱合龍前需要進(jìn)行24 h連續(xù)測(cè)量，本橋設(shè)計(jì)合龍溫度在18℃左右，依據(jù)記錄的溫度，在比較穩(wěn)定的溫度區(qū)段，選擇合適的溫度進(jìn)行合龍。

5 施工控制實(shí)施體系

施工監(jiān)控是一項(xiàng)具有較大難度的施工技術(shù)問(wèn)題，它涉及監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工單位的實(shí)際工作內(nèi)容，應(yīng)由各方成立施工監(jiān)控領(lǐng)導(dǎo)小組，分析并解決施工控制過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。施工控制實(shí)施體系如圖2所示。

圖2 施工控制實(shí)施體系圖

6 結(jié)語(yǔ)

為避免突發(fā)事故的出現(xiàn)，按期、安全地建成一座橋梁，施工監(jiān)控是有力的保證。同時(shí)，高效、團(tuán)結(jié)、協(xié)作的團(tuán)隊(duì)是監(jiān)控技術(shù)方案的重要保證措施。在大跨徑鋼管混凝土拱橋施工過(guò)程中，應(yīng)建立有效的施工監(jiān)控系統(tǒng)，按照施工的進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)，保證施工的安全和精度。

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