預應(yīng)力混凝土梁拱組合體系橋梁施工監(jiān)控研究

摘 要：以深茂鐵路江茂段國道325特大橋施工監(jiān)控為背景，重點介紹了預應(yīng)力混凝土梁拱組合體系橋梁施工監(jiān)控的技術(shù)研究，包括全橋施工仿真計算分析、主梁撓度及吊桿索力的監(jiān)控控制方法。結(jié)合現(xiàn)場工作經(jīng)驗，給出了此類橋梁施工監(jiān)控的思路和對策。

關(guān)鍵詞：梁拱組合體系；施工監(jiān)控；計算分析；監(jiān)控控制

Abstract：Taking the construction monitoring of the 325 National Highway Grand Bridge on the Jiangmen-Maoming section part of Shenzhen-Maoming Railway as a background，it focuses on the technical study of bridge construction monitoring of prestressed concrete girder-arch system.This study includes the simulation analysis of the whole bridge construction，the deflection of main girder and monitoring control method of cable force.Combined with construction experience，the ideas and countermeasures on the construction monitoring of this kind of bridge were presented.

Key words：girder-arch combination system； construction monitoring； calculation analysis； monitoring control

緒論

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗可知，每個工程都會存在施工單位制定的施工方案是否合理、現(xiàn)場用于施工中的材料是否合格、以及施工隊伍對各個工序的實施是否到位等眾多的不確定因素，而這些不確定因素如果不加以嚴格把控，就會對成橋后的線形、合理受力產(chǎn)生不利影響。本項目深茂鐵路江茂段國道325特大橋，為預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁吊桿拱橋，屬大跨度超靜定結(jié)構(gòu)，同時本工程也受到了社會各方的高度關(guān)注，為此必須把工程質(zhì)量作為重中之重，在施工中應(yīng)及時采集需要的數(shù)據(jù)，實時掌握橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)，[1]還要將采集的數(shù)據(jù)參數(shù)運用到理論計算模型中，然后利用讀取的模型結(jié)果在施工過程中控制并調(diào)整主梁截面的立模標高和吊桿拉索索力，在主橋施工及吊桿張拉過程中必須進行嚴格的施工監(jiān)控，[2]減少理論設(shè)計與現(xiàn)場施工中存在的差異，使全橋線形及索力等相關(guān)指標滿足規(guī)范要求及設(shè)計意圖，最終符合使用需求。

工程概況

深茂鐵路江茂段國道325特大橋位于廣東省陽江市合山鎮(zhèn)境內(nèi)，中心里程DK240+894.175，起訖樁號：DK239+559.800～DK242+228.550全長2668.75m。在DK241+391.4～DK241+657.1以1聯(lián)（64.25+136+64.25）m連續(xù)梁拱跨越開陽高速公路那龍收費站A、B、C匝道，采用先梁后拱的施工方案進行建設(shè)實施。主梁為單箱雙室變高度箱形截面，梁高由3.5m～7.0m漸變，共設(shè)14組雙吊桿，拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場正式吊裝拱肋前，應(yīng)對吊裝設(shè)備系統(tǒng)進行負荷試驗。吊裝就位后，應(yīng)立即進行校正，并應(yīng)采取保證穩(wěn)定性的措施。[3]

3 施工監(jiān)控體系和施工監(jiān)控過程

施工監(jiān)控是服務(wù)于現(xiàn)場施工的，施工監(jiān)控的工作內(nèi)容應(yīng)緊密結(jié)合現(xiàn)場施工的實際情況。該橋的施工監(jiān)控內(nèi)容從總體上說包括三個方面：監(jiān)控建模計算、監(jiān)控現(xiàn)場量測、監(jiān)控實時控制。這三方面構(gòu)成施工監(jiān)控體系，相互之間提供參數(shù)，三者并不能完全分開。

施工監(jiān)控過程與施工過程是密不可分、相互對應(yīng)的，施工方應(yīng)首先編制詳細的施工組織計劃，提交給施工監(jiān)控方。在施工工序?qū)嵤┻^程中，采用多種量測手段和評估方法，對于結(jié)構(gòu)的重要性指標進行分析與判斷。若實測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)之間存在差異，需仔細分析其原因，進行誤差識別并及時修正，盡量將產(chǎn)生偏離的原因消除，避免產(chǎn)生誤差的逐漸累積，為下一個施工階段提供準確的監(jiān)控目標值，從而使工程施工質(zhì)量保持持續(xù)穩(wěn)定的提高。[4]所以，這種應(yīng)用于施工現(xiàn)場以理論設(shè)計值作為基準，通過實時維持施工現(xiàn)場實測值與設(shè)計值的動態(tài)平衡過程即構(gòu)成了施工監(jiān)控的全過程。

4 施工監(jiān)控工作內(nèi)容

4. 仿真計算分析

為實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的變形和受力分析，采用midas/civil有限元軟件進行施工跟蹤、建模計算分析。[5]在軟件中，建立梁單元來模擬主梁各節(jié)段及拱肋、橫撐，建立桁架單元來模擬吊桿，[6]建立的全橋三維有限元模型見圖1。

在模型中設(shè)置的施工階段主要是根據(jù)施工圖及施工組織設(shè)計文件確定的，詳細劃分見表1。

在理論建模時，主要依據(jù)設(shè)計文件、施工方案和相關(guān)設(shè)計規(guī)范中的規(guī)定進行參數(shù)的取值。計算參數(shù)是施工控制結(jié)構(gòu)模擬計算中最基本的資料，包括主梁彈性模量、梁體自重、外荷載重量及位置、溫度、梁長、混凝土收縮徐變影響等。施工中這些參數(shù)的變化是不可避免的，而因為參數(shù)的變化導致的施工誤差會極大的影響工程質(zhì)量。為了能最大限度的降低這種誤差，我們只有及時準確的了解現(xiàn)場情況，并力求真實的去修正計算模型，盡可能保證完美模擬現(xiàn)實的施工現(xiàn)場，再按修正后的模型計算預拱度，[7]通過以上過程重新擬合立模標高，最終達到標高控制的目的。

根據(jù)橋梁施工圖紙及相關(guān)施工指導性文件，對該橋進行理論建模模擬計算，通過模型可以直接讀取或是通過間接計算得出以下三個方面的結(jié)果：

（1）吊索初張力和調(diào)整索力；

（2）各施工梁段的主梁立模標高；

（3）各施工梁段相應(yīng)于其在各施工工序（混凝土澆筑完畢、張拉預應(yīng)力鋼筋的完畢和張拉吊桿拉索的完畢）的控制截面、測點的應(yīng)力、標高等理論值。

在實際施工時，利用以上三個方面的結(jié)果作為指導現(xiàn)場施工的理論依據(jù)，由施工監(jiān)控單位出具各施工階段的監(jiān)控指令，所有指令必須經(jīng)過監(jiān)控單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工單位的簽字確認后，方可作為正式指令下發(fā)以指導施工。[8]

按照設(shè)計意圖和上述施工步驟對大橋進行施工全過程的計算分析，因理論模型與橋梁實際狀況會有一定差別，在施工中要根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行適當修正，施工時應(yīng)以監(jiān)控指令為準。

4. 現(xiàn)場量測

用全站儀對主橋的軸線和里程進行測量，用電子水準儀對標高進行測量。[9]

4.2.1墩頂測量和基準點的設(shè)立

測定墩頂變位的方法是在每個橋墩墩頂布置測點作為水準點，并做好明顯標識和必要的測點防護，防止施工中遭到破壞。在該點設(shè)站，使用全站儀根據(jù)大橋兩岸的國家大地控制網(wǎng)測出該點的三維坐標，作為初始值。后續(xù)施工工況測得改點的變化量即為墩頂變位值。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性和準確定，每月至少組織一次水準點的復測、聯(lián)測工作。

4.2.2主梁撓度的測量

（1）測點布置：在每個施工梁段均預埋三根短鋼筋作為標高觀測點，位于懸臂端距梁端5cm處，用自噴漆標明編號，短鋼筋要求伸出混凝土面1.5～2.5cm，。主梁截面測點的位置見圖4中的“|”所示的位置。

（2）測量方法：用精密水平水準儀測量測點標高。

（3）測量頻率：對于每個施工梁段，按照施工工序，分別在澆筑混凝土前、澆筑混凝土后和張拉預應(yīng)力后對主梁的撓度進行測量。

（4）測量時間：測量時間宜在當天8時之前和18時以后或在溫度場較穩(wěn)定的時候進行。

（5）13～15號塊應(yīng)加測箱梁底板的撓度變形。

在測量過程中，因溫差變化會影響主梁撓度的變化，規(guī)律有助于確定待施工各節(jié)段預拱。為了確定該變化規(guī)律，本橋在實際測量中，刻意選擇溫差變化較大的天氣，選擇清晨溫度較低的時段開始，滿足連續(xù)12小時平均每間隔兩個小時監(jiān)測一次主梁撓度，并在記錄表中寫明當時的環(huán)境溫度，通過這樣的方式逐漸分析溫差變化較大時撓度變化的規(guī)律。

4.2.3吊桿索力的測量

吊桿索是吊桿拱橋的重要組成部分，并顯示了吊桿拱橋的特點，吊桿拱橋橋跨結(jié)構(gòu)的重量和橋上荷載，絕大部分通過吊桿傳遞。為了使全橋結(jié)構(gòu)合理受力，應(yīng)該嚴格將吊桿索力的實測值與理論值的差值控制在誤差容許范圍之內(nèi)。

此外，為保證施工控制的順利進行以及橋梁在運營期間的正確監(jiān)測，必須提高吊桿索力測定的準確率，因索力測定的不準確將嚴重影響全橋的施工控制效果。

實際工程中常見的測量索力的方法有三種，分別是壓力表量測法、壓力傳感器量測法和振動頻率量測法。壓力表法測定是最直接的方法，但精度不高，且難以滿足從施工架設(shè)直至竣工后的隨時、迅速、準確地測定索力的要求。壓力傳感器的測定精度較高，也易于長期觀測，缺點在于其成本較高，一般項目中通常不會被采用。振動頻率量測法是目前最常用的間接的索力測量方法，測量過程不會損傷纜索，并且測量結(jié)果精度很高，一般能夠?qū)⒄`差控制在3%以內(nèi)。該方法是將傳感器探頭固定在待測纜索上，通過傳感器獲取纜索在環(huán)境振動激勵下的振動信號，對振動信號進行濾波、放大、譜分析等精密計算后，能夠得到纜索的自振頻率，再通過自振頻率與索力的關(guān)系來確定索力。

應(yīng)用動力學普遍原理可建立均勻線密度的吊桿在無阻尼時的自由振動方程。[10]

式中，m為吊桿的線密度；u為橫向位移系數(shù)；x為縱向坐標；t為時間；T為張拉力；EI為吊桿的抗彎剛度。

顯然要求解以上方程非常困難，需要對其進行簡化。假定拉索兩端的邊界條件為固結(jié)且不考慮拉索的截面剛度，考慮通過橫向位移系數(shù)的擬合函數(shù)來推到出張拉力T的方程組：

本橋在施工過程中即應(yīng)用頻率法對吊桿索力進行測量，采用的儀器為JMM-268動測儀，現(xiàn)場測量人員通過該儀器可方便快捷地對吊桿的頻率進行實時測量，在儀器屏幕中即可直接讀取頻率值，根據(jù)頻率與索力的關(guān)系，可以計算得出相應(yīng)的索力。

4.2.4吊桿施工節(jié)點位移的測量

吊桿施工節(jié)點位移的測量方法是在吊桿拉索附近的主梁位置布置位移測點，每次關(guān)鍵張拉階段完成至少一小時后，利用全站儀對主梁上的位移測點進行測量。因吊桿施工節(jié)點位移測量在整個監(jiān)控工作中僅起到輔助作用，故對于此項測量方法不再贅述。

4.3 監(jiān)控控制及實測數(shù)據(jù)效果

（1）主梁撓度監(jiān)控控制：本項目對主梁撓度控制精度及原則主要有立模標高允許誤差為±3mm；局部線形要求相鄰節(jié)段的相對標高誤差控制在5mm在以內(nèi)；已澆梁段頂、底板的相對標高誤差控制在±15mm范圍；合龍前兩懸臂端的相對高差應(yīng)小于等于合龍段長度的1/100，同時應(yīng)滿足不大于15mm。

主橋施工過程中，嚴格按照施工指令進行施工，合龍精度滿足要求，底板沒有出現(xiàn)折線，線形平順，弧線美觀。本橋主梁撓度實測結(jié)果：各施工節(jié)段澆筑的階段的沉降實測值與理論值的差距均在15mm以內(nèi)；張拉階段的實測值與理論值的差值也控制在10mm以內(nèi)，中跨合攏時最大偏差僅為10mm，由以上結(jié)果可知，對主梁線形的施工控制取得了良好的效果。

（2）本橋吊桿索力經(jīng)過初張拉、二次張拉及調(diào)索，調(diào)索必須遵循一定原則，按照“均勻、對稱、分次、循環(huán)”進行。[11]調(diào)索完成后，需要將現(xiàn)場實際測量得到的索力值與通過理論計算得出的目標索力值進行對比，詳細見表2。

由上表可知，成橋后吊桿索力分布大致均勻，與設(shè)計值相差較小，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好。

（3）綜上所述，深茂鐵路江茂段國道325特大橋在施工過程中，結(jié)構(gòu)線形平順，吊桿受力合理，各個監(jiān)測控制點均未出現(xiàn)超限情況，所有誤差均在容許范圍，進一步在理論上驗證了該項目建設(shè)成果的高標準、嚴要求。

5 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，國家大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，伴隨著科學高效的施工技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模、大跨度、高難度的橋梁工程正與日俱增，對于建設(shè)者來說既是機遇也是挑戰(zhàn)。施工中各種不確定因素的增多，施工人員水平的結(jié)構(gòu)化配置是否合理，都給橋梁建設(shè)中的施工監(jiān)控提出了更嚴苛的要求，為了順應(yīng)時代的發(fā)展、科技的進步，施工監(jiān)控體系作為重要施工輔助手段尚應(yīng)繼續(xù)重視實施、創(chuàng)新發(fā)展。[12]本項目對深茂鐵路江茂段國道325特大橋的施工監(jiān)控任務(wù)已經(jīng)圓滿完成，達到了預期的效果，得到了業(yè)主的認可，驗證了本橋型施工監(jiān)控方案的可行性，同時對日后實施相近橋型的施工監(jiān)控任務(wù)提供了成熟的參考案例，具有廣泛的應(yīng)用價值。

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作者簡介：張強（1986-），男，工程師，現(xiàn)任職務(wù)：科員，畢業(yè)學校：中國石油大學（華東），所學專業(yè)：土木工程，主要從事橋梁工程設(shè)計與咨詢。