某斜拉橋懸臂施工中安全監(jiān)測的探討

張愛明，王 勇，劉為東

(江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210013)

某斜拉橋懸臂施工中安全監(jiān)測的探討

張愛明，王 勇，劉為東

(江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210013)

斜拉橋懸臂施工中，由于不可避免地存在施工偏差，橋梁自穩(wěn)定性受到破壞，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外變形，影響后續(xù)施工。本文介紹某斜拉橋懸臂施工中的變形監(jiān)測過程和方法，從監(jiān)測數(shù)據(jù)的角度發(fā)現(xiàn)斜拉橋施工存在的問題，分析主塔和主梁撓度的安全狀態(tài)，為后續(xù)施工提供了安全保障。

安全監(jiān)測；斜拉橋；懸臂施工

一、引 言

斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，懸臂施工中，其結(jié)構(gòu)體系和荷載不斷發(fā)生改變。由于斜拉橋設(shè)計(jì)時(shí)采用的計(jì)算參數(shù)與施工時(shí)的實(shí)際情況不完全吻合，使得施工階段的結(jié)構(gòu)變形與預(yù)期結(jié)果存在一定的偏差。這種具有累積性的偏差，如果不能及時(shí)控制和調(diào)整，隨著主梁懸臂長度的增加，斜拉橋結(jié)構(gòu)會(huì)偏離設(shè)計(jì)(控制)目標(biāo)，造成合攏困難，甚至?xí)茐男崩瓨虻淖苑€(wěn)定性，影響成橋后的線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力[1]。因此，斜拉橋施工中及時(shí)、有效的變形監(jiān)測，是降低斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)的前提，也是斜拉橋順利合攏的必要保障[2]。

廣東省某座塔、墩、梁固結(jié)的獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，橋面以上塔高66.7 m，跨徑組合為139＋106 m。主梁共分21個(gè)施工節(jié)段(主跨側(cè)節(jié)段劃分)，其中，1＃—8＃節(jié)段采用雙懸臂牽索式掛籃對稱施工技術(shù)，節(jié)段長度為6 m。邊跨于8＃節(jié)段合攏，9＃—21＃節(jié)段采用滿堂支架現(xiàn)澆施工技術(shù)，節(jié)段長度為3 m；主跨9＃—20＃節(jié)段采用單懸臂牽索式掛籃施工技術(shù)，節(jié)段長度為6 m。該斜拉橋在主跨單懸臂非對稱施工過程中，出現(xiàn)主塔塔頂位移過大、主跨懸臂標(biāo)高過低的現(xiàn)象，安全監(jiān)測在這些變形的發(fā)現(xiàn)和糾正中發(fā)揮了重要作用。

二、監(jiān)測內(nèi)容及方法

斜拉橋施工中的監(jiān)測內(nèi)容主要包括溫度、索力、塔頂位移、主梁幾何變形(包括撓度和中線偏位)、結(jié)構(gòu)各控制截面的應(yīng)力應(yīng)變等[3]。本文主要介紹該斜拉橋的塔頂位移和主梁撓度監(jiān)測兩項(xiàng)內(nèi)容。

1.塔頂位移監(jiān)測

(1)監(jiān)測基準(zhǔn)的確定

基準(zhǔn)的確定對變形監(jiān)測的實(shí)施尤為重要[4]。本斜拉橋選用有利于觀測主塔監(jiān)測點(diǎn)的施工控制網(wǎng)點(diǎn)(Q4、Q5點(diǎn))作為主塔水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，主塔與監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)之間的相對關(guān)系如圖1所示。Q4、Q5兩點(diǎn)遠(yuǎn)離施工區(qū)域，控制網(wǎng)觀測的此兩點(diǎn)點(diǎn)位中誤差分別為1.3 mm和0.9 mm，點(diǎn)位較穩(wěn)定。

圖1 主塔監(jiān)測示意圖

(2)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)和監(jiān)測方法

主塔塔頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)P采用在主塔頂部混凝土內(nèi)預(yù)埋監(jiān)測棱鏡的方式，以確保監(jiān)測點(diǎn)的牢固。

每期監(jiān)測時(shí)，在Q4點(diǎn)架設(shè)全站儀，在Q5點(diǎn)架設(shè)后視棱鏡，用極坐標(biāo)法觀測P點(diǎn)的平面坐標(biāo)。每期獨(dú)立觀測4次，取平均值作為最終監(jiān)測成果。

(3)監(jiān)測時(shí)間的確定

斜拉橋主梁施工期間的主塔塔頂位移主要受主塔兩側(cè)不平衡荷載和日照輻射的影響。為了探索不平衡荷載下的主塔塔頂位移規(guī)律，首先對主塔進(jìn)行全天候監(jiān)測，獲取主塔塔頂在日照輻射影響下的周日變形規(guī)律，其順橋向位移變化過程如圖2所示。可見，塔頂順橋向位移與氣溫(代替日照輻射影響)有較強(qiáng)的相關(guān)性，變化過程一致。塔頂順橋向周日最大位移量為-20.1 mm，且在0∶00—6∶00之間的變形量小于3.5 mm。

圖2 主塔塔頂順橋向周日變形過程

自邊跨主梁合攏后，主跨懸臂每完成一個(gè)節(jié)段，在相同工況下監(jiān)測一次主塔塔頂位移。為了正確反映主梁施工中不平衡存在對主塔塔頂位移的影響，應(yīng)盡可能減小日照輻射的影響，本工程中，選擇的主塔塔頂位移觀測時(shí)間為0∶00—6∶00。

(4)監(jiān)測精度分析

監(jiān)測所用全站儀標(biāo)稱精度為測角±1″、測距±(2 mm＋2×10-6D)，已知Q4-P與Q4-Q5兩方向的水平夾角a約為45°，Q4點(diǎn)至P點(diǎn)斜距S約為140 m，豎直角約為33°。則根據(jù)極坐標(biāo)計(jì)算公式及誤差傳播定律，有P點(diǎn)的點(diǎn)位測量中誤差[5]為

P點(diǎn)的順橋向、橫橋向(分別為X方向和Y方向)測量中誤差為mP/2＝±0.64 mm。

2.主梁撓度監(jiān)測

(1)監(jiān)測基準(zhǔn)的確定

在主塔根部橋面上埋設(shè)兩個(gè)工作基點(diǎn)J1、J2，分別布設(shè)在主塔的順橋向兩側(cè)，基準(zhǔn)點(diǎn)J0布設(shè)在不受施工影響的穩(wěn)定區(qū)域，定期用基準(zhǔn)點(diǎn)檢核工作基點(diǎn)的高程，以確保工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性。

(2)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測方法

在主梁各節(jié)段中線附近的混凝土頂面布設(shè)撓度監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)編號與所在節(jié)段號相對應(yīng)，首次監(jiān)測時(shí)，測得監(jiān)測點(diǎn)至所在節(jié)段梁底的高差，以便根據(jù)橋面監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果推算梁底變化過程，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)情況如圖3所示。

圖3 主跨側(cè)主梁擾度監(jiān)測布點(diǎn)圖

主梁每施工一個(gè)節(jié)段，通過監(jiān)測前5個(gè)節(jié)段(包含本節(jié)段)擾度監(jiān)測點(diǎn)的標(biāo)高來反映主梁梁底的撓度變化過程。撓度監(jiān)測用二等水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行[6]，每次觀測形成一個(gè)閉合水準(zhǔn)路線。

(3)監(jiān)測時(shí)間的確定

主梁撓度主要受橋面荷載、索力、日照等因素的影響。為了獲取施工因素(橋面荷載、索力等)對主梁撓度的影響，選取主跨12＃、16＃節(jié)段標(biāo)高進(jìn)行全天候監(jiān)測。這兩個(gè)節(jié)段標(biāo)高在日照影響下的變化過程如圖4所示。對比圖2中的氣溫變化過程線可以看出，主梁標(biāo)高變化與氣溫(代替日照輻射影響)有較強(qiáng)的相關(guān)性，16＃節(jié)段變形量大于12＃節(jié)段，說明在相同條件下變形量與懸臂長度有關(guān)，懸臂越長變形越大。對于16＃節(jié)段，2∶00—6∶00的變形量小于8 mm。

圖4 主梁受日照影響變形過程

為了正確反映主梁施工因素對主梁擾度的影響，應(yīng)盡可能減小日照輻射引起的影響。本工程中，選擇凌晨2∶00—6∶00對主梁進(jìn)行擾度監(jiān)測。

(4)監(jiān)測精度分析

每次觀測時(shí)的路線閉合差按照≤±n mm或≤±4 Lmm(注：n為測站數(shù)；L為水準(zhǔn)路線長度，單位為km)確定[7-9]。經(jīng)計(jì)算，各測站高差中誤差≤±0.5 mm，主跨各橋面擾度監(jiān)測點(diǎn)相對于工作基點(diǎn)的高差中誤差≤±1.0 mm。

三、主梁懸臂施工期間的安全監(jiān)測

主梁單懸臂施工期間，通過對塔頂位移和主梁撓度的跟蹤監(jiān)測，獲得各節(jié)段施工對應(yīng)的大橋主要結(jié)構(gòu)的幾何形位變化過程，用其評價(jià)大橋安全，并指導(dǎo)施工。

主跨8＃—16＃節(jié)段施工期間塔頂位移變化過程如圖5所示(順橋向位移量為負(fù)值表示向主跨側(cè)移動(dòng))，工況7＃為主梁7＃節(jié)段施工完成時(shí)對應(yīng)的塔頂位移，由于此前為雙懸臂對稱施工，主塔兩側(cè)受力相同，塔頂位移較小，故以本期監(jiān)測結(jié)果作為初值，工況15＃-1表示主梁施工至15＃節(jié)段后對主塔實(shí)施糾偏操作的結(jié)果。表1是主跨8＃—16＃節(jié)段施工期間對4＃—15＃節(jié)段標(biāo)高監(jiān)測的變化量，每次僅觀測相鄰5個(gè)節(jié)段的主梁標(biāo)高，累計(jì)變化量為主跨施工至16＃節(jié)段時(shí)各節(jié)段的全部標(biāo)高變化量。主跨16＃節(jié)段施工完成對應(yīng)的梁底實(shí)際標(biāo)高、設(shè)計(jì)標(biāo)高、控制標(biāo)高的對比如圖6所示。

圖5 主塔塔頂位移監(jiān)測結(jié)果

由圖5可以看出，主跨8＃—15＃節(jié)段施工期間，主塔塔頂順橋向位移呈持續(xù)增大趨勢，且變形速率越來越快，變形規(guī)律明顯；橫橋向位移整體上也呈增大趨勢，但變形量不大。主梁施工至15＃節(jié)段時(shí)，順橋向最大位移達(dá)到-46 mm，已超出設(shè)計(jì)允許值(≤4 cm)的要求，監(jiān)測方發(fā)出施工警報(bào)。經(jīng)過分析原因，對主塔實(shí)施了某種的糾偏操作，塔頂位移略有減小；主跨繼續(xù)施工至16＃節(jié)段時(shí)，順橋向最大位移達(dá)到-56 mm，塔頂位移繼續(xù)增大，說明此前的糾偏操作無明顯效果，需進(jìn)一步調(diào)整。

斜拉橋懸臂施工中，為確保主梁成橋后的線形達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，要求施工控制標(biāo)高暫時(shí)高于設(shè)計(jì)標(biāo)高[10]，高出的部分為施工預(yù)拱值。由圖6可見，除16＃節(jié)段外，各節(jié)段實(shí)際標(biāo)高均低于控制標(biāo)高，差值最大的為129 mm(10＃節(jié)段)，1＃—11＃節(jié)段實(shí)際標(biāo)高已低于設(shè)計(jì)標(biāo)高，差值最大的為72 mm(5＃節(jié)段)，現(xiàn)有狀態(tài)無法達(dá)到合攏要求。

表1 主梁撓度監(jiān)測結(jié)果mm

圖6 主梁標(biāo)高對比圖

綜合塔頂位移與主梁撓度監(jiān)測結(jié)果，可以得出結(jié)論：主塔、主梁現(xiàn)有幾何形態(tài)已偏離設(shè)計(jì)(控制)狀態(tài)，無法滿足合攏要求。需要暫停施工，并對主塔、主梁實(shí)施必要的糾正操作。

四、調(diào)索期間的監(jiān)測

經(jīng)過設(shè)計(jì)、監(jiān)控等相關(guān)各方的分析演算，采取增加2＃、3＃、5＃—13＃斜拉索索力的方式糾正主塔、主梁存在的問題。調(diào)索過程選在氣象條件穩(wěn)定的凌晨進(jìn)行，調(diào)索前、后通過監(jiān)測塔頂位移和主梁擾度的變化，跟蹤調(diào)索對主橋結(jié)構(gòu)變形的影響。

調(diào)索期間塔頂位移累計(jì)變化過程如圖7所示，工況表示對應(yīng)編號的斜拉索索力調(diào)整完成后的塔頂位移狀態(tài)(下同)。可以看出，調(diào)索期間塔頂橫橋向位移無明顯變化，最終橫橋向位移為6 mm，略小于調(diào)索前；順橋向位移呈明顯的減小趨勢，累計(jì)糾正48 mm，最終順橋向位移為-8 mm，滿足設(shè)計(jì)對垂直度控制的要求。

調(diào)索期間主梁標(biāo)高逐漸抬升，圖8為12＃節(jié)段梁底標(biāo)高變化過程，可以看出該節(jié)段標(biāo)高呈增大趨勢，標(biāo)高累計(jì)抬升153 mm。調(diào)索完成后，主跨各節(jié)段梁底實(shí)際標(biāo)高、設(shè)計(jì)標(biāo)高與控制標(biāo)高的相對關(guān)系如圖9所示。可見，主梁實(shí)際線形與控制線形較為吻合，各節(jié)段實(shí)際標(biāo)高略高于控制標(biāo)高，為剩余節(jié)段的施工保留了一定的安全可控空間。

圖7 塔頂位移變化過程

圖8 調(diào)索期間主梁12＃節(jié)段標(biāo)高變化過程

圖9 調(diào)索后主梁標(biāo)高對比圖

在主跨后續(xù)懸臂施工中，繼續(xù)對主塔水平位移和主梁撓度進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，以保證主梁順利合攏。

五、結(jié)束語

斜拉橋懸臂施工中，由于施工狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)的差異，使得斜拉橋結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)變化中，必要的變形監(jiān)測是發(fā)現(xiàn)施工安全隱患的有力途徑。本文所述斜拉橋的懸臂施工中，通過對斜拉橋結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了問題，并跟蹤了主塔、主梁的幾何形位糾正過程，確保了施工安全，也為后續(xù)施工和主梁的準(zhǔn)確合攏提供了必要的保障。

[1] 夏睿勤.斜拉橋施工監(jiān)測研究分析[J].民營科技，2010(4)：167.

[2] 馬義春.淺析轉(zhuǎn)體斜拉橋的施工監(jiān)測[J].科技致富向?qū)В?011(9)：280.

[3] 蓋洪濤，李晉濱.斜拉橋的施工監(jiān)測[J].黑龍江交通科技，2008，31(5)：53-54.

[4] 謝征海，李仁忠.雙塔柱斜拉橋變形觀測實(shí)踐與分析[J].城市勘測，2007(6)：71-76.

[5] 雒應(yīng)，葉亞麗，楊炳成.斜拉橋變形觀測方法及精度分析[J].測繪科學(xué)，2006，31(5)：66-68.

[6] 唐咸遠(yuǎn)，胡強(qiáng)，凌皓.高精度全站儀在斜拉橋的變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].四川建筑，2007，27(5)：190-191.

[7] 牛海鵬，潭志祥，鄧喀中，等.客運(yùn)專線特大橋沉降變形監(jiān)測研究[J].測繪通報(bào)，2012(7)：65-68.

[8] 劉山洪，耿建莉.橋梁擾度精密水準(zhǔn)測量方法探討[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007(4)：42-45.

[9] 明祖濤，游振興，張屆，等.高速鐵路橋隧沉降預(yù)測模型的研究[J].測繪通報(bào)，2011(8)：17-20.

[10] 習(xí)勇，李傳習(xí).大跨度混合梁斜拉橋變形幾何非線性效應(yīng)分析[J].公路與汽運(yùn)，2009(6)：97-99.

Study on Safety Monitoring of Cantilever Construction for a Cable-stayed Bridge

ZHANG Aiming，WANG Yong，LIU Weidong

P258

B

0494-0911(2014)09-0090-04

2013-07-02

張愛明(1974—)，男，江蘇鹽城人，高級工程師，主要從事工程測量、攝影測量與遙感方面的工作。

張愛明，王勇，劉為東.某斜拉橋懸臂施工中安全監(jiān)測的探討[J].測繪通報(bào)，2014(9)：90-93.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0303