連續(xù)鋼桁梁橋施工監(jiān)控技術(shù)研究

陳 強(qiáng)，王戰(zhàn)國(guó)，張德海

（1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢430010；2.寧波杭州灣新區(qū)開發(fā)建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315336）

0 引言

橋梁施工監(jiān)控是對(duì)施工過(guò)程中的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和調(diào)控，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)測(cè)試，有限元軟件的計(jì)算分析及成橋狀態(tài)預(yù)測(cè)得出合理的反饋控制措施，確保橋梁系統(tǒng)處于可控狀態(tài)，保證橋梁的施工安全與施工進(jìn)度計(jì)劃，為施工過(guò)程提供決策技術(shù)依據(jù)，為結(jié)構(gòu)行為控制提供理論數(shù)據(jù)，也為結(jié)構(gòu)受力提供預(yù)警，從而全面正確地指導(dǎo)施工，確保施工成橋狀態(tài)線形、內(nèi)力與設(shè)計(jì)目標(biāo)值相符，有效地控制橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

1 工程概況

本文以濱海大道跨十塘橫江橋?yàn)檠芯勘尘埃摌驗(yàn)槿邕B續(xù)鋼桁梁橋，橋長(zhǎng)224m，橋梁寬度為41.5m，整幅布置。主橋上部結(jié)構(gòu)為（62+100+62）m，三跨連續(xù)鋼桁梁，橫斷面采用兩片主桁布置，主桁中心間距25.8m。主桁下弦為平直線，主桁上弦采用二次拋物線變高，中間支點(diǎn)處桁高為18m，跨中及梁端桁高為7m。圖1所示為濱海大道跨十塘橫江橋立面示意圖。

2 施工監(jiān)控方法及工作內(nèi)容

2.1 施工監(jiān)控方法

圖1 濱海大道跨十塘橫江橋立面示意圖（單位：cm）

該橋?qū)儆谶B續(xù)鋼桁梁橋，在施工過(guò)程的每一環(huán)節(jié)中，需嚴(yán)格保證各個(gè)構(gòu)件內(nèi)力、截面應(yīng)力均不得超出規(guī)范規(guī)定值[1-3]。連續(xù)鋼桁梁橋的施工監(jiān)控就是在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求下，對(duì)橋梁施工各個(gè)環(huán)節(jié)主要控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，形成參考數(shù)據(jù)，指導(dǎo)下一階段施工，對(duì)結(jié)構(gòu)幾何變形、應(yīng)力進(jìn)行雙控，使成橋線形和內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求[4]。通過(guò)施工監(jiān)控對(duì)成橋目標(biāo)進(jìn)行有效控制，修正在施工過(guò)程中各種影響成橋目標(biāo)的參數(shù)誤差，確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)目采用的施工監(jiān)控方法為自適應(yīng)控制方法[5]，該控制方法全面考慮橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和設(shè)計(jì)目標(biāo)，在閉環(huán)反饋的基礎(chǔ)上，增加系統(tǒng)辨識(shí)過(guò)程，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)發(fā)現(xiàn)偏差，把發(fā)現(xiàn)的誤差輸入?yún)?shù)識(shí)別算法，程序可以自動(dòng)結(jié)算計(jì)算模型的參數(shù)，并對(duì)模型做出適應(yīng)性修正（仿真），使模型輸出結(jié)果與當(dāng)前狀態(tài)盡量一致后，重新計(jì)算以后各施工階段理想控制狀態(tài)，按照反饋信息對(duì)結(jié)構(gòu)后續(xù)工程、工序進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整控制，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的全過(guò)程仿真。仿真分析自適應(yīng)橋梁施工監(jiān)控程序編制的基本原理如圖2所示。

2.2 施工監(jiān)控內(nèi)容

該橋施工過(guò)程中構(gòu)件受力狀態(tài)多變，要保證橋梁施工過(guò)程的安全，必須采用合理的計(jì)算方法和施工監(jiān)控方法來(lái)確定橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中每一階段在受力和變形方面的理想狀態(tài)，使各施工工況及最終的成橋線形和受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

圖2 基于自適應(yīng)原理仿真施工控制程序編制原理示意圖

2.2.1 橋梁施工計(jì)算內(nèi)容

（1）成橋狀態(tài)線形和內(nèi)力控制目標(biāo)；（2）鋼桁架節(jié)段的定位坐標(biāo)；（3）鋼桁架在各施工階段下的線形和內(nèi)力；（4）鋼桁架在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性計(jì)算；（5）橋面縱橫梁各施工階段下的線形和內(nèi)力；（6）溫度影響計(jì)算；（7）鋼桁架線形的敏感性分析；（8）合龍階段的線形調(diào)整計(jì)算；（9）施工過(guò)程中施工誤差分析；（10）成橋后線形和內(nèi)力狀態(tài)分析；（11）附屬工程階段的線形調(diào)整計(jì)算。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

施工監(jiān)測(cè)是施工監(jiān)控的基礎(chǔ)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)監(jiān)測(cè)、幾何狀態(tài)監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等幾個(gè)部分。主要通過(guò)在結(jié)構(gòu)的主要監(jiān)測(cè)部位埋設(shè)各種性能的傳感器和相關(guān)的測(cè)試儀器獲得大量的數(shù)據(jù)，利用高效計(jì)算機(jī)程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，確定每一階段的施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)橋跨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期值，保證施工質(zhì)量和安全。

（1）變形測(cè)試

變形監(jiān)測(cè)的目的主要是獲取已形成的結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何狀態(tài)，對(duì)施工控制、預(yù)報(bào)非常關(guān)鍵。其中包括：鋼桁架線形監(jiān)測(cè)、橋面縱橫梁線形監(jiān)測(cè)等。監(jiān)測(cè)關(guān)鍵截面為：支點(diǎn)截面、邊跨1/4跨截面、邊跨跨中截面、中跨跨中截面、中跨1/4跨截面、中跨1/8跨截面。

（2）應(yīng)力測(cè)試

鋼構(gòu)件在施工過(guò)程中要經(jīng)歷多種受力狀態(tài)，因此，對(duì)鋼桁架、橋面縱橫梁的應(yīng)力監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，在鋼桁架及橋面縱橫梁上布置若干應(yīng)變片來(lái)保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。在濱海大道跨十塘橫江橋鋼桁架的架設(shè)過(guò)程中，測(cè)試關(guān)鍵受力桿件應(yīng)力，并與監(jiān)控計(jì)算值進(jìn)行比較，及時(shí)采用相應(yīng)施工措施控制調(diào)整，確保大橋安全優(yōu)質(zhì)地架設(shè)完成。

（3）穩(wěn)定性監(jiān)側(cè)

濱海大道跨十塘橫江橋是一種主要由拉壓桿件組成的空間桿體系。對(duì)于該體系的失穩(wěn)現(xiàn)象表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)。針對(duì)以上兩種在施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的失穩(wěn)狀態(tài)需進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證橋梁施工的安全進(jìn)行。

（4）溫度影響測(cè)試

由于溫度對(duì)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力的影響均較為顯著，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可以分為均勻溫度影響與非均勻溫度影響，均勻溫度影響指整個(gè)結(jié)構(gòu)均處于相同的溫度場(chǎng)下，非均勻溫度指結(jié)構(gòu)各部分由于日照或熱傳導(dǎo)速度的影響造成各部分溫度不一致的情況。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

2.3.1 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

變形監(jiān)測(cè)的目的主要是獲取已形成的結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何狀態(tài)，對(duì)施工控制、預(yù)報(bào)非常關(guān)鍵。其中包括：鋼桁架線形監(jiān)測(cè)、橋面縱橫梁線形監(jiān)測(cè)等。主梁變形測(cè)量在每個(gè)關(guān)鍵截面處布置不少于5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，關(guān)鍵截面為：支點(diǎn)截面、邊跨1/4跨截面、邊跨跨中截面、中跨跨中截面、中跨1/4跨截面、中跨1/8跨截面，測(cè)試截面布置示意如圖3所示。

圖3 鋼桁架監(jiān)測(cè)測(cè)試截面總體布置圖（單位：cm）

2.3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

主桁上弦、下弦及腹桿桿件均采用焊接箱型截面。主要對(duì)結(jié)構(gòu)支點(diǎn)處、跨中1/2處、1/4處高應(yīng)力桿件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。全橋鋼桁架選取17個(gè)關(guān)鍵截面作為應(yīng)力測(cè)試截面，測(cè)試截面布置示意如圖4所示。

圖4 鋼桁架監(jiān)測(cè)測(cè)試截面總體布置圖

3 主要結(jié)果及分析評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算結(jié)果

濱海大道跨十塘橫江橋采用M id a s進(jìn)行模擬，桁架結(jié)構(gòu)全部采用梁?jiǎn)卧M，橋面板采用板單元模擬。全橋共6 026個(gè)單元；梁?jiǎn)卧? 076個(gè)，板單元共1 950個(gè)。空間模型結(jié)構(gòu)離散圖如圖5所示，有限元計(jì)算結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖5 空間模型結(jié)構(gòu)離散圖

（1）變形計(jì)算結(jié)果

圖6 荷載作用下弦變形圖（單位：mm）

圖7 荷載作用腹桿軸線變形圖（單位：mm）

（2）應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖8 荷載作用下弦底板應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖9 荷載作用腹桿軸線應(yīng)力圖（單位：MPa）

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2.1 變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖10可知，下弦桿實(shí)際安裝標(biāo)高與理論值差值平均10mm以內(nèi)，滿足施工監(jiān)控精度要求。由圖11可知，在上弦桿拼裝完成后，主桁架變形平均在-1mm左右，滿足施工監(jiān)控精度要求。

圖10 梁段安裝誤差分析圖（單位：mm）

圖11 下弦桿變形圖（單位：mm）

由圖12可知，在中跨合龍段主梁支架未拆除，其余支架拆除情況下，主桁架變形最大在30mm左右，理論計(jì)算在支架全部拆除完成后變形為60mm左右，現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)在變形在理論變形范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全。由圖13可知，主桁架橋面鋪裝及附屬設(shè)施施工完成后，主桁架變形從支架拆除到二期過(guò)程中累計(jì)實(shí)測(cè)位移與模型計(jì)算基本吻合，現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)在變形在理論變形范圍內(nèi)，滿足施工監(jiān)控誤差要求。

圖12 濱海大道橋支架拆除后主桁架變形圖（單位：mm）

圖13 二期鋪裝完成后主桁架累計(jì)變形圖（單位：mm）

3.2.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖14可知，在施工過(guò)程中，截面下弦應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，符合結(jié)構(gòu)安全。

3.2.3 成橋線型監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖15可以看出，濱海大道跨十塘橫江橋主橋鋪裝完成后，主梁線形平順性良好，滿足施工監(jiān)控精度要求。

圖14 截面下弦應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖15 濱海大道橋主橋鋪裝完成后線形（單位：mm）

4 結(jié) 論

該橋施工控制根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程，匯總得到如下結(jié)論和建議：

（1）濱海大道跨十塘橫江橋?yàn)榇罂玟撹旒苓B續(xù)梁橋，其施工中的不確定因素復(fù)雜，工期較長(zhǎng)，工序眾多。最終本橋合龍偏差滿足設(shè)計(jì)、監(jiān)控及相關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)力（內(nèi)力）水平與設(shè)計(jì)計(jì)算值較好吻合，橋梁施工監(jiān)控工作成果總體上達(dá)到了監(jiān)控預(yù)期的“橋梁內(nèi)力狀態(tài)、線形接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，滿足規(guī)范要求”目的。

（2）全橋各梁段的線形（高程）滿足監(jiān)控要求，整體平順性良好，相鄰階段絕對(duì)誤差滿足施工監(jiān)控精度要求。主桁架關(guān)鍵部位桿件應(yīng)力值與理論值相符，且在結(jié)構(gòu)安全范圍以內(nèi)，滿足規(guī)范及施工監(jiān)控要求。

（3）建議主桁架腹桿及上弦拼裝從主墩處即門式框架位置處開始拼裝，并對(duì)其拼裝精度進(jìn)行控制，拼裝完成后再進(jìn)行橋面板的焊接工作，避免下弦桿因橫梁等桿件重量而發(fā)生橫向傾斜扭轉(zhuǎn)，造成腹桿及上弦拼裝誤差過(guò)大。

綜上所述，濱海大道跨十塘橫江橋桁架施工過(guò)程中，監(jiān)控單位各項(xiàng)工作順利有效地實(shí)施，為濱海大道跨十塘橫江橋的順利竣工提供了有利的支持。主桁架內(nèi)力和結(jié)構(gòu)變形均得到了較好的控制，結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控表現(xiàn)良好，結(jié)構(gòu)線性平順美觀，濱海大道跨十塘橫江橋施工全過(guò)程屬于受控狀態(tài)，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)成橋指標(biāo)表現(xiàn)良好。