矮塔斜拉橋施工監控要點探討

謝軍 王龍林 于孟生

摘要：文章以某矮塔斜拉橋為項目依托，從控制點復核、主梁線形測量、應力測量、橋塔偏位測量、24 h監測等方面，探討矮塔斜拉橋施工監控關鍵技術要點，為類似橋梁工程施工監控提供參考。

關鍵詞：施工監控;斜拉橋;線形測量;應力測量;橋塔偏位

With an extradosed cablestayed bridge as the project support，this article discusses the key technical points of extradosed cablestayed bridge construction monitoring from the aspects such as control point review，main beam linear measurement，stress measurement，bridge tower deviation measurement and 24hour monitoring，thus providing the reference for similar bridge construction monitoring.

Construction monitoring;Cablestayed bridge;Linear measurement;Stress measurement;Tower displacement

0 引言

矮塔斜拉橋是由斜拉索、箱梁和橋塔組成的一種結構體系。由于其延續著連續剛構橋梁的受力特點且配合斜拉索作用，使得結構整體具有較好的剛度，同時使剛構橋跨中下撓問題得以一定的改觀，近年來備受市政橋梁的偏愛。多數學者在矮塔斜拉橋研究中側重于如何調整索力，如何控制高程和應力，而忽略了溫度、實測索力的差異對結構的聯合作用的影響[1-2]，分析側重理論。本文結合多年施工監控的經驗，以矮塔斜拉橋為項目依托，針對施工過程中監控關鍵技術要點進行闡述，從控制點復核、主梁線形測量、應力測量、橋塔偏位測量、24 h監測等多方面、全方位地進行綜述，可為以后的橋梁監控提供參考性建議。

1 橋梁概況

該橋為（90+165+165+90）m單索面三塔預應力混凝土矮塔斜拉橋。主跨布置按雙孔單向通航設計，橋寬30.5 m，梁高3.2～6.2 m，主塔為弧線形花瓶式塔，塔高22.0 m。全橋共計144根斜拉索，斜拉索梁上間距4 m，塔上理論索間距0.8 m。

主墩采用雙肢薄壁墩，圓端形承臺，樁基礎為2.2 m鉆孔灌注樁。主橋采用掛籃懸臂對稱澆筑的方法施工[3]，主橋基礎利用鋼管樁平臺施工基樁，利用鋼套箱封底。主梁為整幅單箱三室直腹板箱梁，箱梁頂板寬度為30.5 m，底板寬度為21.5 m，兩側各挑臂長度為4.5 m。橋面設置1.5%的雙向橫坡，梁底水平。箱梁根部梁高6.2 m，跨中及邊跨現澆梁段梁高3.2 m，其間梁底下緣以1.8次拋物線變化。

2 施工監控要點

施工監控是針對每段實際施工工序及施工監測獲取的數據，對橋梁進行實時平差、分析和驗算，并根據分析結果及時調整施工監控指令，以確保結構逐段施工符合設計要求。施工監控控制流程可以按照圖1執行。

2.1 控制點復核

施工監控進場時采用高精度全站儀復核河岸上基準控制點和主橋橋墩頂面基準點高程。主橋主梁施工到一定節段采用水準儀復核橋墩頂面基準點高程，以確保橋面標高基準點的統一。

2.2 主梁線形測量

主梁線形測量主要是針對主梁各節段控制點的標高進行觀測，并以階段性對主梁軸線偏位觀測為輔助。主梁線形測量監測斷面布設與箱梁縱向梁段劃分一致，每4 m（距墩中心第一個測點為5.5 m）設置一個。由于橋面較寬，標高觀測在每段主梁頂板橫斷面上采用3點控制，如圖2所示。測點采用16 mm的豎直鋼筋制作，鋼筋頂、底部分別與主梁頂板頂層和底層鋼筋焊接，以確保測點鋼筋穩固牢靠，鋼筋頂端磨圓露出混凝土表面1.5 cm左右，用油漆標記，并對測點進行統一編號，如圖3所示。若按圖中尺寸制作的鋼筋與箱梁預應力波紋管或施工機具沖突，可橫向適當挪動鋼筋頭位置（一般≤10 cm）。

2.3 應力監測

索塔主要承受斜拉索的豎向分力和橋塔兩邊拉索水平分力引起的彎矩，同時在施工過程中的施工荷載將使橋塔產生較大的變形與應力[4]。全橋共3個索塔，單個索塔根部截面布設4個觀測點。主梁在施工過程中將承受軸向壓力和變化彎矩的共同作用，因此在關鍵控制截面設置應力傳感器進行應力觀測。觀測時間在各施工階段前后進行，對于重要施工階段應進行實時監測。全橋主梁共布置10個應力監測截面，共164個觀測點。這些斷面主要監測主梁混凝土頂底板在施工過程、體系轉換過程、斜拉索張拉或索力調整過程、橋面鋪裝施工過程中的應力變化情況。應力監測一方面是監測各斷面在整個施工過程中的應力狀態是否正常，保證受力狀態處在安全可控的范圍之內;另一方面是將監測值與理論計算值進行對比以便于對施工過程中的各個參數進行識別和調整。主橋應力監測斷面見下頁圖4。

2.4 索力測試

斜拉索的張拉力直接影響主梁的內力和線形，斜拉橋索力是反映全橋內力狀態的重要指標，施工階段和成橋階段的索力測試是斜拉橋施工監控系統的主要工作之一。索力的測試通常將索力的通測和張拉索索力的單根測量相結合。在斜拉索張拉后對其進行索力測量能及時發現并糾正因施工工藝和技術產生的索力誤差，以評價索力和主梁內力狀態，研究誤差消除的對策。本橋對斜拉索采用振動頻率量測法，索力測試采用DH5906無線索力測試儀進行。

2.5 橋塔偏位測量

塔頂偏位是結構變形的一個重要指標。為保證塔區主梁混凝土澆筑之后以及斜拉索張拉后橋塔結構安全，需要在索塔頂部預埋棱鏡或貼反光片作為測點，以監測塔柱的偏位和標高[4]。本橋在索塔施工階段根據現場情況布置偏位測點進行測量，索塔偏位測點布置示意如圖5所示。

2.6 24 h主梁溫度、應力及線形監測

溫度影響是施工控制中較難掌握的因素，所以，在結構計算中一般不把溫度影響作為單獨工況，而是將溫度影響單獨列出，作為修正[5]。溫度影響包括日照溫差和年溫差兩部分，是斜拉橋施工控制中非常重要的因素。本橋在晴天和陰天分別對主梁8#節段、16#節段和20#節段（合龍前）進行24 h監測，8#節段24 h監測部分數據見圖6～8。

2.7 其它監控內容

預應力磨阻損失試驗、主梁立模高復核測量、掛籃變形測量、主梁和橋塔截面尺寸測量等。

3 有限元計算

橋梁結構分析計算采用Midas/Civil軟件進行計算。

3.1 模型建立

（1）材料：主墩采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土。

主梁及索塔采用C55混凝土，彈性模量Ec=3.55×104 MPa，γ容重=26 kN/m3。

（2）橋面系：防撞護欄容重取值γ=25 kN/m3，瀝青混凝土容重取為24 kN/m3，C50混凝土容重取為24 kN/m3。人行道板重取為每延米4.0 kN/m2，人群荷載取為3.0 kN/m2。

（3）混凝土收縮徐變按規范進行計算。

（4）汽車荷載按照公路Ⅰ級6車道進行加載，程序自動按影響線進行最不利加載得到結構最不利效應。主橋雙向六車道，折減系數0.55，人群荷載3 kN/m2。

（5）收縮徐變按10年達到收縮徐變終值考慮。

（6）溫度作用：箱梁合龍溫度取20 ℃，系統升溫、系統降溫各按20 ℃計。

（7）溫度梯度：按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）第4.3.10條取用。豎向梯度溫度效應以10 cm瀝青混凝土為基準，橋面板頂層升溫T1為14 ℃，底升溫T2為5.5 ℃，A=300 mm。豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5系數，頂板降溫T1為-7 ℃。

（8）墩臺不均勻沉降：相鄰墩臺間不均勻沉降，主墩下降5 mm。考慮以下假設：

① 截面變形符合平截面假設;

②混凝土、鋼筋為理想彈性材料，混凝土、鋼筋的彈性模量為常數。

采用有限元程序Midas/Civil進行計算，全橋主橋共建立594個節點，5個單元。計算模型如圖9所示。

3.2 計算項目

3.2.1 施工階段有限元分析

施工階段有限元分析包括成橋箱梁應力狀態、施工階段箱梁應力、施工階段斜拉索索力、施工階段索塔應力、箱梁預拱度計算、箱梁撓度計算結果等[6-7]。

3.2.2 成橋階段結構承載力驗算

按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）第4.1.6條和第4.1.7條分別進行承載能力極限狀態驗算和正常使用極限狀態驗算，并分別采用以下作用效應組合：

（1）承載能力極限狀態強度驗算：正截面抗彎強度驗算;斜截面抗剪強度驗算;斜拉索索力驗算。

（2）正常使用極限狀態驗算：正截面抗裂驗算;斜截面抗裂驗算;撓度驗算。

（3）持久狀況和短暫狀況構件的應力計算：正截面法向壓應力驗算;斜截面主壓應力驗算。

斜拉橋在橋面鋪裝后需要二次調索到目標索力，通過有限元計算采用影響矩陣法可以快速、準確地調整到設計值。

通過及時反饋數據修正模型，最終能夠很好地反映橋梁的真實應力和線形狀態[8-10]。

4 監控結果

（1）通過對主梁每節段立模標高進行調整，主梁每節段線形順暢，主橋合龍段標高滿足規范要求±20 mm以內[6]。

（2）通過及時采集主梁和橋塔截面應力并對其進行分析可知，在主梁混凝土澆筑和張拉及斜拉索張拉施工過程中未發現應力異常增加或減小的情況，施工過程控制截面受力合理。

（3）斜拉索索力偏差大部分滿足設計要求，在±2%以內，斜拉索索力最大偏差不超±5%。索力誤差偏大部分是因施工單位張拉工藝和技術限制所致。

5 結語

本文以實體工程中某矮塔斜拉橋為項目依托，針對施工過程中的監控關鍵技術要點進行闡述。通過主梁線形測量、應力測量、橋塔偏位測量、24 h監測等數據與理論數據校核分析，以有限元計算分析的應用來闡述矮塔斜拉橋監控要點，為以后類似橋梁監控積累了豐富的成功經驗，具有重要的意義。

通過對本橋線形的監測可知，懸臂合龍的中線位置誤差5 mm，≤10 mm;懸臂合龍的高程差10 mm，在±20 mm之內，橋面線形平順，滿足施工規范和設計要求。應力監測過程中未發現應力異常狀況，應力儲備良好，滿足施工和設計要求。監控過程中斜拉索初張拉力滿足設計和施工要求，索力無異常狀況，最終成橋索力滿足施工規范要求。

監控過程總結如下：

（1）主梁各施工工況的線形測量、應力測量必須保證在早上太陽出來之前即6[JX-+0.7mm]：[JX+0.7mm]00左右時間段進行，此時間段溫度較低且溫度變化小，可盡可能減小溫度對監控數據的影響。

（2）施工工況持續時間太久易造成較大應力測量偏差，因此對應力的測量盡量采用應力增量法進行控制。數據顯示采用此方法可使得實測應力更接近理論值，對施工的指導意義重大。

（3）嚴格控制每個階段的標高并和理論計算值對比，如發現某階段澆筑或張拉撓度異常，可及時總結找到原因指導施工。事實證明，主梁每個施工階段工況下標高偏差都能在合理范圍內，每節段立模標高值調整很小，對主梁的受力和順利合龍有很重要的影響。

（4）本項目索力測試采用頻率法，計算長度和實測索頻率對數據有一定影響，因此需要多次測量和去除現場不同因素的干擾，使測試值更加精確，能夠反映索力的真實狀態。當張拉索力超出規范允許偏差時，應及時調整。

（5）監控過程中需要建立模型理論分析，并且通過監測的已知數據進行實時分析、修正模型，從而達到實時跟蹤、預警的效果，很好地指導施工。此外監測數據可以為以后橋梁健康監測提供寶貴的原始資料信息，為大橋全壽命運營的管理提供有力的支持。

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