謝軍 王龍林 于孟生

摘要：文章以某矮塔斜拉橋?yàn)轫?xiàng)目依托，從控制點(diǎn)復(fù)核、主梁線形測(cè)量、應(yīng)力測(cè)量、橋塔偏位測(cè)量、24 h監(jiān)測(cè)等方面，探討矮塔斜拉橋施工監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，為類(lèi)似橋梁工程施工監(jiān)控提供參考。

關(guān)鍵詞：施工監(jiān)控;斜拉橋;線形測(cè)量;應(yīng)力測(cè)量;橋塔偏位

With an extradosed cablestayed bridge as the project support，this article discusses the key technical points of extradosed cablestayed bridge construction monitoring from the aspects such as control point review，main beam linear measurement，stress measurement，bridge tower deviation measurement and 24hour monitoring，thus providing the reference for similar bridge construction monitoring.

Construction monitoring;Cablestayed bridge;Linear measurement;Stress measurement;Tower displacement

0 引言

矮塔斜拉橋是由斜拉索、箱梁和橋塔組成的一種結(jié)構(gòu)體系。由于其延續(xù)著連續(xù)剛構(gòu)橋梁的受力特點(diǎn)且配合斜拉索作用，使得結(jié)構(gòu)整體具有較好的剛度，同時(shí)使剛構(gòu)橋跨中下?lián)蠁?wèn)題得以一定的改觀，近年來(lái)備受市政橋梁的偏愛(ài)。多數(shù)學(xué)者在矮塔斜拉橋研究中側(cè)重于如何調(diào)整索力，如何控制高程和應(yīng)力，而忽略了溫度、實(shí)測(cè)索力的差異對(duì)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用的影響[1-2]，分析側(cè)重理論。本文結(jié)合多年施工監(jiān)控的經(jīng)驗(yàn)，以矮塔斜拉橋?yàn)轫?xiàng)目依托，針對(duì)施工過(guò)程中監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行闡述，從控制點(diǎn)復(fù)核、主梁線形測(cè)量、應(yīng)力測(cè)量、橋塔偏位測(cè)量、24 h監(jiān)測(cè)等多方面、全方位地進(jìn)行綜述，可為以后的橋梁監(jiān)控提供參考性建議。

1 橋梁概況

該橋?yàn)椋?0+165+165+90）m單索面三塔預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。主跨布置按雙孔單向通航設(shè)計(jì)，橋?qū)?0.5 m，梁高3.2～6.2 m，主塔為弧線形花瓶式塔，塔高22.0 m。全橋共計(jì)144根斜拉索，斜拉索梁上間距4 m，塔上理論索間距0.8 m。

主墩采用雙肢薄壁墩，圓端形承臺(tái)，樁基礎(chǔ)為2.2 m鉆孔灌注樁。主橋采用掛籃懸臂對(duì)稱(chēng)澆筑的方法施工[3]，主橋基礎(chǔ)利用鋼管樁平臺(tái)施工基樁，利用鋼套箱封底。主梁為整幅單箱三室直腹板箱梁，箱梁頂板寬度為30.5 m，底板寬度為21.5 m，兩側(cè)各挑臂長(zhǎng)度為4.5 m。橋面設(shè)置1.5%的雙向橫坡，梁底水平。箱梁根部梁高6.2 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆梁段梁高3.2 m，其間梁底下緣以1.8次拋物線變化。

2 施工監(jiān)控要點(diǎn)

施工監(jiān)控是針對(duì)每段實(shí)際施工工序及施工監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)平差、分析和驗(yàn)算，并根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工監(jiān)控指令，以確保結(jié)構(gòu)逐段施工符合設(shè)計(jì)要求。施工監(jiān)控控制流程可以按照?qǐng)D1執(zhí)行。

2.1 控制點(diǎn)復(fù)核

施工監(jiān)控進(jìn)場(chǎng)時(shí)采用高精度全站儀復(fù)核河岸上基準(zhǔn)控制點(diǎn)和主橋橋墩頂面基準(zhǔn)點(diǎn)高程。主橋主梁施工到一定節(jié)段采用水準(zhǔn)儀復(fù)核橋墩頂面基準(zhǔn)點(diǎn)高程，以確保橋面標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)的統(tǒng)一。

2.2 主梁線形測(cè)量

主梁線形測(cè)量主要是針對(duì)主梁各節(jié)段控制點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)行觀測(cè)，并以階段性對(duì)主梁軸線偏位觀測(cè)為輔助。主梁線形測(cè)量監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)與箱梁縱向梁段劃分一致，每4 m（距墩中心第一個(gè)測(cè)點(diǎn)為5.5 m）設(shè)置一個(gè)。由于橋面較寬，標(biāo)高觀測(cè)在每段主梁頂板橫斷面上采用3點(diǎn)控制，如圖2所示。測(cè)點(diǎn)采用16 mm的豎直鋼筋制作，鋼筋頂、底部分別與主梁頂板頂層和底層鋼筋焊接，以確保測(cè)點(diǎn)鋼筋穩(wěn)固牢靠，鋼筋頂端磨圓露出混凝土表面1.5 cm左右，用油漆標(biāo)記，并對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，如圖3所示。若按圖中尺寸制作的鋼筋與箱梁預(yù)應(yīng)力波紋管或施工機(jī)具沖突，可橫向適當(dāng)挪動(dòng)鋼筋頭位置（一般≤10 cm）。

2.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

索塔主要承受斜拉索的豎向分力和橋塔兩邊拉索水平分力引起的彎矩，同時(shí)在施工過(guò)程中的施工荷載將使橋塔產(chǎn)生較大的變形與應(yīng)力[4]。全橋共3個(gè)索塔，單個(gè)索塔根部截面布設(shè)4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。主梁在施工過(guò)程中將承受軸向壓力和變化彎矩的共同作用，因此在關(guān)鍵控制截面設(shè)置應(yīng)力傳感器進(jìn)行應(yīng)力觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間在各施工階段前后進(jìn)行，對(duì)于重要施工階段應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。全橋主梁共布置10個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面，共164個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。這些斷面主要監(jiān)測(cè)主梁混凝土頂?shù)装逶谑┕み^(guò)程、體系轉(zhuǎn)換過(guò)程、斜拉索張拉或索力調(diào)整過(guò)程、橋面鋪裝施工過(guò)程中的應(yīng)力變化情況。應(yīng)力監(jiān)測(cè)一方面是監(jiān)測(cè)各斷面在整個(gè)施工過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)是否正常，保證受力狀態(tài)處在安全可控的范圍之內(nèi);另一方面是將監(jiān)測(cè)值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比以便于對(duì)施工過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和調(diào)整。主橋應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面見(jiàn)下頁(yè)圖4。

2.4 索力測(cè)試

斜拉索的張拉力直接影響主梁的內(nèi)力和線形，斜拉橋索力是反映全橋內(nèi)力狀態(tài)的重要指標(biāo)，施工階段和成橋階段的索力測(cè)試是斜拉橋施工監(jiān)控系統(tǒng)的主要工作之一。索力的測(cè)試通常將索力的通測(cè)和張拉索索力的單根測(cè)量相結(jié)合。在斜拉索張拉后對(duì)其進(jìn)行索力測(cè)量能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正因施工工藝和技術(shù)產(chǎn)生的索力誤差，以評(píng)價(jià)索力和主梁內(nèi)力狀態(tài)，研究誤差消除的對(duì)策。本橋?qū)π崩鞑捎谜駝?dòng)頻率量測(cè)法，索力測(cè)試采用DH5906無(wú)線索力測(cè)試儀進(jìn)行。

2.5 橋塔偏位測(cè)量

塔頂偏位是結(jié)構(gòu)變形的一個(gè)重要指標(biāo)。為保證塔區(qū)主梁混凝土澆筑之后以及斜拉索張拉后橋塔結(jié)構(gòu)安全，需要在索塔頂部預(yù)埋棱鏡或貼反光片作為測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)塔柱的偏位和標(biāo)高[4]。本橋在索塔施工階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況布置偏位測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，索塔偏位測(cè)點(diǎn)布置示意如圖5所示。

2.6 24 h主梁溫度、應(yīng)力及線形監(jiān)測(cè)

溫度影響是施工控制中較難掌握的因素，所以，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中一般不把溫度影響作為單獨(dú)工況，而是將溫度影響單獨(dú)列出，作為修正[5]。溫度影響包括日照溫差和年溫差兩部分，是斜拉橋施工控制中非常重要的因素。本橋在晴天和陰天分別對(duì)主梁8#節(jié)段、16#節(jié)段和20#節(jié)段（合龍前）進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)，8#節(jié)段24 h監(jiān)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)圖6～8。

2.7 其它監(jiān)控內(nèi)容

預(yù)應(yīng)力磨阻損失試驗(yàn)、主梁立模高復(fù)核測(cè)量、掛籃變形測(cè)量、主梁和橋塔截面尺寸測(cè)量等。

3 有限元計(jì)算

橋梁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算采用Midas/Civil軟件進(jìn)行計(jì)算。

3.1 模型建立

（1）材料：主墩采用C40混凝土，承臺(tái)采用C30混凝土。

主梁及索塔采用C55混凝土，彈性模量Ec=3.55×104 MPa，γ容重=26 kN/m3。

（2）橋面系：防撞護(hù)欄容重取值γ=25 kN/m3，瀝青混凝土容重取為24 kN/m3，C50混凝土容重取為24 kN/m3。人行道板重取為每延米4.0 kN/m2，人群荷載取為3.0 kN/m2。

（3）混凝土收縮徐變按規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

（4）汽車(chē)荷載按照公路Ⅰ級(jí)6車(chē)道進(jìn)行加載，程序自動(dòng)按影響線進(jìn)行最不利加載得到結(jié)構(gòu)最不利效應(yīng)。主橋雙向六車(chē)道，折減系數(shù)0.55，人群荷載3 kN/m2。

（5）收縮徐變按10年達(dá)到收縮徐變終值考慮。

（6）溫度作用：箱梁合龍溫度取20 ℃，系統(tǒng)升溫、系統(tǒng)降溫各按20 ℃計(jì)。

（7）溫度梯度：按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.10條取用。豎向梯度溫度效應(yīng)以10 cm瀝青混凝土為基準(zhǔn)，橋面板頂層升溫T1為14 ℃，底升溫T2為5.5 ℃，A=300 mm。豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5系數(shù)，頂板降溫T1為-7 ℃。

（8）墩臺(tái)不均勻沉降：相鄰墩臺(tái)間不均勻沉降，主墩下降5 mm?？紤]以下假設(shè)：

① 截面變形符合平截面假設(shè);

②混凝土、鋼筋為理想彈性材料，混凝土、鋼筋的彈性模量為常數(shù)。

采用有限元程序Midas/Civil進(jìn)行計(jì)算，全橋主橋共建立594個(gè)節(jié)點(diǎn)，5個(gè)單元。計(jì)算模型如圖9所示。

3.2 計(jì)算項(xiàng)目

3.2.1 施工階段有限元分析

施工階段有限元分析包括成橋箱梁應(yīng)力狀態(tài)、施工階段箱梁應(yīng)力、施工階段斜拉索索力、施工階段索塔應(yīng)力、箱梁預(yù)拱度計(jì)算、箱梁撓度計(jì)算結(jié)果等[6-7]。

3.2.2 成橋階段結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.1.6條和第4.1.7條分別進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，并分別采用以下作用效應(yīng)組合：

（1）承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算：正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算;斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算;斜拉索索力驗(yàn)算。

（2）正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算：正截面抗裂驗(yàn)算;斜截面抗裂驗(yàn)算;撓度驗(yàn)算。

（3）持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算：正截面法向壓應(yīng)力驗(yàn)算;斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算。

斜拉橋在橋面鋪裝后需要二次調(diào)索到目標(biāo)索力，通過(guò)有限元計(jì)算采用影響矩陣法可以快速、準(zhǔn)確地調(diào)整到設(shè)計(jì)值。

通過(guò)及時(shí)反饋數(shù)據(jù)修正模型，最終能夠很好地反映橋梁的真實(shí)應(yīng)力和線形狀態(tài)[8-10]。

4 監(jiān)控結(jié)果

（1）通過(guò)對(duì)主梁每節(jié)段立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，主梁每節(jié)段線形順暢，主橋合龍段標(biāo)高滿(mǎn)足規(guī)范要求±20 mm以?xún)?nèi)[6]。

（2）通過(guò)及時(shí)采集主梁和橋塔截面應(yīng)力并對(duì)其進(jìn)行分析可知，在主梁混凝土澆筑和張拉及斜拉索張拉施工過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力異常增加或減小的情況，施工過(guò)程控制截面受力合理。

（3）斜拉索索力偏差大部分滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在±2%以?xún)?nèi)，斜拉索索力最大偏差不超±5%。索力誤差偏大部分是因施工單位張拉工藝和技術(shù)限制所致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)體工程中某矮塔斜拉橋?yàn)轫?xiàng)目依托，針對(duì)施工過(guò)程中的監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行闡述。通過(guò)主梁線形測(cè)量、應(yīng)力測(cè)量、橋塔偏位測(cè)量、24 h監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)校核分析，以有限元計(jì)算分析的應(yīng)用來(lái)闡述矮塔斜拉橋監(jiān)控要點(diǎn)，為以后類(lèi)似橋梁監(jiān)控積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，具有重要的意義。

通過(guò)對(duì)本橋線形的監(jiān)測(cè)可知，懸臂合龍的中線位置誤差5 mm，≤10 mm;懸臂合龍的高程差10 mm，在±20 mm之內(nèi)，橋面線形平順，滿(mǎn)足施工規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。應(yīng)力監(jiān)測(cè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力異常狀況，應(yīng)力儲(chǔ)備良好，滿(mǎn)足施工和設(shè)計(jì)要求。監(jiān)控過(guò)程中斜拉索初張拉力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和施工要求，索力無(wú)異常狀況，最終成橋索力滿(mǎn)足施工規(guī)范要求。

監(jiān)控過(guò)程總結(jié)如下：

（1）主梁各施工工況的線形測(cè)量、應(yīng)力測(cè)量必須保證在早上太陽(yáng)出來(lái)之前即6[JX-+0.7mm]：[JX+0.7mm]00左右時(shí)間段進(jìn)行，此時(shí)間段溫度較低且溫度變化小，可盡可能減小溫度對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的影響。

（2）施工工況持續(xù)時(shí)間太久易造成較大應(yīng)力測(cè)量偏差，因此對(duì)應(yīng)力的測(cè)量盡量采用應(yīng)力增量法進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)顯示采用此方法可使得實(shí)測(cè)應(yīng)力更接近理論值，對(duì)施工的指導(dǎo)意義重大。

（3）嚴(yán)格控制每個(gè)階段的標(biāo)高并和理論計(jì)算值對(duì)比，如發(fā)現(xiàn)某階段澆筑或張拉撓度異常，可及時(shí)總結(jié)找到原因指導(dǎo)施工。事實(shí)證明，主梁每個(gè)施工階段工況下標(biāo)高偏差都能在合理范圍內(nèi)，每節(jié)段立模標(biāo)高值調(diào)整很小，對(duì)主梁的受力和順利合龍有很重要的影響。

（4）本項(xiàng)目索力測(cè)試采用頻率法，計(jì)算長(zhǎng)度和實(shí)測(cè)索頻率對(duì)數(shù)據(jù)有一定影響，因此需要多次測(cè)量和去除現(xiàn)場(chǎng)不同因素的干擾，使測(cè)試值更加精確，能夠反映索力的真實(shí)狀態(tài)。當(dāng)張拉索力超出規(guī)范允許偏差時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整。

（5）監(jiān)控過(guò)程中需要建立模型理論分析，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、修正模型，從而達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤、預(yù)警的效果，很好地指導(dǎo)施工。此外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以為以后橋梁健康監(jiān)測(cè)提供寶貴的原始資料信息，為大橋全壽命運(yùn)營(yíng)的管理提供有力的支持。

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