連續剛構橋施工監測及預警研究

摘 要：【目的】近年來，我國橋梁安全事故頻發，其中一些事故是由于施工階段缺乏科學、全面的安全監測造成的，以濮陽市某連續剛構橋為研究對象，旨在消除橋梁施工階段可能造成的結構安全隱患。【方法】施工階段采用Midas軟件進行數值模擬，利用方差分析中的F統計量方法及最小二乘法對模型結構參數進行了篩選及優化，并基于仿真結果建立了橋梁施工階段的預警閾值。【結果】橋梁監測數據及預警結果顯示，該橋施工階段處于健康安全狀態。【結論】對模型參數的優化及建立的預警閾值模型能夠準確反映橋梁的實際狀態，為橋梁施工階段安全監測預警提供了依據和參考。

關鍵詞：橋梁施工監測；參數估計；預警閾值；安全狀態分析

中圖分類號：TG333" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.016

Research on Construction Monitoring and Early Warning of"Continuous Rigid Frame Bridge

LIU Zhen1 HUANG Xianglu2 MENG Wenyuan1

（1.School of Civil Engineering and Communication， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045，China; 2. China Railway 17th Bureau Group Co.， Ltd.， Taiyuan 030006，China）

Abstract： [Purposes] In recent years， bridge safety accidents in China occur frequently， and some of which are caused by the lack of scientific and comprehensive safety monitoring in the construction stage. Taking a continuous rigid frame bridge in Puyang City as the research object， this paper aims to eliminate the structural safety hazards that may be caused by the bridge construction stage.[Methods] In the construction stage， Midas software was used for numerical simulation， and the model structural parameters were screened and optimized by using the F statistic method and least squares method in ANOVA， and the early warning threshold of the bridge construction stage was established based on the simulation results.[Findings] The bridge monitoring data and early warning results showed that the bridge was in a healthy and safe state during the construction stage. [Conclusions] The optimization of model parameters and the early warning threshold model established can accurately reflect the actual state of the bridge， which provides a basis and reference for safety monitoring and early warning in the bridge construction stage.

Keywords： bridge construction monitoring; parameter estimation; early warning thresholds; security posture analysis

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，公路橋梁已成為現代交通網絡中的重要組成部分。作為其中一種高承載能力和穩定性強的橋梁類型，連續剛構橋被廣泛采用。

隨著橋梁跨度的增加，采用懸臂施工法滿足建造需求是較為常見的選擇并更具優勢。然而，該方法在施工過程中也存在一定的局限性，例如施工難度大、內力及位移變化復雜等^［1］。對于大跨度的連續剛構橋來說，若監測控制不到位，則可能導致撓度變化明顯，甚至出現結構裂縫等問題^［2］。

因此，在施工階段實時監測橋梁、分析監測數據并及時進行預警和控制是確保橋梁結構參數符合設計規范的必要手段。基于此，本研究旨在探究連續剛構橋懸臂澆筑施工法下的橋梁監測及預警方法，為實現橋梁施工過程的安全、高效提供參考。

1 工程概況

該橋梁類型為連續剛構梁橋，橋長（80+130+80） m，主梁截面為單箱單室，橋梁應變及溫度傳感器布置如圖1所示。本研究使用橋梁結構分析專用程序Midas 2021，對橋梁施工階段進行數值模擬，由于橋梁為左右幅對稱設計，故僅建立單幅模型。

全橋模型共170個節點，167個單元，234根預應力筋，橋梁有限元模型如圖 2 所示。主梁采用C55混凝土，彈性模量為35.5 kN/mm²，鋼筋束預應力為1 395 MPa，波紋管摩阻系數為0.3。

該橋施工階段結構分析方法選用正裝分析法，此方法是一種模擬橋梁實際施工順序及荷載的計算分析方法^［3］。本研究選用此方法共建立43個施工階段，具體見表1。

施工監控采用自適應控制法，相較于閉環控制法，其優勢在于通過識別參數調整結構實際狀態與理想狀態的偏差，在調整后可根據實際情況循環調整，直至橋梁建成^［4］。

2 仿真分析結果

2.1 應力狀態結果驗算

通過Midas模型計算分析橋梁最大懸臂狀態，得到橋梁彎矩、剪力及應力最大值，其中應力最大值為10.82 MPa，與規范對比，規范規定主梁應力應小于0.7倍的混凝土抗壓強度，比較結果：10.82 MPa≤0.7f_ck= 0.7×35.5 MPa，符合規范。邊跨合龍、中跨合龍狀態分析、二期鋪裝狀態分析結果最大應力值分別為11.07 MPa、11.80 MPa、10.77 MPa，均符合規范。

2.2 預拱度

在橋梁施工過程中，需要進行預拱度計算，使橋梁變形沉降后達到設計標高，經過數值模擬分析后得到橋梁施工階段預拱度，如圖3所示。

3 敏感性分析及參數估計

3.1 橋梁結構參數篩選及顯著性分析

選取混凝土容重、彈性模量、波紋管摩阻系數及鋼筋束預應力作為初始設計變量。選取橋梁最大懸臂狀態下，即16號塊張拉后，其他號塊豎向位移變化作為目標變量。橋梁豎向位移影響參數顯著性分析如圖4所示。

將初始設計變量分別提高10%后得到主梁豎向位移變化量，相較于其他設計變量，混凝土容重對于豎向位移影響幅度較小，故選取彈性模量、波紋管摩阻系數、鋼筋束預應力作為最終設計變量參數并分別以參數A、B、C表示；橋梁9、11、13、15#塊豎向位移作為目標變量。假定參數在10%的變化范圍內結果線性相關，采用中心復合試驗設計法^［5］進行試驗設計及方差分析法分析參數顯著性，參數顯著性水平如圖4所示，p值反映設計變量參數對目標變量的顯著性，p＜0.05表示該設計變量參數對目標變量的影響是顯著的。顯著性分析結果表明，參數A、B、C對目標變量的影響也是顯著的。

3.2 參數估計

橋梁施工階段結構參數估計方法中，最小二乘法被廣泛應用，它是一種基于誤差最小化的分析方法。對結構參數進行估計^［6］，見式（1）。

[θ=（φ^Tρφ）^-1φ^TρY]" " " " " " " " " " "（1）

式中：θ、φ、ρ、Y分別為參數誤差、變換矩陣、加權矩陣、誤差向量。

基于顯著性分析結果，選擇混凝土彈性模量、波紋管摩阻系數及鋼筋束預應力作為變量參數；選取力學性能較為明顯的中期施工階段進行分析，8#塊澆筑后的4、5、6、7#塊豎向位移理論值與實測值為樣本見表2，得到誤差向量見式（2）。

{Y} = {0.09 0.14 0.13 0.18}" " " " " " " " （2）

分別將參數混凝土彈性模量、波紋管摩阻系數及鋼筋束預應力提高10%，得到轉換矩陣，見式（3）。

加權系數矩陣ρ與很多因素相關，包括現場人員的施工經驗等主觀因素及橋梁結構本身等客觀因素，通常難以確定，故本研究在進行參數誤差調整時，不考慮權矩陣影響。將轉換矩陣代入式（1），得到參數修正量，見式（4）。

參數修正后結果為鋼筋束預應力1 279.22 MPa、彈性模量39.16 kN/mm²、波紋管摩阻系數0.279，并且模型參數估計在施工階段根據現場情況循環往復進行，修正后的數值模擬結果作為橋梁施工階段的理論值，為本研究后續的預警閾值設定提供參考。

4 施工監測預警及安全狀態分析

選取橋梁施工號塊澆筑前、澆筑后、張拉后的撓度及應力作為監測目標^［7］。

4.1 固定閾值預警

4.1.1 撓度預警閾值。參考《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1—2004），已澆梁端及成橋后控制高差為±L/5 000，則該橋控制誤差為±130 000/5 000=±26 mm。

監測預警結果顯示，橋梁施工號塊澆筑前后、張拉后撓度最大誤差為22 mm，均小于26 mm。撓度預警閾值和該橋1號橋墩左幅大里程監測高程與數值模擬結果差值，如圖5所示。其中正值為實測值高于理論值的差值，負值為實測值低于理論值的差值，均未超出預警閾值，處于正常狀態。

4.1.2 應力預警閾值。橋梁應力監測采用高精度的振弦應變計算，監測橋梁在混凝土梁16個號塊澆筑前、澆筑后及張拉后的應力變化情況，并利用應變與應力線性關系換算成應力，與數值模擬得到的理論應力值進行對比。

施工階段應力預警閾值選取理論數值±10%變化幅度作為應力預警閾值，由橋梁一號橋墩左幅0號塊大里程應變計監測得到，14個號塊張拉后應力監測結果（由應變數據計算得出）如圖6所示。由圖6可知，監測結果存在一定誤差，經分析其產生受多種因素影響，如理論模型計算與實際施工存在誤差、應變計置入場景及應變滯后性、混凝土收縮徐變影響、溫度變化、剪力值效應等各種因素。其中個別號塊受溫度效應、荷載等各種因素干擾，實測應力與理

論值相差較大，但總體變化趨勢并未偏離，應力預警后綜合分析，可以判定橋梁應力施工階段變化符合設計規范。

4.2 變化閾值預警

利用橋梁左右幅對稱設計這一特性，建立撓度及應力關聯度指標，分析橋梁非均勻變化。則撓度變化預警閾值為橋梁相同施工階段左右幅撓度差值±52 mm；應力變化預警閾值為相同施工階段左右幅應力差值±20%，該橋自施工直至成橋，實測數據均未超過變化預警閾值。

5 結論

本研究以濮陽市某連續剛構橋施工監測及預警為研究背景，利用Midas軟件對該橋進行了仿真分析并優化了模型參數，建立了相應的預警閾值模型，最終得出以下結論。

①利用方差分析中的F統計量方法及最小二乘法對該橋數值模擬參數進行識別及估計是有效的。

②本研究成功建立了科學、有效的連續剛構橋施工階段預警閾值，實現了及時、有效的安全監測及預警。

③依據橋梁整個施工階段監測預警結果，該橋結構在施工階段處于安全、穩定狀態。

研究結果為施工階段橋梁安全監測提供了一種新的方法和思路，對于保障橋梁施工階段的安全具有參考價值。

參考文獻：

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收稿日期：2023-04-22

作者簡介：劉震（1997—），男，碩士生，研究方向：公路橋梁安全監測及預警。