某雙橋面鋼桁架拱梁組合體系施工監控研究

謝曙輝

(華設檢測科技有限公司，江蘇 南京 210014)

鋼結構橋梁具有結構自重輕、承載能力強、裝配程度高、施工周期短等優點被廣泛應用于橋梁建設中。連續拱梁組合體系橋梁，相比一般梁橋和拱橋，具有整體受力更合理、跨越能力大、外觀曲線優美的特點[1]。

橋梁施工監控先進理論及技術是橋梁工程尤其是大型、特殊結構橋梁良好成橋狀態的保證。復雜橋梁的成橋線形與內力跟施工方法、工序密切相關。橋梁施工監控一方面是對設計計算進行復核，對成橋關鍵指標引入施工影響因素進行分析修正；一方面是根據施工工序的開展，通過結構監測對已有關鍵指標偏差進行分析，對下一步的施工結果進行前瞻控制。

本文通過建立橋梁施工監控體系，監測施工全過程中橋梁結構應力、變位及索力參數，分析監測數據、反饋指導施工，相關成果可為連續鋼桁架拱橋施工監控提供參考。

1 工程概況

本橋為雙層三跨連續鋼桁架系桿拱橋，南北走向，跨徑布置為(59+150+59)m。上層橋面為雙向八車道的城市快速路，總寬42 m，下層為雙向六車道+兩條非機動車道的城市主干道，總寬43 m。主拱圈是由上下兩片拱肋組成的、三角桁式桁架拱體系。上拱軸線為樣條曲線，跨度218 m，下拱弦軸線為二次拋物線，跨度150 m，矢高34 m，矢跨比1/4.41，全橋共設13對柔性吊桿，柔性索規格為Φ7-127雙層雙防護高密度聚乙烯護套的鍍鋅高強度平行鋼絲索。主桁梁由橫橋向兩片主桁組成，采用三角桁式，主桁間距36.5 m，主桁中心線高差8 m，標準段弦桿與斜腹板的夾角為60°左右。橋面系由帶U肋的正交異性板、橫梁、人行道挑臂、檢修道挑臂組成。

本橋采用廠內預制加工構件，現場機械吊裝與支架拼裝結合的總體施工方案(見圖1～圖4)。

2 施工監控體系

橋梁建設伴隨著結構體量規模化、結構體系復雜化、施工質量精細化，施工監測控制理論技術迅猛發展。橋梁施工監控理論從傳統的工程控制理論、模糊數學、灰色理論，逐步形成以自適應控制理論等為代表的較為完善的理論技術[2]。自適應控制理論[3]作為過程控制理論一分支，其一般原理是通過采集工程基礎信息，將相關數據與期望目標進行對比、辨識、判別，根據結果作出控制決策，并實時對工程進行過程修正，循此往復，從而使得工程質量達到既定目標。

本橋施工監控以自適應控制理論為基礎，借助Midas Civil有限元軟件，依據橋梁結構實際施工狀態分析結構響應，識別施工與設計的差異，并根據實時采集的監測數據，對施工狀態進行判斷，從而形成監控指令指導施工。本橋施工監控技術路線見圖5，本橋有限元仿真模型見圖6。

3 施工監控內容

3.1 結構應力監測

為保證施工過程中橋梁的安全，監測結構特征斷面拱圈弦桿及腹桿、桁梁弦桿及腹桿、橫梁等構件的應力狀況。為確保整個施工過程應力測試元件的穩定性，本橋結構應力采用振弦式應變計進行測試。

根據節段拼裝形式與理論計算結果，確定如圖7所示的結構應力控制截面。其中截面1-1、截面9-9為拱圈上弦桿拱腳截面，截面2-2、截面8-8為墩頂拱圈上弦桿截面，截面3-3、截面7-7為拱圈下弦桿拱腳截面，截面4-4～截面6-6為中跨拱圈四分點截面，截面10-10、截面16-16為邊跨桁梁跨中截面，截面11-11～截面15-15為中跨桁梁四分點截面。另外選取3號墩、4號墩墩頂橫梁，4號孔、5號孔跨中橫梁進行應力監測。

3.2 結構變位監測

橋梁結構變位監測主要包括臨時結構變位監測、拱圈變位與線形監測、桁梁變位與線形監測、橋面系線形監測、主墩沉降監測等。施工過程中，通過全站儀及電子水準儀對橋梁結構變位與線形進行監測，結構變位監測截面的布置依據應力監測適當調整。

橋梁合龍前，拱圈及桁梁變位監測主要結合拼接節段進行，橋梁合龍后，結構變位監測通過橋梁特征節點進行。通過在橋面布置位移測點，監測橋面橫坡及成橋線形。

成橋線形影響結構安全及行車舒適性，是橋梁施工監控的關鍵指標。特別是預制鋼結構，一旦構件加工完成，后期調節空間很小，預拼線形是否合理直接影響成橋線形是否理想。

3.3 吊桿索力監測

對于系桿拱橋，吊桿索力的大小直接影響橋梁整體結構的內力及線形狀態，施工監控的重點是以設計吊桿索力為目標，根據施工步驟多次、分批張拉，不斷調整吊桿力來實現合理成橋吊桿索力。常見的索力測量的方法有油壓表法、壓力傳感器法、磁通量法、振動測量法等[4-5]。

本橋吊桿索力的監測主要結合油壓表法和振動測量法。吊桿施工時以張拉端的千斤頂油壓表數值進行控制，利用索力動測儀測試吊桿自振頻率，根據吊桿參數，計算已有吊桿索力進行復核。

4 施工監控成果

4.1 結構應力分析

拱圈和桁梁典型控制截面應力變化對比如圖8,圖9所示，初始應力為各桿件無應力狀態應力。拱圈拱腳斷面(截面1-1～截面3-3、截面7-7～截面9-9)累計應力與理論值偏差-2.5 MPa～5.4 MPa，中跨拱圈1/4L斷面(截面4-4)、3/4L斷面(截面6-6)累計應力與理論值偏差-2.5 MPa～5.8 MPa，中跨拱圈1/2L斷面(截面5-5)累計應力與理論值偏差-3.9 MPa～4.8 MPa；邊跨桁梁1/2L斷面(截面10-10、截面16-16)累計應力與理論值偏差-4.3 MPa～2.3 MPa，墩頂桁梁斷面(截面11-11、截面15-15)累計應力與理論值偏差-3.8MPa～6.7MPa，中跨桁梁1/4L斷面(截面12-12)，3/4L斷面(截面14-14)累計應力與理論值偏差-6.3 MPa～3.5 MPa，中跨桁梁1/2L斷面(13-13)累計應力與理論值偏差-6.3 MPa～3.3 MPa；3號墩、4號墩墩頂橫梁斷面累計應力與理論值偏差-2.5 MPa～2.9 MPa，4號孔、5號孔跨中橫梁斷面累計應力與理論值偏差-2.1 MPa～2.4 MPa。應力趨勢與理論值較為吻合，施工過程中結構各控制截面受力安全，成橋后結構各控制截面應力狀態良好并有一定應力儲備。

4.2 結構變位分析

施工過程中，橋梁構件預拼階段，桁梁預拼高程偏差-3 mm～2 mm，拱圈預拼高程偏差-3 mm～3 mm，橋面系預拼橫坡偏差0.06%～0.23%；橋梁構件架設階段，桁梁架設高程偏差-15 mm～17 mm，桁梁合龍高差3 mm～5 mm，拱圈架設高程偏差-14 mm～16 mm，橋面系架設橫坡偏差0.00%～0.14%，控制指標滿足規范[6]及設計要求。

施工結束后，選取桁梁縱向節點位置測量橋面線形，實測橋面線形與設計線形偏差-9 mm～9 mm，成橋線形滿足規范及設計要求(見圖10)。

4.3 吊桿索力分析

通過兩次、分批張拉行程，見表1，將吊桿索力張拉至設計要求范圍(端吊桿由于索長較小，基于頻率法，未作索力評價)。成橋后基于振動測量法，計算吊桿索力與設計值偏差-9.27%～6.62%，成橋索力滿足規范及設計要求(見圖11，表2)。

表1 吊桿張拉次序

表2 成橋階段吊桿索力結果

5 結語

以某雙層三跨連續鋼桁架系桿拱橋施工監控為背景，通過施工監控體系，在施工過程中對橋梁結構特征截面應力、變位及索力進行過程監測，分析監測數據與理論值差異，實時響應并作出決策調控，最終得到理想成橋狀態。

1)主要施工階段橋梁控制斷面實測應力與理論應力偏差-6.3 MPa～6.7 MPa，應力趨勢與理論值較為吻合，施工過程中結構各控制截面受力安全。

2)橋梁構件預拼及架設階段，主要控制指標滿足規范及設計要求，成橋后實測橋面線形與設計線形偏差-9 mm～9 mm，滿足規范及設計要求。

3)成橋后基于振動測量法，除兩端短吊桿外，其余吊桿計算索力與設計索力偏差-9.27%～6.62%，滿足規范及設計要求。