下承式系桿拱橋施工監控技術

(中南林業科技大學 湖南 長沙 410000)

一、工程概述

蒸潭橋位于衡陽高新區陸家雨母片區，東起蒸潭路，西至柿江河西岸，是連通柿江河東岸與西岸的重要通道。橋位位于1#水壩上游。上部結構采用兩道鋼箱拱肋+箱梁截面組合而成，拱軸線為2次拋物線，計算跨徑為87.6m，矢跨比f/L=20/87.6=1/4.38，拱圈高2.0m，寬1.75m。混凝土拱腳處寬2.4m，吊桿間距5m。邊跨采用箱梁截面，梁高2m。橋梁總寬32m，整幅布置，主跨橫梁梁高2m，橫坡由結構形成，懸臂長2.44m，橋面鋪裝為防水層和4.0cm細粒式SBS改性瀝清硅AC-13C+6.0cm厚中粒式瀝清混凝土AC-20。全橋尺寸如圖1所示。

圖1 全橋立面圖與剖面圖

二、施工監控原則內容及結果分析

(一)施工監控原則

混凝土系桿拱橋成橋線形符合設計要求及系梁和拱肋應力在安全范圍之內是施工監控的基本原則。

施工監控主要是通過對施工過程的實時監控，實時調整、修正所有影響成橋目標實現的因素，保證橋梁施工過程安全和設計成橋狀態目標的實現，確保成橋后結構受力和線形滿足設計要求。在混凝土系桿拱橋的整個施工過程中對系梁和拱肋的標高、軸線和應力進行控制。系梁施工階段以控制標高和軸線為主，拱肋及吊桿張拉施工階段以控制系梁、拱肋標高和軸線為主，以確保施工安全。

通過現場監測和監控計算等手段，對全橋施工過程中的結構內力和位移狀態進行有效地監測、分析、計算和預測，為施工單位提供施工監控信息，以保證整個結構在施工過程的安全并最終達到設計成橋狀態。

1.受力要求

系梁和拱肋截面內力(應力)反應了混凝土系桿拱橋的主要受力內容。控制這些截面的受力都在規范規定范圍之內。

2.線形要求

線形主要是指系梁和拱肋的整體標高和局部平順性要求。成橋后(通常是長期變形穩定后)系梁和拱肋的標高要滿足上述兩方面的設計標高要求。

3.系梁和拱肋平面位置要求

主要是指節段系梁和拱肋的實際橋軸線與理論橋軸線值的偏差應符合設計和《城市橋梁工程施工與質量驗收規范》(CJJ 2-2008)的要求。

4.穩定性要求

確保整個施工與成橋狀態橋梁不會發生失穩。

(二)施工監控主要內容

在大橋施工開始之前，采用MIDAS軟件及施工監控專用程序建立相應的大橋施工監控計算模型，進行計算機仿真施工階段模擬，其中包括以施工順序進行的前進分析和以施工逆順序(成橋倒拆)進行的倒退分析，提出理想狀態下的施工階段控制參數。由于混凝土系桿拱橋施工過程環節較多，體系轉換復雜，影響參數較多，如：結構剛度、梁段的重量、溫度、吊桿分階段張拉力、施工荷載等。求施工監控參數的理論值時，都假定這些參數為理論值。

圖2 蒸潭橋Midas civil模型

首先復核設計計算所確定的成橋狀態和施工狀態。按照施工和設計所確定的施工工序，以及設計所提供的基本參數，對施工過程進行一次正裝計算，得到各施工狀態下的結構受力和變形等控制數據，與設計相互校對確認無誤后作為混凝土系桿拱橋施工監控的理論數據。計算項目包括：

(1)各施工狀態下以及成橋狀態下狀態變量的理論數據；混凝土系梁和拱肋標高、軸線、控制截面應力應變；

(2)施工監控數據理論值：混凝土系梁和拱肋標高、軸線、控制截面應力應變；

(3)施工階段的穩定性計算：系梁和拱肋安裝階段的穩定性計算分析；

(4)混凝土系桿拱橋成橋后的結構動力特性分析；

(5)運營階段的移動荷載分析，確保大橋建成后處于安全的運營狀態；

(6)必要時還應該對大橋進行局部應力分析，確保大橋的安全性。

大橋的施工監控工作應該是在大橋施工過程安全的情況下進行的，因此首先根據設計文件對大橋進行結構計算分析，驗證大橋在常規荷載以及確定的施工方案情況下的結構安全性，以確保施工安全，同時為現場監測、危險預告提供預警控制值。

(三)施工過程監測方法

1.系梁拼裝軸線監測

測點設置:系梁縱向橫隔板中心位置設置測點，利用高精度全站儀進行測量。全橋縱向共16個節段(包括端橫梁)，共布置9個測點，分別編號為Z1～Z9，測點布置如圖3所示。

圖3 1/2跨系梁頂軸線測點布置圖(單位:m)

2.拱肋拼裝監測

拱肋安裝時必須保證拱肋軸線和高程位置，使拱肋軸線和高程控制在精度之內。根據施工現場情況，在每根吊桿位置處的拱肋中心外邊緣布置測點(如圖4所示)，在測點處安裝專用反射片，在控制點上架設全站儀進行測量，使其在理論位置處。每片拱肋共9個測點，全橋共18個測點。

圖4 拱肋軸線和高程位置縱橋向測點布置圖

拱肋安裝時必須保證拱肋軸線和高程位置，使得拱肋軸線和高程控制在精度之內。從圖5可以看出，拱肋安裝階段，安裝后的實際高程與理論高程最大誤差-8mm，結果表明滿足拱肋安裝的線型要求。

圖5 衡陽市蒸潭橋拱肋安裝的高程控制圖

主梁和拱肋線形方面，施工方嚴格按照立模標高進行立模，控制在±20mm以內；成橋后梁頂中線標高與理論值最大正誤差為9mm，最大負誤差為-17mm，均控制在±20mm以內，符合規范要求，梁段整體線形平順流暢，表明施工監控理論可靠，分析方法正確、有效。

3.應力、內力監測

根據理論計算結果，在系梁、拱肋上的控制截面布置應力測點，觀察在施工過程中這些截面的應力變化與應力分布情況。結合反饋控制的實時跟蹤分析，提供最優可調變量的調整方案，由實時跟蹤分析在計入誤差和變量調整之后，每階段乃至竣工后結構的實際狀態，預告今后施工可能出現的狀態，并預報下一階段當前已安裝構件或即安裝的構件是否出現不滿足強度要求的狀態，以確定是否在本施工階段對可調變量實施調整。

(1)系梁應力測點布置

根據理論計算及施工現場情況，系梁測點布置在兩支點、1/4、1/2、3/4截面，測點布置如圖6所示。

圖6 系梁應力和溫度橫向測點布置圖(單位：m)

(2)拱肋應力測點布置

根據理論計算及施工現場情況，拱肋應力和溫度測試截面選取為兩拱腳、1/4、1/2、3/4截面，測點布置在拱肋上下緣的中心線上。主梁各梁段施工過程中，關鍵截面上下緣實測應變均與理論值吻合良好，主梁結構受力狀況良好，符合設計要求。

4.吊桿索力監測

根據蒸湘系桿拱橋施工現場的實際情況及施工的可行性、經濟性等，采用索力動測儀測量索力。確定索力測量時以振動頻率法為主，千斤頂油壓表量測為輔，并校對壓力表和千斤頂誤差程度、對吊桿參數進行試驗標定、修正動測儀參數。

對成橋后吊桿索力進行測量，實測值取每根索的實際值，并與理論值進行對比，如圖所示，控制在5%的范圍以內，滿足要求。

圖7 衡陽市蒸潭橋吊桿成橋階段的索力(上游)

三、結語

下承式系桿拱橋的結構復雜，其施工階段比較多，施過周期較長，環境變化大，各個階段的受力與變形也要不斷變化，使得施工結果和理論計算不符，形成施工誤差。如果不能準確掌握各施工階段變形值，就不能實現大橋的準確對接和拱肋合龍或使大橋的空間位置與設計不符。通過對大橋施工現場檢測數據的分析，獲得誤差因素的定量數據。據此，對本次施工的后期變形作出預測。根據后期變形預報，設定當前的立模標高，從而減少施工誤差，使橋梁的線性與計算一致。通過項目的要求制定并嚴格執行合理的監控方案，在施工過程中及時做出必要的調整，對橋梁的施工質量控制和安全起到了十分重要的作用。