潮白河大橋主橋施工監控研究

文＿周 偉 （北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司，工程師）

程巖雷 （北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司）

李 燦 （北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司）

于帥琦 （北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司）

橋梁施工過程中的監控是對橋梁建設安全、質量、進度的重要保障。施工中的每一階段，可提前通過計算預計結構的內力和變形，再通過監測手段得到實際值，從而完全跟蹤掌握施工過程中結構的受力狀態和位移變化。當計算的預計值與施工過程中監測的實際值相差過大時，則有可能發生安全問題。當發現這種情況，須進行數據檢查和原因分析，排除問題后才能繼續施工。

潮白河大橋工程項目是京津冀協同發展重點工程，采用的三跨雙塔雙索面斜拉結構施工工藝復雜、難度大，施工監控的總目標是確保結構在施工中應力、變形與穩定狀態在允許范圍內。控制手段以在施工過程中針對確定施工方案中的塔與梁的受力、變形和穩定模擬分析為基礎，通過理論計算值與實測值的比較和誤差分析，來對結構狀態、施工工藝和方案進行必要的調整，使結構狀態穩定可控，最終成橋狀態滿足設計要求。

實施監測和監控，可以為橋梁設計、施工提供第一手資料和科學數據，積累經驗，以便今后改進類似橋梁的設計和施工工藝，其結果還可以作為橋梁運營前初始狀態的永久技術檔案，是若干年后評估橋梁狀態的重要依據。

一、橋梁結構概況

橋梁結構為72.50m+155m+72.50m的三跨雙塔雙索面混凝土梁斜拉橋，半漂浮體系，橋梁全寬45m。

主梁為主縱梁、橫梁及橋面板組成的梁格系統，主梁全寬44.78m，全長300m，在中跨跨中設置2m長合龍段。主縱梁梁高2.50m，中心間距29m。橫梁包括三種截面形式，A類橫梁除主縱梁內采用矩形截面外，其余部分均采用T字形斷面；B類、C類橫梁采用矩形截面，B類橫梁梁高2m，C類橫梁梁高2.50m；懸臂板處橫梁采用矩形截面，高度由1.75m漸變到0.25m，為避免運營中主橋邊墩處出現負反力，在主橋邊跨梁端處增加了配重。

主塔全高67.40m，分為混凝土塔身、混凝土橫梁及混凝土基座三部分。塔身全高66.40m，分為主塔裝飾段、主塔錨固段、主塔過渡段、主塔通行段、主塔過梁段、主塔加寬段；主塔裝飾段為變寬箱型斷面，主塔錨固段、主塔過渡段、主塔通行段為等寬箱型斷面，主塔過梁段、主塔加寬段為等寬矩形斷面。主塔內鋼錨梁與主塔牛腿上用預埋鋼板焊接，32對斜拉索均錨固在鋼錨梁上。主塔橫梁為鋼筋混凝土結構，截面為矩形斷面。主塔內鋼錨梁預埋鋼板通過剪力釘與牛腿混凝土連接。混凝土基座為鋼筋混凝土結構，主塔基礎采用摩擦樁，全橋共計96根。承臺為鋼筋混凝土結構，截面為八邊形斷面。

斜拉索采用直徑為Φ15.70mm的環氧涂層鋼絞線成品拉索，其抗拉強度不低于1670MPa。

設計標準：道路等級為城市主干路，設計車速為60km/h；路面類型為瀝青混凝土路面；機動車道按照三上三下組織交通；橋梁設計荷載為城—A級；人群荷載為4kPa。

二、施工監控的參數選取

（一）施工階段及順序

潮白河大橋主塔采用液壓爬模施工，每個主塔劃分為16個節段施工。主塔橫梁采用鋼管支架現澆，塔內鋼錨梁采用塔吊安裝，全橋設2座塔吊。混凝土泵車臂架高度范圍內采用泵送混凝土，超出的部分使用塔吊和灰斗提升混凝土澆筑。

上部結構采用支架現澆法施工。在現況河道內填土筑島圍堰，將水排空。在主梁支架下填方，頂層采取基礎硬化措施進行加固。主橋主梁采用落地滿堂架做支撐。腳手架搭設好后，鋪設橋梁板底模和梁板側模，底模、側模均采用竹膠板加工而成。全橋混凝土澆筑分為三段，東、西段各長149m，中間為合龍段，長2m。東、西段橋梁板按底腹板、頂板的順序分兩次澆筑。東西段澆筑完成后，分別單獨進行預應力張拉、錨固，然后澆筑中間合龍段，做最后張拉。

斜拉索施工時根據現場施工情況和監控驗算的結果進行斜拉索安裝和張拉的控制。斜拉索張拉后拆除主梁澆筑支架，根據監控結果確定是否進行調索。

主要施工順序為：樁基及承臺、塔托及主塔、河道排架基礎、主梁支架、主梁施工、斜拉索安裝。

（二）施工監控所需參數及分類

潮白河大橋主橋施工監控所需參數可以分為幾何參數、材料特性參數和環境參數。在這些參數中，有些屬于施工監控中的敏感參數，有些則影響較小。表1列出了大跨度斜拉橋施工監控需要的參數，通過計算模型的模擬分析，根據各參數對結構施工影響的大小，將其敏感性分為3級。1級參數是指該參數有影響，但不突出，其參數變化對所涉及的影響范圍（或對象）不敏感，即使該參數采用理論值，也可實現控制目標；3級參數是指該參數對所涉及的影響對象很敏感，必須在施工監控中獲得實際參數，監控工作必須以實際參數為準，否則監控目標很難實現；敏感性2級參數介于1級和3級之間，其參數至少應采用理論加經驗修正值。

表1 大跨度斜拉橋施工監控所需參數及其敏感性分類表

（三）施工監控各參數的獲取方法及要求

潮白河大橋主橋施工監控參數根據施工現場的實際情況擬通過以下方法獲取。

1.實際現場測量

橋梁的實際沉降和變形、坐標、幾何尺寸等參數，應采用現場實際測量的方法獲取。

2.試驗室與工廠測量

對于材料的彈性模量等參數，應采用試驗室測量的方式獲取。

3.通過現場測試識別

無法通過實際現場測量、試驗室與工廠測量獲取的參數，采用間接法，通過模擬、試驗測試及計算分析等方法獲取。

（四）監控參數的預測與調整

施工監控的核心工作是在監測數據的基礎上對施工過程進行有效控制，保證成橋線形和內力滿足設計要求和預期。

在施工監控的實際操作中，先將每階段施工數據進行實測（包括材料特性、關鍵截面受力狀態、結構位移等）。將實測材料特性輸入計算模型，計算結構的理論狀態，如與實測狀態不符應找出原因，確保結構計算狀態與實測狀態吻合。

依據現有的計算模型和實測參數預測成橋線形和結構受力狀態，分析預測成橋狀態與設計狀態的差異。當差異不滿足設計要求時，根據設計和規范的要求，調整下一施工階段或后續幾個施工階段的施工參數和工藝，將調整后的數據導入模型中進行模擬，分析現況成橋線形的狀態（包括主梁應力的狀態），將此時模擬的成橋狀態稱為修正成橋狀態。

若差異滿足設計，則以理論施工狀態為直接施工目標，以修正成橋狀態為間接施工目標。

在橋塔、鋼錨梁、上部結構澆筑施工完成后，測量塔頂位置和標高、橋面線形等實際施工狀態，與理論施工狀態相比，兩者必然存在偏差。以塔頂位置和成橋橋面設計線形為目標狀態，分析計算各索索力，得到理論施工狀態，同時預測出新的成橋線形狀態和內力狀態。

每對斜拉索安裝張拉后，上部結構和主塔的位移情況與理論施工狀態相比也存在偏差。將偏差代入計算模型，以成橋橋面設計線形為目標狀態，調整剩余斜拉索索力，得到理論施工狀態，同時預測出新的成橋線形狀態和內力狀態。與上一步驟修正成橋狀態相比，此時成橋狀態的內力和線形、斜拉索索力同樣也有所變化。隨著橋梁施工過程中不斷重復上述步驟，橋梁結構最終會達到修正成橋狀態。

三、施工監控初步計算分析

（一）計算方法與軟件

計算軟件采用橋梁結構通用有限元分析與設計軟件Midas Civil 2015。根據本橋施工流程，將斜拉橋施工分析模型劃分為31步進行計算。結構仿真計算分析采用Midas Civil建立空間模型。

（二）計算模型及參數

1.模型簡介

為詳細分析主塔和主梁的受力情況，建立了梁格模型，如圖1所示。主縱梁截面采用單箱單室箱梁截面，橫梁采用T梁截面。主塔從承臺開始模擬。

圖1 結構計算簡圖

2.單元類型

模型中采用的單元類型包括以下兩種。

索單元：斜拉索采用只受拉單元和索單元進行模擬，線性分析時自動等效為桁架單元進行計算。

梁單元：橋塔、主梁采用梁單元進行模擬。

3.邊界條件

塔柱：承臺底固結。

主梁：主梁各支座處設置彈性連接，彈性模量為：豎向1×107.00kN/m，橫向10.00kN/m。

斜拉索：根據圖紙計算錨點位置，主塔錨點與鋼錨梁安裝牛腿處主塔剛性連接，主梁錨點與最近的橫梁縱梁節點剛性連接。

4.材料特性

結構各構件材料參數見表2。

表2 結構材料參數

5.幾何特性

結構主要構件截面幾何參數見表3。

表3 主要構件截面幾何特性參數

（三）計算成果

1.主塔應力

主塔最大壓應力為-10.90MPa，發生于塔底處，最大應力發生在主梁支架卸架后。應力圖見圖2。

圖2 恒載作用下主塔應力示意圖

2.梁應力

主縱梁最大應力為-17.50MPa，發生于跨中合龍處，最大應力發生在主梁合龍后調索階段。橫梁最大應力為-15MPa，發生于中跨1/4跨處，最大應力發生在斜拉索安裝張拉完成后。

四、監控測點布設

（一）主塔應力測點

每個主塔設置2個應力監測截面，每截面4個測點，全橋共設置32個主塔應力測點。主塔應力測點使用振弦式應變計布設。

①水庫管理單位具有土地管理權，不改變原有土地的所有權和使用權，適用于管理范圍內存在非權屬土地又難以確權于水庫管理單位的情況。水庫管理單位只在水庫防汛與興利調度時行使其管理權，以充分發揮水庫效益，保護人民群眾生命財產安全。

（二）主塔位移測點

每個主塔布置8個臨時位移測點和1個永久位移測點，全橋共布置32個主塔臨時位移測點，4個永久位移測點。

臨時位移測點使用反光標靶布設，永久位移測點使用反光棱鏡布設。

（三）主梁應力測點

全橋在主縱梁設置9個應力監測截面，每個截面布置10個應力監測測點；選取2道橫梁設置應力測點，每個橫梁布置12個應力測點。主梁應力采用振弦式應變計測量。

（四）主梁位移測點

主橋起始樁號K2+45，終點樁號K2+345。滿堂架支模階段在各主縱梁南北兩側設置測線，全橋設置4條測線，各測線布置55個標高測點，共220個立模標高測點。掛索期間在每根斜拉索主梁錨點附近設置標高測點，全橋設置64個標高測點。調索期間在橋面中線南北兩側設置測線，每條測線按5m等間距設置59個測點，全橋布置118個測點。

（五）斜拉索測點

斜拉索掛索安裝階段對每根斜拉索索力進行監測，調索階段對重點斜拉索索力進行監測，在南側WSC1、ESC1、WMC8和EMC8斜拉索處安裝壓力環對索力測試結果進行校驗。

五、監控成果統計與分析

（一）主塔應力

施工過程中，10軸主塔實測最大應力為-11.90MPa，出現在10軸南塔塔中靠近中跨一側；11軸主塔實測最大應力-16MPa，出現在11軸北塔塔中靠近中跨一側，實測主塔最大應力略大于計算值-10.90MPa，但遠小于混凝土抗壓設計強度，主塔監測截面未出現拉應力。

主塔應力變化見圖3、圖4。

圖4 11軸主塔應力變化圖

（二）主塔位移

（三）主梁應力

主梁實測最大應力為-19.20MPa，出現在跨中合龍段處，略大于計算值，但遠小于混凝土抗壓設計強度，主梁各監測截面未出現拉應力。

（四）主梁位移

滿堂架支模階段監測結果及立模標高監測結果表明主梁立模標高滿足設計和監控要求。

掛索期間監測結果表明，到主梁支架拆卸后，主梁中跨跨中最大下沉154.47mm。

調索期間監測結果表明，調索后主梁跨中北側低于設計值41mm，跨中南側低于設計值54mm。

（五）斜拉索索力

調索后索力基本為均勻變化，各索索力未超規范限值，滿足設計要求，成橋后斜拉索索力分布見圖5。

圖5 成橋斜拉索索力分布

（六）監控結論

施工過程中主塔、主梁及拉索應力未超限值。到調索完成，全橋結構施工結束后，橋梁狀態如下。

（1）施工過程中主塔主要截面應力變化趨勢與理論計算值基本一致，最大應力滿足設計規范要求，未出現拉應力。

（2）10軸北塔塔頂向中跨34.80mm，10軸南塔塔頂向中跨23.30mm，11軸北塔塔頂向中跨55.70mm，11軸南塔塔頂向中跨40.90mm。

（3）主梁主要截面應力變化趨勢與理論計算值基本一致，最大應力滿足設計規范要求，成橋后主梁主要截面未出現拉應力。

（4）主梁跨中北側低于設計值41mm，跨中南側低于設計值54mm。

（5）調索后各索索力未超規范限值，滿足設計要求。

六、結語

通過施工過程中監控表明施工過程中主塔主要截面應力變化趨勢與理論計算值基本一致，最大應力滿足設計規范要求，未出現拉應力。主梁主要截面應力變化趨勢與理論計算值基本一致，最大應力滿足設計規范要求，成橋后主梁主要截面未出現拉應力。調索后各索索力未超規范限值，滿足設計要求。

通過建模來模擬施工工藝、順序等，分析施工過程中可能存在的不安全因素，并結合施工工程中的實時監控數據，可以協助設計單位及施工單位合理調整設計及施工方案。橋梁施工過程中的監控，對橋梁施工安全、施工順序調整及施工圖設計調整，都有一定參考價值。