杜慧

(1.甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,甘肅蘭州 730000;2.甘肅省橋梁隧道健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通發(fā)展呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，國(guó)家對(duì)橋梁的需求也日益增加。近些年來，關(guān)于橋梁的各種研究及其成果逐漸應(yīng)用在了橋梁工程上，新技術(shù)與新材料的應(yīng)用為我國(guó)的橋梁建筑事業(yè)錦上添花，但在整個(gè)橋梁施工過程中，不可或缺的仍是監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)。加大施工控制理論的研究力度，研制更加實(shí)用、先進(jìn)的控制軟件，進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度和精度，建立起一套完善的控制系統(tǒng)，這對(duì)今后橋梁施工過程監(jiān)控工作提供必要的技術(shù)支撐和要求。橋梁施工的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)能夠指導(dǎo)施工實(shí)踐，保證橋梁的安全穩(wěn)定與耐久性，以及施工環(huán)節(jié)和整體橋梁結(jié)構(gòu)的有序進(jìn)行，以確保施工過程得以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)，滿足設(shè)計(jì)要求[1]。

1 監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)在橋梁施工方面的作用

1.1 確保橋梁施工正常進(jìn)行

施工監(jiān)控是施工技術(shù)的重要組成部分，并在橋梁施工中貫穿于全過程。實(shí)時(shí)進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)和控制成為橋梁結(jié)構(gòu)施工中的必要手段，施工控制參數(shù)需依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證結(jié)構(gòu)線形的平順，并監(jiān)控實(shí)際內(nèi)力分布，使橋梁結(jié)構(gòu)始終處于安全受力范圍內(nèi)。

在施工過程監(jiān)控中需要監(jiān)測(cè)的大量數(shù)據(jù)，不論是施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還是理論模型數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和分析，才能夠保證施工過程順利有序進(jìn)行，保證最終橋梁的順利合攏及安全穩(wěn)定。此外，在監(jiān)測(cè)過程中測(cè)量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過專業(yè)分析以及合理的有限元模型，能夠精確模擬橋梁施工中結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化和預(yù)拱度的控制，保證在特殊情況發(fā)生后能夠采取相應(yīng)措施，在一定程度上可以避免意外發(fā)生并對(duì)問題結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制、修改，保證橋梁安全。同時(shí)，由監(jiān)測(cè)技術(shù)介入的橋梁數(shù)據(jù)，能盡量在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固的基礎(chǔ)上符合工程美學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 為其它橋梁工程提供經(jīng)驗(yàn)

在施工監(jiān)控過程中采集的相關(guān)橋梁數(shù)據(jù)，一方面為自身橋梁施工提供監(jiān)控指令，另一方面也為其他相似結(jié)構(gòu)類型的橋梁工程提供經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。橋梁數(shù)據(jù)包括橋梁理論模型計(jì)算數(shù)據(jù)、掛籃和托架預(yù)壓數(shù)據(jù)、施工階段采集的高程、應(yīng)力及墩柱豎直度等數(shù)據(jù)、橋梁合攏前的配重等，數(shù)據(jù)的收集分析和監(jiān)控指令能夠?yàn)槿蘸箢愃茦蛄旱慕ㄔ焯峁┦┕そㄗh，使成橋后橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和線形滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，節(jié)省相關(guān)成本。此外，不同地區(qū)由于氣候、地形以及交通狀況的不同，橋梁施工的難易程度不同，不同的橋梁施工組織方案，可以提供不同的數(shù)據(jù)和解決方案，有利于橋梁工程以更快的速度進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)，更好的節(jié)省時(shí)間成本[2]。

1.3 對(duì)具體施工實(shí)踐進(jìn)行監(jiān)控

監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用，能夠節(jié)省人力監(jiān)控資源，同時(shí)也提高了對(duì)橋梁工程監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的效率，監(jiān)控人員能夠借助監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)施工過程進(jìn)行監(jiān)控，更加全面直觀的控制施工過程中的問題與紕漏，矯正過失，避免施工差錯(cuò)，從而縮短工期。

1.4 對(duì)施工過程進(jìn)行控制和管理

監(jiān)測(cè)和監(jiān)控技術(shù)能夠在施工過程中對(duì)投入設(shè)備以及工作人員的工作進(jìn)行有效的控制和管理。施工過程控制是對(duì)成橋狀態(tài)進(jìn)行合理有效的監(jiān)控，并對(duì)影響成橋最終目標(biāo)的參數(shù)誤差調(diào)整、修正，使成橋的橋梁結(jié)構(gòu)線形及主梁內(nèi)力控制滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求[3]。

（1）主梁內(nèi)力：影響橋梁結(jié)構(gòu)受力的主要因素是箱梁截面內(nèi)力狀況。通常上、下緣的應(yīng)力值是上部結(jié)構(gòu)的主要控制參數(shù)，控制作用的關(guān)鍵因素為主梁彎矩大小。

（2）結(jié)構(gòu)線形控制：被監(jiān)控橋梁最終合攏并經(jīng)長(zhǎng)期收縮徐變作用穩(wěn)定后的線形須符合設(shè)計(jì)要求。

（3）調(diào)整方法：橋梁線形的平順合理主要通過立模標(biāo)高和預(yù)拱度值進(jìn)行調(diào)整、修正。進(jìn)行立模標(biāo)高調(diào)整，須考慮已建梁段的主梁標(biāo)高。

通過上述施工控制措施和方法能夠確保施工過程順利穩(wěn)定進(jìn)行，從而進(jìn)一步保障橋梁的安全、穩(wěn)固與美觀。

2 監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)分析

2.1 監(jiān)控方法與最優(yōu)控制計(jì)算技術(shù)

橋梁施工的安全問題是施工監(jiān)控的最基本要求之一，其次必須保證施工質(zhì)量（如主梁內(nèi)力大小和結(jié)構(gòu)線形）符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)施工過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算、調(diào)整、預(yù)測(cè)，遵循最優(yōu)控制規(guī)律，并組成最優(yōu)控制系統(tǒng)，使之滿足施工監(jiān)控的最基本要求[4]。

運(yùn)用MIDAS Civil 2018建立橋梁結(jié)構(gòu)總體有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算內(nèi)容主要包括橋梁成橋狀態(tài)下的恒載、活載、混凝土的收縮徐變（按10年計(jì)算）及預(yù)應(yīng)力等荷載。計(jì)算中需通過不同的荷載組合對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算表明橋梁的成橋狀態(tài)是以恒載+活載的荷載組合控制設(shè)計(jì)的。

橋梁施工過程的受力狀況和最終成橋線形作為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)控制的對(duì)象，結(jié)合工程最優(yōu)控制理論與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的技術(shù)，建立隨機(jī)的數(shù)學(xué)模型和性能指標(biāo)，按確定性的最優(yōu)控制規(guī)律構(gòu)成閉環(huán)狀態(tài)反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)各施工階段進(jìn)行分析、調(diào)整、控制，最終達(dá)到隨機(jī)最優(yōu)控制的目的。

2.2 施工數(shù)值模型計(jì)算技術(shù)

2.2.1 施工過程控制計(jì)算

施工數(shù)值模型計(jì)算技術(shù)包括建立有限元模型、模擬劃分各個(gè)施工階段、修正計(jì)算模型和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析。有限元模型計(jì)算主要負(fù)責(zé)在整個(gè)施工過程中進(jìn)行理論計(jì)算，制定理論施工計(jì)劃，并保證施工過程中的工程質(zhì)量。數(shù)值計(jì)算的主要工具是計(jì)算機(jī)，具體操作需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行，在依據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行全橋有限元模型建立的基礎(chǔ)上考慮參數(shù)識(shí)別和修正，并根據(jù)橋梁施工過程測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元模型修正完善，盡可能與實(shí)際施工過程保持一致，提高過程監(jiān)控的精度。

被監(jiān)控橋梁對(duì)象的每一現(xiàn)澆塊段的預(yù)拱度及其重要，因?yàn)橹髁侯A(yù)拱度的合理正確調(diào)整是確保懸臂現(xiàn)澆法施工過程結(jié)構(gòu)線形的最重要目標(biāo)之一，使橋梁結(jié)構(gòu)在最終成橋狀態(tài)時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，不超出允許誤差范圍。施工過程中應(yīng)預(yù)留容許偏差，使橋梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期各種荷載作用下能夠達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的高程，并與其他路線銜接良好、平順，從而更好的滿足行車安全性和舒適性。

施工監(jiān)控過程中收集測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)并分析，對(duì)施工過程中出現(xiàn)的問題，例如：結(jié)構(gòu)變形較大、主梁出現(xiàn)受力裂縫、橋梁線形偏差等問題應(yīng)及時(shí)反饋，并迅速采取相關(guān)措施。監(jiān)控指令是施工數(shù)值計(jì)算技術(shù)的最終操作，此過程需要對(duì)大量的施工數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)分析出來的結(jié)果必須嚴(yán)格遵守監(jiān)控原則，施工過程中完成的各個(gè)塊段的高程、應(yīng)力偏差必須達(dá)到規(guī)定范圍內(nèi)，以保證橋梁施工安全和最終的順利合攏。

2.2.2 結(jié)構(gòu)試運(yùn)營(yíng)計(jì)算

橋梁建造的目的是為了運(yùn)營(yíng)能夠快速方便。保證橋梁結(jié)構(gòu)在施工階段的安全和質(zhì)量問題是施工監(jiān)測(cè)與監(jiān)控的最重要目標(biāo)，使之成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)力學(xué)性能，更好地進(jìn)行通車運(yùn)營(yíng)，為當(dāng)?shù)鼐徑饨煌▔毫ψ鞒鲐暙I(xiàn)。固然，如果施工成橋后的狀態(tài)與設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)完全吻合，就能夠確保橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)要求。但對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁，在實(shí)際施工中應(yīng)全面了解其受力狀況及線形要求，在合攏成橋后通車運(yùn)行前能精確計(jì)算，使施工成橋后的狀態(tài)與設(shè)計(jì)的成橋狀態(tài)盡可能吻合，減小偏差，被監(jiān)控橋梁結(jié)構(gòu)更好地進(jìn)行運(yùn)營(yíng)[5]。

3 依托工程監(jiān)控成果

3.1 工程概述

連霍國(guó)家高速公路G30蘭州繞城南段黃家溝大橋主橋的上部結(jié)構(gòu)形式為（52+90+52）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，剛構(gòu)箱梁為單箱單室，0、1#塊采用托架澆筑施工，其他塊段采用掛籃懸臂現(xiàn)澆法施工，左右幅同步進(jìn)行。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用鋼筋混凝土空心薄壁墩，與主梁固結(jié)，基礎(chǔ)采用9根直徑為150cm三排鉆孔灌注樁。

3.2 監(jiān)控成果

通過施工過程監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)，黃家溝大橋主橋施工全過程均處于安全可控狀態(tài)，總體監(jiān)控結(jié)果符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

3.2.1 主梁線形

（1）橋梁施工控制的關(guān)鍵因素為預(yù)拱度的控制及調(diào)整。通過施工過程的實(shí)測(cè)撓度與理論計(jì)算撓度對(duì)比分析可知，每個(gè)塊段的施工工況（包括掛籃前移、砼澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比理論計(jì)算值偏差較小，針對(duì)采用掛籃懸臂澆筑法施工的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋（或連續(xù)梁橋）施工過程監(jiān)控，運(yùn)用控制參數(shù)誤差分析與修正方法是安全可靠的，全橋有限元模型各個(gè)施工階段的建立計(jì)算精確合理，采用正裝分析模擬施工是成功可靠的。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)最終的主梁線形考核指標(biāo)為各塊段絕對(duì)標(biāo)高?？紤]到未來混凝土收縮徐變、日照溫度及其它因素會(huì)在運(yùn)營(yíng)階段使橋梁結(jié)構(gòu)主跨產(chǎn)生下?lián)?，本次?duì)黃家溝大橋主橋結(jié)構(gòu)按成橋后運(yùn)營(yíng)10年設(shè)置了一定的預(yù)拋高。通過計(jì)算分析和橋梁合攏后主梁實(shí)測(cè)標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的對(duì)比，滿足預(yù)期效果，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（3）在二期恒載施工完成后，橋面線形實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)線形吻合良好，橋面線形平順、連續(xù)性較好，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3.2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力（應(yīng)力）

各施工階段預(yù)應(yīng)力施加效果是通過主梁內(nèi)力控制的。施工監(jiān)控過程中實(shí)測(cè)的應(yīng)變值換算為應(yīng)力，經(jīng)對(duì)比分析說明黃家溝大橋主橋的預(yù)應(yīng)力張拉滿足設(shè)計(jì)規(guī)定，合理可靠；通過實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比分析可知：主梁懸臂施工階段監(jiān)測(cè)截面應(yīng)力變化趨勢(shì)與理論值基本一致，結(jié)構(gòu)應(yīng)力未超限，均在允許誤差范圍內(nèi)，且有一定儲(chǔ)備，應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果較為理想，并滿足設(shè)計(jì)文件及規(guī)范要求，在監(jiān)控過程中未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力異?，F(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)目前大型橋梁工程項(xiàng)目較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模巨大，面對(duì)日益增長(zhǎng)的橋梁需求，我國(guó)的橋梁建造技術(shù)正在面臨挑戰(zhàn)，橋梁施工的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)是施工技術(shù)的重要組成部分，并始終貫穿于橋梁施工中，以保證我國(guó)橋梁的施工安全與質(zhì)量，促進(jìn)我國(guó)橋梁建筑方面的進(jìn)一步發(fā)展。

在橋梁施工中應(yīng)該更加完善并且提高橋梁施工監(jiān)控技術(shù)的操作水平，同時(shí)也應(yīng)該開發(fā)新的橋梁施工控制技術(shù)，提高橋梁工程施工監(jiān)控的準(zhǔn)確可靠、安全性和可操作性，這是橋梁工程施工監(jiān)測(cè)與監(jiān)控的發(fā)展方向，需在以后進(jìn)一步深入研究。