大跨度鋼桁架橋梁施工監控技術研究

孫步芹，艾祖斌，侯圣均

（1.上海同濟檢測技術有限公司，上海市 200092;2.中電建路橋集團有限公司，北京市100089;3.中電建路橋集團有限公司，北京市100089）

大跨度鋼桁架橋梁施工監控技術研究

孫步芹1，艾祖斌2，侯圣均3

（1.上海同濟檢測技術有限公司，上海市 200092;2.中電建路橋集團有限公司，北京市100089;3.中電建路橋集團有限公司，北京市100089）

以一個大跨度鋼結構人行天橋工程為實際案例，并進行詳細介紹了橋梁拼裝施工及成橋后卸載施工階段監控的技術重點和實施方法。采用大型有限元軟件ABAQUS進行橋梁變形模擬計算，通過施工時的澆筑過程的控制以及結構標高調整來獲得預先設計的應力狀態和幾何線形，并在施工中對橋梁結構進行實時監測，根據監測結果對施工過程中的控制參數進行修正。當計算模型與實際監測結果相吻合后，再用計算模型來指導后續的施工。

大跨度橋；鋼桁梁；施工監控；有限元法

0 引言

近些年來，隨著我國在基礎建設上的巨大投入，各種不同結構類型的橋梁不斷涌現，尤其是大跨度橋梁發展迅速。以前，施工技術多依靠工程人員長期的實踐經驗積累。人們在建造橋梁的過程中并沒有過多的考慮結構安全，“施工監控”這一概念也沒有被提及[1-7]。由于條件的限制，在橋梁施工過程中橋梁的安全往往得不到充分的保證，尤其在大跨徑橋梁的施工過程中，施工監控顯得更加重要。可以說，大型橋梁的施工過程是一個系統工程，系統中的各個部門是這個系統的組成單元，施工監控部門是確保橋梁施工安全最重要的單元，是為確保橋梁施工的安全與質量特殊設置的。

以一個大跨度鋼結構人行天橋工程為實際案例，詳細介紹了橋梁拼裝施工及成橋后卸載施工階段施工監控的技術重點和實施方法，為類似工程的施工監控提供了經驗和參考。

1 工程概況

人行天橋位于兩條道路的交匯處，兩條道路地下分別有下穿地道和地鐵。人行天橋將起到連接地鐵車站與大規模居住區跨越交叉點的作用，同時也能夠將四個角的商業辦公設施聯系起來，形成規模效應。

人行天橋平面呈橢圓形布置，橢圓長軸約為157.7 m，短軸約為105.4 m，主橋跨徑布置為（82.2+102.4+88.0+109.6）m，全長為 380.2 m，主橋寬度6.3 m（凈寬6 m）。天橋的建筑外形采用了空間結構形式，地面為橋面板，頂面由金屬面板覆蓋，兩側為高低錯落的桁架，桁架高度在3.15～7.85 m之間。

主橋下弦為箱型截面鋼管，腹桿和屋面弦桿為圓鋼管。節點采用剛節點相貫。根據不同的受力部位，鋼材采用Q420qD及Q345qC。下弦節點為箱型鋼梁與圓腹桿相貫連接，在鋼梁內部再加加勁板保證節點的剛度，上弦節點采用鑄鋼節點。天橋跨中起拱值：主桁架按恒載標準值加二分之一活載標準值所產生的撓度值起拱，每跨跨中起拱值均不同。橋跨中設TMD減振系統以解決橋梁人走振動。主橋支座采用固定鉸支座及滑動鉸支座形式。

2 橋梁施工監控思路及工作內容

2.1 監控思路

橋梁結構理想的幾何線形與合理的內力狀態不僅與設計有關，而且還依賴于科學合理的施工方法。如何通過施工時的澆筑過程的控制以及結構標高調整來獲得預先設計的應力狀態和幾何線形，是大跨橋梁施工中非常關鍵的問題。盡管在設計時已經考慮了施工中可能出現的情況，但是由于施工中出現的諸多因素，事先仍難以精確估計，而且在實際施工過程中由于施工誤差，會使實際結構與原設計不符。所以在施工中對橋梁結構進行實時監測，并根據監測結果對施工過程中的控制參數進行相應調整是十分重要的。

受施工過程中環境溫度、臨時荷載的影響，要得到比較準確的控制調整措施，必須先根據施工中實測到的結構反應來修正計算模型中的控制參數值，使得計算模型與實際結構磨合一段時間后，計算模型與實際結構相吻合后，再用計算模型來指導后續的施工，這就是自適應控制的基本原理。在閉環反饋控制的基礎上，再加上一個系統識別過程，整個控制系統就成為自適應控制系統，如圖1所示。

圖1 自適應控制系統基本原理圖

當測量到的結構受力狀態與模型計算結果不相符時，通過將誤差輸入到參數辨識算法中去調節計算模型的參數，使模型的輸出結果與實際測量到的結果一致，得到了修正的計算模型參數后，重新計算各施工階段的理想狀態。這樣經過幾個工況的反復辨識后，計算模型就基本上與實際結構相一致了，在此基礎上可以對施工狀態進行更好的控制。

橋梁施工監控關注的重點主要有以下幾個方面：

（1）空間結構的靜力受力分析，包括施工階段以及成橋狀態下結構的內力、變形。

（2）空間橋梁結構的動力性能分析，包括自振頻率、振型、阻尼比。

（3）分段吊裝過程中各個節段的預拱度分析。

（4）橋梁施工過程中臨時荷載對橋梁結構的影響。

（5）臨時支墩以及基礎的沉降對橋梁結構的影響。

（6）日照、溫度對橋梁結構的影響。

當上述因素與估計不符，而又不能及時識別引起控制目標偏離的真正原因時，必然導致在以后階段施工中采用錯誤的糾偏措施，引起誤差累積。所以施工監測和控制是大跨橋梁施工過程中不可缺少的工序。

2.2 拼裝及卸載階段的主要監控內容

成橋后的線形與設計線形在各測點的誤差均控制在規范規定和設計要求的范圍之內及成橋后的結構內力分布滿足設計及規范要求是本橋梁工程的施工監控主要目標。

根據對橋梁結構的分析以及施工監控的目標，確定橋梁施工監控主要的工作內容如下：

（1）橋梁結構控制及計算

a.全橋施工過程的仿真靜力計算；

b.誤差敏感度分析計算（溫度、臨時荷載、安裝誤差）。

（2）現場監測

a.基礎（主墩和臨時墩）沉降監測；

b.全橋施工過程中結構（鋼桁架、主墩）的應力監控監測；

c.全橋施工過程中結構（鋼桁架）的撓度監測。

（3）指導施工

根據現場數據采集及理論計算數據分析，確定下一步施工方案。

2.3 監測點的布置

（1）橋墩沉降監測

在橋梁4個永久橋墩和12個臨時支墩上布置沉降觀測點，每個永久橋墩布置4個測點，臨時橋墩附近布置2個測點，全橋共40個測點。在每個施工節段完成后以及施工期間定期進行測量。

（2）鋼結構坐標及撓度監測

按照與施工結合的原則，鋼梁撓度測點按照吊裝的分塊布設，中間進行加密。具體布設斷面如圖2所示，懸臂端18個斷面，每個斷面2個測點，如圖3、圖4所示，分別為下弦桿的內測點和外測點，合計36個測點。墩頂有5個支座，每個支座設2個測點，4個墩合計40個測點。

圖2 鋼結構節段劃分及控制斷面示意圖

圖3 下弦桿的內測點和外測點布置示意

圖4 撓度監測斷面及測點布置圖（每個節點均設測點）

鋼結構坐標監測節點為鋼結構吊裝前、吊裝后、支座落架、整體合龍前、整體合龍后。測量主梁和支座全部測點，采用全站儀進行觀測。

鋼結構高程監測的施工節點為鋼結構卸載、溫度影響、鋪裝人行道板、安裝頂棚、安裝阻尼器及TMD等。測點為主梁的下弦桿2個測點和支座上的測點，采用水準儀觀測。

（3）上部結構桿件應力監測

桁架桿件的應力監測，根據桁架連續梁橋的受力特點，應力監測斷面為支座位置、L/4、3L/4和跨中位置。主橋上下弦桿和腹桿均布置了應變測點（含內外側），全橋約130個測點，見圖5～圖7。鋼梁內力監測從節段現場制作完成開始，持續到工程竣工。具體監測節點為：鋼結構吊裝前、吊裝后、支座落架、后期鋼結構吊裝影響、溫度影響、鋪裝人行道板、安裝頂棚、拆除臨時墩、安裝阻尼器及TMD等。

圖5 應力監測斷面布點示意圖

圖6 上弦桿腹桿應變測點布置圖

3 監測數據分析

人行天橋主橋鋼結構的安裝分成17個立體分段，現場采用400 t履帶吊依次進行安裝，安裝過程除4個永久橋臺每個橋臺邊設置了2組臨時支撐外，橋臺外還設置了12組臨時支撐用于吊裝時分段的臨時擱置。天橋的現場拼裝工作結束后，整個天橋形成封閉連續的結構體系，然后進行臨時支撐體系的卸載工作，即由安裝過程臨時支撐體系承載轉換成4個橋臺上的永久支座承載的過程，見圖 8、圖 9。

圖8 4個永久橋臺外的臨時支撐（1#～12#）布置圖（長方形為永久橋臺、正方形為吊裝停機位）

圖9 橋臺臨時支撐布置位置

3.1 橋梁拼裝階段

3.1.1 變形預測

采用大型有限元軟件ABAQUS進行變形模擬計算，計算時考慮幾何非線性方法，考慮桿件自重、節點鑄鋼荷載、混凝土樓板自重（與設計圖紙一致）、并考慮施工活荷載1 kN/m2（需要根據實際施工活荷載大小調整），桿件布置和設計圖紙完全一致。為了簡化計算，4個混凝土柱墩采用支座進行模擬。吊裝9過程鋼結構位移和內力值如圖10所示，各吊裝階段最大豎向位移和最大應力預測見表1。

圖10 （1） 吊裝9過程鋼結構位移圖

圖10 （2） 吊裝9過程鋼結構內力值圖（示例：最后吊裝階段）

3.1.2 實測數據分析

由于安裝設備的初始狀態不好確定，鋼結構安裝過程施工監測只能控制拼裝點的坐標位置，無法測量安裝過程中的撓度和應力變化。以北跨鋼結構安裝過程的懸臂端坐標點測量值為例，見圖11與表2。

鋼結構節段支撐在臨時支撐上，拼裝過程主要控制節段鋼結構的坐標定位及高程控制。測量數據顯示，懸臂端坐標基本控制在20 mm以內。

表1 各吊裝階段最大豎向位移和最大應力預測

圖11 北跨施工鋼結構坐標測點圖

表2 北跨施工鋼結構坐標測量值表 m

3.2 卸載階段

本工程臨時支撐的卸載實際是將主橋鋼結構從吊裝過程多點支撐受力狀態轉換到設計狀態永久橋臺支座受力的過程。首先卸載橋臺上的臨時支撐，使主橋能夠落坐于橋臺的永久支座之上。其次進行橋臺間臨時支撐的卸載。

根據設計模型計算了整個卸載過程鋼結構的位移及應力變化值，作為卸載監控的理論指導。

3.2.1 變形預測

具體計算控制值如表3、圖12所示：

表3 各卸載階段最大豎向位移和最大應力預測

圖12 （1） 卸載4過程鋼結構位移值圖

圖12 （2） 卸載4過程鋼結構內力值圖

3.2.2 實測數據分析

（1）卸載過程中鋼結構撓度監測

卸載過程中，監測主梁的撓度，控制結構的變形。

主橋下弦桿每個節點處布置一個測點（含內外側），每個墩頂布置一個基準點（假設卸載過程中墩身無沉降）。

數據顯示卸載后撓度如下：東跨跨中-16 mm，南側跨中-100 mm，西側跨中15 mm，北側跨中-76 mm。南跨下撓數據明顯大于北跨，東跨下撓數據明顯大于西跨。監控分析認為造成上述結果的主要因素如下：a.四跨合龍的溫度各不相同，其中東跨合龍溫度最低、其次南跨和西跨，北跨合龍溫度最高。合龍溫度不同造成臨時支撐受力的不一致，其中溫度越低，后期下撓越大。所以，跨徑相當的南北跨，南跨下撓要大于北跨。b.橋面荷載的不均勻分布，南跨橋面上布置了一定數量的臨時荷載。

卸載后3 d內，鋼結構標高基本穩定，撓度變化在 1～2 mm。

（2）卸載過程鋼結構應力監測

卸載前后鋼結構上弦桿應力變化為39.2 MPa，下弦桿應力變化為38.6 MPa，腹桿最大為46.2 MPa。卸載3天后，結構應力基本穩定，變化不大。

卸載過程中，由于結構的不對稱性以及臨時荷載的堆放，造成各跨撓度的差異，但均未超過設計的最大允許值，應力值也在規范允許的范圍內。

4 結語

通過對某在建大跨度鋼桁架橋梁的施工監控，較為系統的闡述了該大橋在施工監控方面的全過程。重點介紹了有限元模型的建立、各工況的測點的選擇、應力計算、撓度計算，及臨時支撐結構卸載時的應力分析、誤差分析等方面，涵蓋了橋梁施工監控的重點和難點。通過施工監控，可以得到以下結論。

（1）節段拼裝過程中，鋼結構定位坐標滿足設計要求。

（2）卸載過程中，由于結構的不對稱性以及臨時荷載的堆放，造成各跨撓度的差異，但均未超過設計的允許值，應力值也在規范允許的范圍內。

（3）成橋狀態下，鋼結構跨中剩余預拱度值分別為東跨32 mm、南跨111 mm、西跨38 mm、北跨84 mm，滿足活載使用要求。

（4）經測試推算，安裝樓板完成后，鋼結構上弦桿最大應力值為104.4 MPa（拉），下弦桿最大應力值為95.2 MPa（拉），腹桿最大應力值為108.8 MPa（拉）。實測數據均小于理論計算值。

[1]CJJ 69-1995，城市人行天橋與人行地道技術規范[S].

[2]CJJ 11-2011，城市橋梁設計規范[S].

[3]CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設計規范[S].

[4]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[5]CJJ 2-2008，城市橋梁工程施工與質量驗收規范[S].

[6]GB 50205-2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

[7]李杰.大跨度鋼桁梁柔性拱橋施工應力監控研究[D].合肥：合肥工業大學，2012.

U445.1

B

1009-7716（2017）12-0129-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.036

2017-11-06

孫步芹（1972-），女，江蘇高郵人，工程師，從事建設工程檢測管理工作。