監測分析在斜拉橋施工控制中的應用

張宇航,張玖傳,張 松

（葛洲壩集團交通投資有限公司,湖北 武漢 430033）

0 引言

斜拉橋因具有優異的跨越能力，在跨江跨海方面表現出較為顯著的優勢[1]。然而斜拉橋的施工是一項系統而繁雜的過程，施工過程中的施工工藝和方法、結構的性能、安裝張拉索力及施工環境等對成橋后的結構線性和內力狀態均有著直接的影響。而斜拉橋在成橋前具有顯著的不穩定性，主要表現在施工過程中結構狀態隨施工進度的開展而不斷發生變化。為確保橋梁的順利合龍，結構狀態的變化必須控制在較高精度內，這對建設過程提出了嚴格的要求。

為了解決斜拉橋施工過程中結構狀態變化問題，確保達到成橋目標。需要從設計階段開始便考慮斜拉橋各部位的結構狀態，并重點關注施工階段斜拉橋主塔、斜拉索及主梁的結構狀態偏離設計理想狀態的幅度。眾所周知，理想狀態是使得成橋后的結構完全處于設計狀態，而實際施工過程中的各種因素的影響導致成橋后的結構狀態不可能達到理想狀態。因此，引入施工精度可以控制施工中各個部位的結構狀態與設計狀態之間的偏差。如果不在施工過程中依據施工要求精度對各影響參數加以適當調整，極有可能由于偏差的累積導致結構的實際狀態嚴重偏離設計目標，使得主梁最后難以合龍，且成橋后的橋梁線形和內力不滿足符合設計要求。由此可見，在施工過程中對結構的狀態進行有效的監測和控制，對于保證順利成橋具有重要的實際意義。基于此，該文首先闡述斜拉橋施工控制的內容，總結施工控制的重點和難點，由此引申出監測對于斜拉橋施工控制的必要性。其次介紹了監測分析在斜拉橋施工控制中的應用。最后以上海市三林道斜拉橋施工監測為例，詳細闡述了監測在斜拉橋施工中的重要性，為斜拉橋施工控制提供監測參考。

1 施工控制內容

1.1 主塔施工控制

由于影響主塔施工效果的主要因素為索導管的定位情況、幾何線形、主塔應變及溫度[2]，故為了確保主塔施工符合設計標準，需重點控制以上因素的動態變化情況。

在索導管的定位控制方面，為了提升索導管的定位精度，定位時需要加強斜拉索力學特性對導線坐標的影響監測，同時避免施工過程中索導管剮蹭斜拉索而造成損壞。此外，由于塔柱內勁性骨架受溫度影響的波動較大，溫度變化引起塔柱的變形，進而導致索導管定位精度降低，故進行索導管定位時須選擇氣溫變化較小的時段，建議在日出前及日落后開展定位工作。

在幾何線形控制方面，為使主塔施工中及成橋狀態下的幾何線形滿足設計要求，需要從主塔縱橋向和橫橋向的水平偏位及豎向壓縮量控制主塔整體的幾何線形，以確保幾何線形變化誤差控制在容許范圍內。

在應變控制方面，主塔應變是反映其是否處于安全狀態的最直觀的指標，因此，應在主塔關鍵部位布設應變測點以測試主塔混凝土的變形情況。

眾所周知，斜拉橋優異的跨越能力很大程度上與主塔高度具有較高的相關性，若要獲得更大的跨越長度，則需要建造更高的主塔以確保有效的索拉力。然而較高的主塔在施工過程中其上下部位的溫度場差異性是十分明顯的，這種主塔高度方向的溫度場差異極易導致塔身在空間位置發生顯著的偏移。塔身越高，偏移量越大。由此可見，主塔自身溫度場變化對主塔施工控制精度的影響不容忽視，為了提升施工控制精度，首先需精準測量出塔身溫度場的分布情況，在塔身關鍵部位埋設溫度傳感器。其次，當溫度場較大且不可避免時，須在塔身混凝土內布設降溫循環水管，計算并修正溫度影響參數，根據參數調整后續的施工安排。

1.2 斜拉索施工控制

斜拉索的索力情況對于斜拉橋的內力分布有著直接的影響[3]，因此，張拉是斜拉索施工控制的關鍵環節。為了獲得合理的內力分布狀態的斜拉橋，斜拉索張拉過程中需對索力進行動態監測，保證施加索力的正確性。建議將千斤頂油壓與斜拉索基頻索力兩者的測試數據進行相互性校核，以油壓表和振動式測索儀同時監測索力數據，以確保張拉索力的可靠性。

1.3 主梁施工控制

鋼箱梁的制造及拼裝的尺寸誤差、各節段的重量誤差、臨時荷載及臨時支撐的影響均對主梁的結構狀態有著一定的相關性。為了確保主梁的結構處于可控狀態，有必要對以上因素進行詳細的動態監測。

在制造過程中，為了獲得允許誤差范圍內的設計目標線形，須嚴格控制每個鋼箱梁節段的尺寸，精準監測出尺寸的誤差，對已制構件的誤差進行分析并及時做出調整，在后續批次節段的制造過程中采取相應改性措施以減少整體誤差的累積，降低誤差對于全橋目標線性的影響，使斜拉橋的線形處于可控狀態。

在拼裝過程中，由于拼裝過程所處工作環境較制造環境更差，不確定因素增多。為了保證鋼箱梁在容許范圍內順利完成拼裝并實現設計目標的幾何線形，首先，需要對梁的結構和質量進行實時監控，確保梁的各個部位的尺寸和幾何形狀達到設計要求，且不存在明顯的缺陷和質量問題。其次，由于鋼箱梁的拼裝過程中需要進行大量的焊接工作，焊接質量對梁的強度和耐久性有著至關重要的影響，因此，需要對焊接過程中的溫度、電流、電壓等參數進行實時監控，確保焊縫的質量和穩定性。最后，通過對梁的總體拼裝過程進行實時監控，確保不同部位的鋼箱梁之間的接合處符合設計要求，且拼裝后的梁可以滿足承載要求和使用需求。除此之外，當鋼箱梁拼裝完成后，需要進行安裝和調整，此時需要進行安裝過程的監控，確保梁的位置和角度達到設計要求，且安裝后不會出現傾斜和擺動等問題?？偟膩碚f，鋼箱梁拼裝過程中的監控重點是確保梁的結構合理、質量優良、焊接牢固、安裝穩固、可以滿足使用要求和承載要求，只有在監控各個環節的同時，才能保證鋼箱梁的安全性、可靠性和持久性。

2 施工控制重點

在施工中，斜拉橋各個部位的控制均應符合設計要求。為了使得斜拉橋施工階段和成橋階段結構狀態得到有效控制，須確定施工控制的重點因素。

在主塔方面，塔頂偏位、塔頂高程及斜拉索錨固點高程影響著主塔的結構狀態以及成橋的合龍施工，作為主塔施工過程中的控制性因素。此外，斜拉索的張拉力、橫向相鄰索的相對位置，主橋高程、相鄰節段標高偏差以及主梁軸線偏差這些關鍵因素的施工精度均應得到有效的控制。

3 施工控制難點

3.1 精度要求高

根據施工控制重點因素，現將各因素的控制精度要求列出如表1 所示。

表1 斜拉橋主要部位施工控制精度

由表1 可知，為了確保斜拉橋的成橋狀態滿足設計要求，需要在施工過程中對主塔、斜拉索以及主梁的一系列關鍵因素進行高精度控制。

3.2 結構參數多

為了使斜拉橋成橋后的結構狀態符合設計要求，需要考慮斜拉索及混凝土等材料的彈性模量、材料容重、結構構件的截面尺寸、材料的熱膨脹系數、預加應力以及索力等。

3.3 材料收縮及徐變影響大

收縮徐變是混凝土結構的基本特性，混凝土的配合比、環境溫度、加載齡期以及荷載大小均對混凝土的收縮徐變有著明顯的影響[4]。特別是用于高次超靜定的混合梁斜拉橋時，涉及主梁、主塔、斜拉索的相互作用和分階段施工、體系轉換等因素，使得徐變問題的影響更加顯著。

3.4 環境因素影響大

斜拉橋施工中對于施工誤差造成影響的環境因素主要有溫度的變化及風荷載的影響，其中溫度變化主要影響鋼箱梁的受力與變形，這種影響隨著溫度的改變而變化，不同溫度下的鋼箱梁結構的應力應變狀態不盡相同[5]，這就使得鋼箱梁結構在施工階段變得十分復雜。此外，在風荷載的擾動下，橋梁結構會產生漩渦和流動分離，形成復雜的氣流作用力，而風荷載本身屬于隨機作用，難以準確地預測其對橋梁結構的影響程度。

3.5 臨時荷載的誤差

在運輸及施工過程中，橋面的臨時荷載對于受力及變形的影響是不容忽視的，在控制分析中必須將其考慮在內，并根據實際進行合理取值。

3.6 施工方案的不確定性

斜拉橋施工所采用的工藝、方法及安裝程序與成橋后的主梁線性及結構恒載內力密切相關。在施工階段，隨著斜拉橋結構和荷載的改變，結構內力和線性也隨之不斷變化。為了適應其改變，需要依據每個階段的狀況動態調整施工方案，施工方案的改變使得斜拉橋施工變得越加復雜。

4 斜拉橋監測分析的必要性

4.1 主塔施工方面的監測

主塔作為斜拉橋的支撐點，是斜拉橋結構的骨架和穩定性的關鍵部分。由于受到風、地震和重荷等自然因素的影響，主塔的變形和破壞很可能導致斜拉橋的傾覆。因此，在斜拉橋的施工過程中，對主塔的監測十分重要。

首先，主塔應進行垂直變形的監測。由于主塔高度較高，其受到的溫度變化、荷載變化等因素會導致主塔的垂直變形，這會影響到斜拉橋的穩定性。因此，對主塔的垂直變形進行監測，能夠及時掌握主塔的狀態，以便對斜拉橋進行修復和調整。

其次，主塔應進行水平變形的監測。當主塔受到側向風的沖擊或地震等自然因素的影響時，會發生水平變形，這也會影響到斜拉橋的穩定性。因此，對主塔的水平變形進行監測，能夠及時發現主塔的變形情況，對斜拉橋進行調整和修復。

此外，主塔應進行傾斜角度的監測。當主塔發生傾斜時，會導致斜拉索的張力分布不均，進而導致斜拉索的過載或欠載。因此，主塔的傾斜角度應進行監測，以便及時發現主塔的傾斜情況，對斜拉橋進行修復和調整。

4.2 斜拉索施工方面的監測分析

斜拉橋的主要承載構件為斜拉索，斜拉索的張緊、伸縮和形變都會對斜拉橋的穩定性造成影響。因此，在斜拉橋的施工過程中，對斜拉索的監測也是十分必要的。

首先，斜拉索應進行風荷載監測。在斜拉橋的使用中，斜拉索受到的風荷載將直接影響橋梁的穩定性和安全性。因此，斜拉索的風荷載監測是非常重要的，可以及時發現斜拉索的荷載異常情況，以便采取相應的措施，提高斜拉橋的安全性。

其次，斜拉索應進行張力監測。斜拉索的張力與橋面支撐力之間的平衡關系是斜拉橋結構的支撐基礎。如果斜拉索的張力過大或過小，將導致斜拉橋結構失衡，從而導致斜拉橋的垮塌。因此，對斜拉索的張力進行監測，能夠及時發現斜拉索的張力異常情況，對斜拉橋進行修復和調整。

此外，斜拉索應進行伸縮監測。由于斜拉橋受到溫度等因素的影響，斜拉索存在一定的伸縮變形。因此，對斜拉索的伸縮位移進行監測，能夠及時發現斜拉索的變形情況，對斜拉橋進行調整和修復。

4.3 主梁施工方面的監測分析

主梁是斜拉橋的主要承載構件，負責承受行車荷載、風荷載等。主梁的形變和變形都會對斜拉橋的穩定性和安全性造成影響，因此，在斜拉橋的施工過程中，對主梁的監測也顯得尤為必要。

首先，主梁應進行撓度監測。主梁的撓度對斜拉橋的穩定性影響較大，如果撓度過大，不僅會影響橋梁的安全性，還會影響車輛的行駛。因此，對主梁的撓度進行監測，能夠及時發現主梁的異常情況，對斜拉橋進行修復和調整。

其次，主梁應進行荷載監測。主梁的荷載是由行駛車輛以及其他荷載造成的，荷載異常將導致主梁的變形和疲勞斷裂，從而影響斜拉橋的穩定性和安全性。因此，對主梁的荷載進行監測，能夠及時發現荷載異常情況，對斜拉橋進行調整和修復。

此外，主梁應進行變形監測。主梁的變形也是影響斜拉橋穩定性的一個重要因素。在斜拉橋的使用中，主梁的變形會影響斜拉橋的張力分布情況，導致斜拉橋的過載或欠載。因此，主梁的變形應進行監測，能夠及時發現主梁的變形情況，對斜拉橋進行修復和調整。

通過以上對主塔施工、斜拉索施工及主梁施工三個方面的監測討論，可以看出監測對于斜拉橋施工的必要性。監測可以準確地反映出斜拉橋各部分的異常情況，及時發現問題，做出相應的處理措施。

5 斜拉橋監測分析系統介紹

隨著科技的不斷發展，監測系統越來越智能，集成各種先進技術，成為斜拉橋安全管理的重要手段。建立斜拉橋監測分析系統能夠及時發現橋梁的缺陷和隱患，以避免安全事故的發生。該文將詳細介紹斜拉橋監測分析系統的構成、原理、數據的處理與分析等內容。

5.1 斜拉橋監測分析系統的構成

5.1.1 結構傳感器系統

結構傳感器系統是斜拉橋監測分析系統的核心組成部分，其主要作用是通過精密的傳感器來采集橋梁結構的應力、應變、撓度及溫度等數據。傳感器的種類較多，根據其測量的物理量不同可以分為拉力型、撓度型、應變型、溫度型四大類。各類傳感器可根據需要任意組合搭配，以確保對斜拉橋各部位的全面監測。

5.1.2 數據采集系統

數據采集系統是負責采集結構傳感器系統的數據信息，由數據采集儀器與數據傳輸設備兩部分組成。數據采集儀器是實現數據采集、存儲、處理、傳輸等多項功能的核心裝置，數據傳輸設備則負責將采集到的數據信息通過網絡、廣播等方式傳輸至后臺數據管理系統。數據采集系統的性能、穩定性和可靠性，直接影響到斜拉橋監測系統的監測效果。

5.1.3 數據管理與分析系統

數據管理與分析系統是指后臺管理人員負責將采集到的數據進行統計、分析、處理、預測和預警等工作，從而了解斜拉橋結構的健康狀況，及時發現可能存在的問題和隱患。設備管理模塊能夠延長設備壽命、保證設備正常運行；橋梁狀態監測模塊能夠實時監測斜拉橋狀態，幫助管理人員及時發現問題，提供有效的保障維護措施；數據分析與處理模塊能夠實現數據的統計、分析和處理，提出合理的維修建議，為橋梁的安全運轉提供了重要保障。

5.2 斜拉橋監測分析系統原理

斜拉橋監測分析系統的基本原理是根據這樣一個事實，即當斜拉橋受到外力時，所形成的應力、變形等可以通過一系列傳感器采集，并通過高科技軟件進行處理、分析，從而得到早期預警、智能評估、預防性維護等一系列應對措施。

5.3 斜拉橋監測分析系統數據的處理與分析

5.3.1 數據采集

系統采集的數據是非常豐富的，包括溫度、應力、振動等一系列數據。其中，豐富的數據有利于有效地建立模型，分析和預測橋梁的健康狀態，從而及時發現隱患，保證橋梁的正常運行。

5.3.2 數據分析

數據分析是斜拉橋監測分析系統的關鍵環節之一。監測系統采集的數據，需要通過統計分析、數據挖掘等手段對原始數據進行處理，目的是找到隱藏在數據中的規律。通常在數據分析工作中，首先是根據采集的數據對橋梁基本信息進行分析，確定橋梁內應變、應力、溫度及振動等測量點，隨后分別分析橋梁各個部位的安全狀態。

5.3.3 數據模型

建模是模型數據分析的關鍵部分之一，通過適當的模型能夠更加準確地預測斜拉橋的健康狀態。建立斜拉橋的健康狀態計算模型，需要考慮橋梁構造、參數選擇等因素。常用的建模方法主要包括貝葉斯網絡、人工神經網絡、邏輯回歸、支持向量機等。

5.3.4 數據預測

根據數據模型與歷史數據，預測斜拉橋未來可能發生的情況，如判斷維修等候時機、預測未來的設備問題等。

5.4 斜拉橋監測分析系統的優越性

5.4.1 重要性

為了確保斜拉橋的安全運行，斜拉橋監測分析系統成為橋梁管理的關鍵手段之一。在任何時候，橋梁的健康狀況都需要監測并進行釋疑處理，斜拉橋監測分析系統可以保證橋梁的正常運行，同時也可以避免管理成本和時間的浪費。

5.4.2 科技性

斜拉橋監測分析系統采用了多種先進技術，包括傳感器技術、數據采集和網絡通訊技術、計算機和數據庫管理技術、數據分析和處理技術等。這些技術的應用，使斜拉橋監測分析系統成為一款高科技的智能系統，能夠更快、更精確地獲取斜拉橋的健康信息。

5.4.3 高精度

斜拉橋監測分析系統的傳感器具有良好的測量精度，能夠實時采集橋梁的結構應變、撓度、溫度等數據，并將這些數據通過網絡進行傳輸，確保數據獲取的準確性和及時性，使后續的數據分析和預測更加精準、客觀。

5.4.4 高效性

斜拉橋監測分析系統可以在最短時間內獲得大量數據，并經過數據模型的處理進行預測，能夠及時發現可能存在的隱患和問題，提出合理的維護措施，最大限度地保護斜拉橋的安全性，使它能夠長時間穩定運行。

綜上所述，斜拉橋監測分析系統因其高科技、高精度、高效率等優越性，使得對斜拉橋的真正“無休止監控”能夠成為現實，確保斜拉橋的安全建成。

6 斜拉橋的施工實踐

三林道斜拉橋是一座雙塔雙索面斜拉橋，該橋采用了混凝土墩、鋼筋混凝土梁、雙索斜拉索等結構形式，是一座大型的斜拉橋工程。在施工過程中，采用了多種檢測方法和技術，對索塔、斜拉索和主梁進行了全面的監測和分析。

6.1 主塔監測

在三林道斜拉橋施工過程中，選擇了全埋式組合鋼板樁作為主塔基礎支撐，安裝主塔斜撐來支撐主塔外側構件，并在主塔吊裝后進行了主塔的靜載試驗，以保證主塔的穩定性。此外，還對主塔進行了形變和應力的實時監測，以確保主塔不受外力影響發生形變和應力失控。為了保證主塔監測數據的準確性和及時性，三林道斜拉橋使用了高精度自動變形監測系統，將主塔的位移、形變和應力等數據實時傳輸到監測中心，并及時報警。通過對主塔監測數據的分析和處理，工程師可以及時發現主塔的異常情況，并采取相應的措施進行調整和修補，以提高主塔的穩定性和安全性。

6.2 斜拉索監測

在三林道斜拉橋的施工過程中，使用了高強度鋼絲繩作為斜拉索材料，并采用了預應力拉緊的方式進行斜拉索的拉力控制。通過對斜拉索的拉力和應變進行實時監測，及時發現和排除拉力不足和應力過大等問題，可以有效保證斜拉索的安全使用。在斜拉索的監測過程中，三林道斜拉橋采用了全埋式布點監測系統，可以實時監測斜拉索的張力、應變、位移等因素，以對斜拉索進行全面的安全檢測。通過高效的監測系統，能夠有效保證斜拉索的穩定性和安全性。

6.3 主梁結構監測

在三林道斜拉橋施工過程中，不僅對主塔和斜拉索進行了監測，還對主梁結構進行了實時跟蹤和監測，旨在發現和排除主梁結構的隱患，確保橋梁的長期可靠運行。在主梁結構的監測中，三林道斜拉橋采用了高精度照片測量系統和全站儀監測系統，可以準確測量主梁結構的形變、位移和應力等數據，并在監測中心實時顯示和處理監測數據，及時發現和排除主梁結構的異常情況。此外，在施工過程中，還對主梁結構進行了全面的靜荷試驗和動荷試驗，以保證主梁整體穩定性和安全性。通過有效的監測和測試，可以及時發現和排除主梁結構的異常情況，保證三林道斜拉橋的安全使用和長期可靠運行。

綜上所述，主塔監測、斜拉索監測和主梁結構監測是保證三林道斜拉橋穩定性和安全性的重要環節。通過合理地采用監測系統，可以有效地發現和排除各種異常情況，保證橋梁的安全使用。未來，隨著技術水平的不斷提高，相信三林道斜拉橋將會更加安全可靠。

7 結論

通過從主塔、斜拉索及主梁施工的角度對斜拉橋施工內容進行梳理，結合工程實例得出如下結論：

（1）斜拉橋施工過程復雜、重點多、難度大、控制精度高，這一系列問題對斜拉橋施工提出了很高的要求。

（2）施工監測能夠較好地反映施工過程中橋梁各部分的狀態，對于解決施工一系列問題具有現實指導意義。

（3）及時監測是記錄斜拉橋施工過程的動態性能和狀態的有效途徑。通過定期檢查和對監測數據的分析，可以及時發現斜拉橋存在的問題，并采取措施處理。從長期的角度來看，這種監測方式有助于提高斜拉橋的結構穩定性。

（4）在進行監測和分析工作時，需要采用多種現代化監測和分析技術，以確保監測結果的準確性和可靠性。因此，在今后斜拉橋建設和維護過程中，需要重視監測和分析工作，對斜拉橋進行全方位的安全性評估和預測，以確保橋梁的長期穩定和安全性。