南水北調跨渠生產橋施工過程監控技術探討

【摘 要】為保證橋梁施工質量，防止事故發生，監控技術在橋梁建造施工過程中越來越受到重視。文章對南水北調工程跨渠生產橋梁施工過程中采用的監控技術進行分析與闡述。

【關鍵詞】橋梁施工; 施工監控; 測量

【中圖分類號】U446.3【文獻標志碼】A

1 工程概況

本跨渠生產橋位于南水北調干渠兩岸兩村之間，是為滿足居民生產和生活的需要，連接附近村莊到總干渠對岸的主要交通通道。根據總干渠的開挖斷面，干渠管理道路與生產橋立交。根據橋梁布置原則的要求，結合干渠管理道路的位置，橋跨布置為4×20 m+90 m+4×20 m。其中主橋90 m跨度的系桿拱橋為施工監控的對象。

2 施工監控的目標、內容和工作重點

2.1 施工監控的目標

施工監控的目標就是在施工過程中控制結構的受力狀態和變形始終處于安全的范圍內，成橋后結構的線形與內力達到設計要求，結構本身又處于最優的受力狀態。

2.2 施工監控的內容

監控工作的主要內容包括監控計算、施工監測。

監控計算一般取用設計部門確定的設計成橋狀態作為監控計算的初始狀態，在此基礎上確定計算控制參數，建立計算模型。檢查驗算橋梁結構成橋和施工各階段主要受力部位如拱肋、系梁等的應力及位移是否滿足規范要求。然后結合具體的施工工況和測量數據進行結構內力、位移、應力分析計算，得出預測值。

施工監測包括對主拱肋和系梁的應力、線形測量;吊桿索力測量;系桿分階段張拉時的拱腳位移、轉動測量，和主拱肋及系梁的變形和應力測量;溫度場的監測;橋面線形測量。

3 監控工作內容及重點

3.1 施工控制計算

3.1.1 結構計算

結構計算就是利用建立的結構計算體系對施工過程中每一階段結構的應力、內力和位移狀態以及施工監控參數進行計算，在結構計算中考慮施工誤差、材料屬性差異等因素的影響，根據計算結果為各節段施工提供施工監控目標值，保證節段施工的順利進行，從而保證結構最終達到或接近設計要求的成橋狀態。

本橋監控計算準備采用多套軟件進行。本橋的監控計算采用兩種分析方法。首先通過對設計成橋狀態倒拆，以獲取各施工節段結構的內力、線形等，即所謂“倒拆計算法”;然后利用“倒拆法”獲得的各施工階段內力、線形按照架設順序及相應工況進行正裝計算，整個計算步驟按主橋施工架設過程進行，直至合攏，即所謂“正裝計算法”。正裝計算需進行多次迭代，逐步逼近，最終達到理想的符合設計要求的成橋內力及線形。

首先根據該橋架設過程，進行施工架設直至最終成橋全過程的計算，并計算該橋在各種荷載作用下橋梁各構件的內力、變形，與設計院進行相互校核。然后，在實際施工過程中結合實際監測數據進行參數識別，調整計算模型進行進一步計算分析。計算的主要內容有：①各階段系梁的內力和變形;②各階段拱肋的內力和變形;

③吊桿初拉力及各階段吊桿拉力;

④架設及施工過程中系梁、拱肋的預拱度設計和架設標高;

⑤成橋階段橋面的標高。

3.1.2 施工控制方法

施工控制就是對橋梁施工過程實施控制，確保在施工過程中橋梁結構的內力和變形始終處于容許的安全范圍內，確保成橋狀態（包括成橋線形和成橋結構內力）符合設計要求。根據本橋的結構形式、施工特點及具體控制內容，可以采用橋梁施工預測控制法。

預測控制法是指在全面考慮影響橋梁結構狀態的各種因素和施工所要達到的目標后，對結構的每一個施工階段（節段）形成前后的狀態進行預測，使施工沿著預定狀態進行。由于預測狀態與實際狀態間免不了有誤差存在，某種誤差對施工目標的影響則在后續施工狀態的預測予以考慮，以此循環，直到施工完成和獲得與設計相符合的結構狀態。在實際施工中，在每一個階段完成后，可以對橋梁的實際信息進行測試，測試的結果又可以反饋給預測控制。通過反饋得到的實測值與預測值進行對比，在排除儀器誤差、測試原理等非結構因素引起的誤差以外，就可以判斷實際施工的誤差狀態，然后重新調整計算，力爭在下個階段中減小或消除誤差。實際的施工控制就是重復預測-反饋-調整后預測過程中，最終保證橋梁結構的內力和變形始終處于容許的安全范圍內。

3.1.3 參數的估計、預測和調整

施工控制是全過程的控制，也就是每個施工階段都要控制，這樣才能避免誤差的累積和確保施工安全。

在橋梁施工過程各階段及體系各部分相互關聯，不論是在施工階段之間還是結構內部都相互影響。由于存在各種各樣的誤差以及環境方面的影響，使得施工過程中實際結構與理論狀態總會存在一定偏差，因此，需要根據理論計算數據和實測成果，采用控制理論分析方法來調節偏差，使整個施工過程結構狀態始終在受控狀態及結構處于控制范圍內，并盡量接近設計和計算理論值。

（1）參數估計。首先，根據影響性分析確定需進行參數估計的計算量（如預應力參數、砼彈模、主梁重量等）;然后根據大量的實測數據，采用最小二乘法確定最優估計值;最后，將最優估計值重新帶入安裝計算模型重新計算，得到一套進一步精確的理論數據。

（2）濾波和預測。通過參數估計，基本上消除了計算誤差（系統誤差），但實際施工中由于測量手段、施工工藝的限制，仍然會存在一定的偶然誤差，這就需要進行濾波、預測和調整。

建立合適的狀態方程，采用目前較成熟的卡爾曼濾波法進行濾波和預測，可以得到目前結構狀態的濾波估計值，和下一步施工參數的預測估計值。根據合理的預測值可以及時采取措施，減小后續施工過程中結構偏差。

（3）優化調整。對于已存在的偏差，根據最小二乘法理論，采用適當手段（如預應力）進行最優調整，做到既能最大化減小結構偏差，又方便施工。

3.2 施工監測

3.2.1 應力測量

由于設計計算時采用的各項物理力學或時間參數和實際工程中的相應參數值不可能完全一致，導致結構的實際應力未必與設計計算預期的結果相一致。因此有必要在施工階段對梁體控制截面進行施工應力監控測試，為設計、施工控制提供參考數據，以確保大橋安全、優質建成。

對于混凝土結構，應力測點采用長期性能穩定可靠、抗損傷性能好、設置定位容易及對施工干擾小的埋入式鋼弦混凝土應變計。影響混凝土應力測試的因素很復雜，除荷載作用引起的彈性應力應變外，還與收縮、徐變、溫度有關。目前國內外混凝土的應力測試一般通過應變測量換算應力值，即：

σ=E·ε1

式中：σ為荷載作用下混凝土的應力;E為混凝土彈性模量;ε1為荷載作用下混凝土的彈性應變。

實際測出的混凝土應變則是包含溫度、收縮、徐變變形影響的總應變ε。即：

ε=ε1+ε3+ε2（1）

式中：ε1為彈性應變;ε2為無應力應變，包括溫度應變和收縮應變;ε3為徐變應變。

為了補償混凝土內部溫度應變并消除溫度、收縮影響，在布置應力測點時同時埋設無應力計，分別測得混凝土應變ε和無應力應變ε2，再通過相應的分析和計算分離出徐變應變ε3，按式（1）即可得到彈性應變ε1。

應力測試與施工同時進行，因而要求測試元件必須具備長期穩定性好、抗損傷性能好、設置定位容易及對施工干擾小等性能。本橋測試元件選用ZX-215A型鋼弦式應變計并配合使用JMZX-300型綜合測試儀進行測試。可直接測出混凝土的實際應變，再根據各自的彈性模量推算應力。其主要指標如下：量程：+1500 με;精度為±0.3 με;年漂移量小于±0.5 %，經溫度補償后溫度漂移小于±1 %/10 ℃。

對于鋼管拱肋，應力測點采用長期性能穩定可靠、抗損傷性能好、設置定位容易表面式鋼弦應變計。本橋測試元件選用智能型ZX-205T型鋼弦式應變計（溫度型），并配合使用JMZX-300X型綜合測試儀進行測試。元件采用焊接固定。同混凝土結構應力測量相同，為盡可能消除不均勻溫度場引起的溫度應力影響干擾測量值，測量時機選在凌晨至日出前進行，并同時測量各測點溫度。為此，各測點鋼弦應變計均采用溫度型。在測量應力的同時也測量了溫度場。

擬在拱肋上布置拱腳、1/4跨、拱頂5個應力測試截面，拱肋每個截面上鋼管拱肋應力測點各4個，如圖1所示。T形梁上布置兩個截面，拱腳處和跨中兩個截面，具體布置如圖2所示。為補償混凝土內部的無應力應變，在各測試斷面設置專門的應力補償塊，布置一個無應力計。補償塊與測試部位齡期一致，環境相同或相近。應力測試的工況一般在每個施工階段前后各測一次。

3.2.2 拱肋線形、拱腳坐標及橋面線形測量

線形調整主要是通過設置合理的預拱度來實現的。因此，線形控制的關鍵在于分析預拱度的組成以及確定各組成的取值。對于預拱度的組成，可根據規范要求及混凝土澆注托架的傳力機理，一般能準確確定。而對于預拱度各組成的取值，由于計算模型、設計參數取值、施工量測等的誤差不可避免，導致其合理取值非常困難。必須在前期施工過程中，通過有目的的大量測量，積累數據和經驗，逐步取得預拱度各組成部分的合理取值。對于設計預拱度，按規范要求取（成橋累計位移+1/2活載撓度）的反值。

由于理論分析模型、計算參數取值等與實際情況存在一定差異，因此掛籃懸臂施工主梁實際產生的變形與理論計算值存在誤差。所以理論計算變形只能作為預拱度取值的一個依據，預拱度的合理取值還須通過多個梁段施工的監測，不斷積累數據和經驗，才能正確取得。

拱橋的施工采用先梁后拱的施工方法，系梁采用滿堂支架施工，拱肋鋼管在系梁上搭設支架安裝。隨著施工過程各階段荷載的增加和系桿預應力、吊桿的張拉，主拱肋的空間線形、拱腳坐標及橋面線形都會發生變化，為了使這種變化保持在可控制范圍內同時為與設計值比較，需要系梁澆筑后、拱肋安裝后、每次張拉系梁縱向預應力和吊桿張拉前后對拱肋線形、拱腳坐標及橋面線形進行測量。通過橋墩處標高基準點，采用精密水準儀測量系梁和橋面標高，并定期復核基準點標高。順橋向在每根吊桿處布置標高測量斷面，每個斷面橫橋向布置三個標高測點。

全站儀架設在岸上一點，后視基準控制點，再瞄準拱肋上相應測點的棱鏡，測出拱上測點的三維坐標。每一測試工況下的變位為測試值與初始值的差值。初始值為拱肋相應測點架設完成時在氣溫恒定、無日照影響時自由狀態下的測量值。通過全站儀用坐標法測量拱肋線形。拱肋安裝完后將棱鏡布置在拱腳、1/4跨徑、1/2跨徑處。測量時間將選在日出之前溫度較恒定的時段內進行。

在系梁架設階段，為保證系梁在澆注時保證線形，且有合適的預拱度，多次測量支架頂面的標高，如有偏差則調節支架高度，同時在系梁澆注前測量立模標高。

在拱肋分段拼接時，應保證段與段之間的拼接角度符合拱肋線形需要。在整個拱肋拼接與合龍階段，對拱肋線形每2 d至少監測1次，在拱肋合龍前后應對合龍段長度、拱肋前端的空間坐標進行24 h的連續觀察，觀察時間間隔為0.5 h，進而確定是否能在規定合龍溫度下正常合龍。如出現無法在規定溫度下合龍，則應及時采取措施解決。

3.2.3 吊桿的內力測量

吊桿是支撐橋面的主要構件，索體采用PES（FO）低應力防腐索體，精確測量其拉力十分重要。擬采用頻譜分析法和傳遞函數法測量本橋吊桿在各個施工階段的拉力。

頻譜分析法是通過測量索的自振頻率，經過計算并修正來確定索的拉力大小。這種方法特別適合于索數量多、規格（長度）種類多，要求快速量測的結構體系。對于跨中部分長度較大的吊桿，EI/l2很小，可以看作兩端鉸接的柔性繩索，其張力與自振頻率的對應關系為：

p=4mlf/k - k π EI/l

式中：l 為吊桿的自由振動計算長度;k為纜索自振頻率的階數;fk為纜索的第 k 階自振頻率。

頻譜分析法通過實測吊桿的自振頻率，可以計算出張力值。頻譜分析法對于長細比較大的吊桿比較精確，對于靠近橋墩的短吊桿，由于長度較短，剛度影響大，且邊界條件與理論模型不符，需要采用傳遞函數法進行測量。傳遞函數法是通過小型力錘對索進行激勵，并用加速度傳感器測量其響應，通過互譜分析獲得索頻率（此法對索無損傷），通過我院對多座拱橋的檢測，證明此法效果非常好。

用高靈敏的壓電加速度計測量吊桿的振動信號，振動信號經電荷放大器放大和濾波處理后，由動態信號采集和數據處理系統作分析處理。

吊桿內力的測量在以下階段進行：

①吊桿初拉過程及完成;

②每次橋面板標高調節;

③鋪設完二期恒載。

3.2.4 溫度場測量

溫差對橋梁結構有重要影響，主要體現在對拱肋、系桿和吊桿上，為精確計算結構內力，因此需要對拱肋、系梁和吊桿等的溫度場進行測試。拱肋和系梁內部的溫度場通過預埋的傳感器進行測試，為了檢測方便，選用溫度型的鋼弦應變計在測試應力的同時對溫度場進行測試。對拱肋、系梁、吊桿、端橫梁的表面溫度和大氣溫度，采用點溫計進行溫度測試。

拱肋和主梁上的溫度場的測點布置如圖3、圖4所示。

3.2.5 預應力孔道摩阻測試

本橋選擇2根預應力束作預應力孔道摩阻試驗。

根據相關公式計算預應力索與孔道壁的摩阻系數μ與孔道對設計位置的偏差系數k。

孔道摩阻試驗方案如圖5所示。鋼束兩端安裝壓力傳感器測試張拉噸位，首先張拉至0.1倍的控制拉力，以此作為初始狀態，然后分級張拉至控制拉力。一端主動，一端被動，主被動端荷載傳感器的差值即為孔道摩阻損失，然后可用最小二乘法計算孔道的摩阻系數及孔道偏差系數。預應力張拉過程中，同時測試鋼絲的伸長量，并與計算伸長量對比，用以指導施工。用于孔道摩阻試驗的鋼絞線下料長度應加長兩個傳感器的長度。

檢算鋼束伸長量、錨下應力、錨口損失值、錨具壓縮量及鋼束內縮值、孔道壓漿密實度。

4 施工監控精度

根據公路橋涵施工規范相關規范，結合目前測試儀器的精度范圍和結構的分析水平，參照國內其他一些大跨度鋼管拱橋的施工控制情況，本橋施工監控精度指標見表1。

5 施工監控效果

經過對施工過程的監控，本橋在施工過程中控制結構的受力狀態和變形始終處于安全的范圍內，成橋后結構的線形與內力達到設計要求，確保了結構本身處于最優的受力狀態，確保了結構的安全、主拱和橋面的合理線形。

6 結束語

做好橋梁工程施工監控工作需要從多方面入手，在進行科學的規劃及方案設計基礎上，應積極引進和吸收先進的監控方法和監控技術，此外，在具體實踐中，要積極總結經驗，不斷研究新技術，新方法，以便推動我國在橋梁施工監控技術中的發展。

參考文獻

[1]陶文景. 監測與監控技術在橋梁施工中的應用[J]. 交通世界，2016（z2）：174-175.

[2]楊曉強. 監測與監控技術在橋梁施工中的作用[J]. 建筑工程技術與設計，2016 （14）.

[定稿日期]2021-05-25

[作者簡介]甘露（1980～），男，碩士，高級工程師，從事水利水電工程管理工作。