中承式拱橋施工監控技術分析

■余印根

（福建省永正工程質量檢測有限公司，福州 350000）

近年來， 在建橋梁施工過程中垮塌事故頻發，如2021 年5 月8 日， 杭紹臺高速城區段杭甬運河上方在建的杭甬運河橋東幅系桿拱橋發生局部垮塌；2021 年4 月25 日河南宜陽靈山在建系桿拱橋發生局部垮塌；2019 年9 月1 日，安徽省全椒縣江北大道跨襄河大橋在建鋼結構支架垮塌。 為保證施工安全順利進行，施工過程中的監測監控受到了工程師的高度重視[1-4]。對施工過程進行全程實時監控，以保證施工人員及周邊人民的生命財產安全是非常有必要的[5]。

在橋梁施工過程中進行實時監控，對監控數據進行分析和評估可優化設計，有利于指導現場施工，確保橋梁施工的安全與質量，提高工程的經濟效益和環境效益[6]。 同時，也可節省工程投資，為提高建造工藝水平提供了科學依據和技術保證[7-11]。吊桿拱橋施工復雜且存在體系轉換過程，為保證施工過程控制安全準確，及確保最終成橋線形和受力狀態滿足設計要求，施工過程采取有效的監控措施具有重大的現實意義[12]。本研究以某中承式拱橋為對象，介紹了該拱橋施工監控流程、測點布置及監控存在的重難點等內容， 結合MIDAS/Civil 軟件施工仿真分析結果，對比分析了上部結構位移、內力和索力監測結果。

1 工程概況

本橋為人行景觀拱橋， 結構形式為Lp=65 m 中承式混凝土有推力拱橋， 全橋共設兩榀鋼筋混凝土拱，拱肋截面為“工”字形。 拱肋的理論計算跨徑為65 m，計算矢高13 m，矢跨比1/5，理論拱軸線為懸鏈線。 橋面結構采用縱橫梁體系、整體橋面板，以提高結構的整體剛度。 橋梁的總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置示意圖

橋梁橫向布置：0.7 m（拱肋吊桿區）+0.25 m（欄桿）+6.0 m（人行道）+0.25 m（欄桿）+0.7 m（拱肋吊桿區），橋面全寬7.9 m，兩拱肋中心間距7.3 m。

本橋跨越的河床較寬，水位較高且河床地質情況較復雜，現澆支架的支撐系統采用鋼管樁基礎和貝雷片，在上搭設木排支撐架與模板。 橋面板澆筑完畢后，在橋面板上搭設扣件式鋼管支撐排架與模板。 施工總體流程見圖2。

圖2 施工流程

2 施工監控流程及重難點分析

2.1 施工監控流程

在各施工階段中，通過結構位移與應力實測值與理論值的差異對比進行影響參數誤差識別，并對未施工部分影響參數進行誤差預測，分析誤差對成橋狀態的影響并及時采取有效處理措施[12]。 施工監控流程見圖3。

圖3 施工監控流程

2.2 施工監控的重難點分析

施工控制實際上是對施工過程進行分析、監測、比較和調整的過程。 現根據施工監控的基本原理，結合本橋具體的設計與施工特點對其施工監控過程中的重點與難點進行分析。

2.2.1 施工監控的理論分析

精細的理論分析是施工監控中的重要環節。 結合本橋的設計與施工特點，在理論分析中要突出以下幾個環節。

（1）成橋狀態的合理確定

施工監控一般是進行從上部結構施工開始至二期恒載施加完畢后的成橋狀態這一施工全過程的結構狀態控制。 因此需對結構進行詳盡的理論分析以合理確定本橋在二期恒載施加完畢時的成橋線型以及成橋內力狀態， 從而確定成橋控制目標。成橋驗收時將以成橋線形和成橋內力作為標準，并保證本橋的遠期線型與設計值相符。

（2）成橋過程的理論分析

結合具體的實際施工過程和施工方法，對成橋過程中的每一施工階段進行分析計算，得到各工況下橋梁拱肋、縱橫梁的理論變形及應力值，從而確定上部結構開始施工至二期恒載施加完畢到達成橋狀態這一施工全過程的理論參考軌跡。 分析中將考慮實際的具體施工方法和施工工藝，如實際施工荷載的大小和分布、結構及其組成材料的實際物理力學特性等，以使分析結果能更加接近實際，從而減小設計階段因無法獲知具體的施工方法和施工工藝而導致分析結果存在的誤差。

2.2.2 施工監控數據測試

施工數據測試是施工控制得以進行的基礎，是施工控制的重要組成部分。 通過測試所獲得的各施工階段結構受力、 變形等的實測值是施工控制、施工調整的依據。 本拱橋施工監控數據測試方面的重點難點分析如下：

（1）應變測試

本項目主要采用帶溫度測試功能的鋼弦式應變傳感器測試結構內混凝土的應變。 雖然鋼弦式應變計比較穩定可靠且能獲得測點處的絕對應變（累積總應變）， 但應注意傳感器內應變初始值的讀取時間。 初值的讀取時間應為混凝土澆注、混凝土水化熱已完成后的某一時刻。 具體時間應根據現場情況確定，且應變傳感器埋設至其初值讀取這一期間應使結構體系及其上荷載保持不變。

（2）標高測試

標高測試必須注意水準基點的可靠設置和長期保護直至運營階段能繼續有效使用。 后視點標高也必須定期復核。 此外，標高測試時應采用平行觀測的方法，即要與多個單位（施工方、監理方）進行同步觀測，并及時相互比較以保證測試結果的可靠性。

（3）張拉系統的定期標定

業主和監理必須督促施工單位對其所使用的張拉系統進行定期標定，以確保預應力筋張拉力的準確可靠。 張拉系統標定時應將整個張拉系統，包括油泵、千斤頂、壓力表以及油管等同時連在一起標定。

2.2.3 施工過程控制

（1）參數測試與識別

對截面剛度、混凝土容重、混凝土強度和彈性模量以及混凝土的收縮徐變系數等物理力學參數，進行較準確的測試與識別。 方便測試的參數盡可能測試，難以測試的則采用合理的方法識別。 根據測試和識別所獲得參數并結合具體的施工方法和施工工藝，對結構展開切合實際的分析，從而能夠獲得更符合實際的結構理論參考軌跡。

（2）先進的控制系統

將采用先進的橋梁預測控制系統對本橋的施工過程實施有效控制，該系統將現代控制理論中的預測控制理論應用于的橋梁施工控制領域。 通過過程中的數據采集分析， 對模型參數不斷更新修正，從而實現對施工過程發展變化的預測控制，具有較高的精度。

2.3 施工仿真分析簡介

采用大型空間有限元分析軟件MIDAS/Civil 建立大橋空間模型，對施工過程及運營階段進行仿真分析，采用正裝計算方法確定各施工狀態下的結構受力和變形等控制數據。 根據橋梁的結構受力特點，拱肋、風撐、橫梁、主梁均采用空間梁單元模擬，橋面采用板單元模擬，拱肋吊桿、系桿采用只受拉桁架單元模擬，全橋共計節點986 個，板單元28個，梁單元622 個，桁架單元580 個，桁架單元57 個。有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型圖

通過施工過程模擬分析，可得到橋面縱梁和拱肋標高、軸線、控制截面應力應變等變量在各施工狀態下以及成橋狀態下的理論值。 考慮到施工時拱肋和縱梁的位移變形，在設計圖紙所給設計標高的基礎上，經過分析計算得到拱肋和縱梁坐標變化，得出結構各點預拱值；由橋梁施工階段的仿真分析得到該橋的理論撓度曲線，由恒載和1/2 活載作用下產生的撓度值反號即可得到拱肋和縱梁的預拱度。

3 施工監控結果分析

3.1 測點布置

圖5 為根據理論計算結果及相關規范而確定的部分監測測點布置示意圖。 由圖5 可知，拱肋線形監測測點主要是在1L/4、1L/2、3L/4 等位置粘貼專業測量反光標識。 模板安裝完成后利用全站儀測試各監測點的三維空間坐標，以此作為后續測試的初始值。 在后續工況下，監測各點的三維坐標，通過坐標變化反應拱肋的空間變形情況。 縱梁則是在4等分點設置位移監測點，采用水準儀進行監測。

圖5 監測測點布置示意圖

縱梁應變測點為每側縱梁上設置5 個應變測試斷面，具體為縱梁端部、L/4、2L/4、3L/4 位置；兩側端橫梁的跨中截面頂部布置2 個應變測點；中橫梁的端部和跨中截面上各布置4 個應變測點。 縱梁應變測點示意圖見圖6。

圖6 縱梁應變計安裝示意圖

拱肋應變測點則為每側拱肋上設置5 個應變測試斷面，具體為兩端拱腳、L/4、L/2 及L3/4 位置，全橋拱肋上共計應力測點40 個。

3.2 拱肋線形監測結果分析

圖7 給出了上游側拱肋位移變化情況。 從圖7可知， 各階段拱肋沉降與理論值發展趨勢基本一致，部分階段實測沉降略高于理論沉降值，可能與拱肋澆筑程序、模板支架剛度、吊桿張拉順序等因素有關。 在吊桿張拉、拱肋支架卸落等階段對沉降進行了控制和調整。 對比成橋階段各截面的實測標高和設計標高，實測標高與設計標高誤差滿足規范要求。

圖7 上游側拱肋位移變化情況

3.3 應力監測結果分析

選取主要施工階段實測數據與理論值進行對比。 其中縱梁1/2L 截面左上、右上測點應力隨縱梁澆筑、拱肋澆筑、吊桿安裝、拆除橋下支架等主要施工階段的理論和實際變化曲線見圖8。從圖8 可知，實測應力與理論應力變化趨勢基本一致，對稱截面各個測點的應力基本對稱，整個施工過程之中無異常應力現象發生。

圖8 縱梁L/2 處應力發展曲線

選取拱肋澆筑、吊桿安裝、拆除橋下支架、橋面鋪裝及吊桿索力調整等主要施工階段與理論值進行對比，上游側1/2L 處拱肋各測點應力隨主要施工階段的理論和實際變化曲線如圖9 所示。 由圖9 可知，截面處測點應力發展變化趨勢與理論值大致相同，對稱截面測點的應力基本對稱；同一截面的左上和右上、左下和右下的測點應力趨勢基本一致。

圖9 拱肋L/2 處截面測點應力發展曲線

3.4 索力監測結果分析

根據設計張拉索力，對吊桿采用“張拉時以千斤頂油壓表控制為主，索力動測儀監測為輔；張拉完成后以索力動測儀監測為主”的控制方案[13]。圖10 是吊桿張拉完成后各階段吊桿力實測值與目標值的對比。 從圖10 可知，每根吊桿初張拉完成后的實測索力與張拉錨固目標索力的相對差值基本在±5%以內，即張拉時錨固索力符合設計要求。 上游側拆除支架后相對差值最大為21# 吊桿，相對最大差值為-12.98%，終張拉后相對差值最大為6# 吊桿，相對最大差值為11.26%。 吊桿終張拉成橋后，最終實測索力與目標索力的相對差值基本在±5%左右，均滿足設計要求。

圖10 上游側吊桿各個施工階段中索力值對比表

4 結語

以實際工程為例，探討中承式拱橋施工監控技術，得到以下結論：（1）拱肋位移與拱肋澆筑程序、拱肋支架預壓及吊桿張拉等因素有較大關系。 拱肋澆筑后位移大于理論值，配合拱架卸落及吊桿二次調索，拱肋的位移符合預期要求。 對比成橋階段各截面的實測標高和設計標高，實測標高滿足規范要求。 （2）主梁和拱肋各測試截面實測應力變化趨勢與理論值吻合良好，主梁結構受力狀況良好，符合規范要求。 （3）吊桿索力監測需同時以張拉時千斤頂油壓表和索力動測儀2 個監測數據協同控制。 各吊桿在各個施工階段中的實測索力變化趨勢和大小都與理論值吻合良好。 各類吊桿力的實測值離散性較小。 最終成橋索力與理論值的相對差值基本在±5%以內，滿足設計要求。