渭河公路大橋連續(xù)梁施工監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究

趙 勃，張滿平，曾紅雄，李 淵

（1.西安市公路工程管理處，陜西 西安 710065；2.西安公路研究院，陜西 西安 710065）

渭河公路大橋連續(xù)梁施工監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究

趙 勃1，張滿平2，曾紅雄2，李 淵2

（1.西安市公路工程管理處，陜西 西安 710065；2.西安公路研究院，陜西 西安 710065）

橋梁施工監(jiān)控是公路施工過程中的重要組成部分，并貫穿于整個(gè)橋梁施工過程中，通過論述高陵鹿苑渭河公路大橋施工監(jiān)控的目的與內(nèi)容，運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)主橋懸臂施工監(jiān)控過程中的線形控制、應(yīng)力監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究分析，為類似橋梁施工的安全控制以及順利合攏提供了參考。

連續(xù)梁橋；施工監(jiān)控；應(yīng)力監(jiān)測(cè)；灰色系統(tǒng)理論

0 引 言

橋梁施工質(zhì)量的好壞直接影響道路的使用性能和安全性能。而橋梁監(jiān)控的主要內(nèi)容就是對(duì)施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)線形與內(nèi)力狀態(tài)進(jìn)行控制［1－2］。

高陵鹿苑渭河公路大橋位于陜西省高陵縣馬南村以南，跨徑為50m＋5×80m＋50m，橋梁全寬16m，采用單箱單室截面。墩頂箱梁高4.58m，跨中箱梁高2.28m，腹板厚度分別為0.4m、0.6m、0.8m，底板為0.28～0.8m。箱梁頂板寬均為16m，底板寬均為8m，翼緣板懸臂長(zhǎng)4m。箱梁底曲線按二次拋物線變化，箱梁內(nèi)除0號(hào)塊和箱梁端部設(shè)橫隔板外，其余部位均不設(shè)橫隔板。主梁采用C50混凝土，三向預(yù)應(yīng)力體系。橋墩為薄壁墩，縱橋向?qū)?m，橫橋向?qū)?m，墩壁厚度為0.6m，最大墩高25m，最小墩高24m；采用8根鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)，樁徑1.7m，樁長(zhǎng)約70m。

1 施工監(jiān)控的內(nèi)容及方法

1.1 施工監(jiān)控的內(nèi)容

針對(duì)高陵鹿苑渭河公路大橋橋型及施工方法的特點(diǎn)，對(duì)該橋的施工監(jiān)控主要有以下三個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）變形控制。即嚴(yán)格控制每一施工階段箱梁的豎向撓度及橫向偏移，如有偏差就必須立即進(jìn)行誤差分析并調(diào)整方案，為下一梁段的施工做好準(zhǔn)備工作，使橋梁結(jié)構(gòu)在建成時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀。

（2）應(yīng)力控制。即控制主梁施工過程及成橋后的應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)達(dá)到合理的應(yīng)力狀態(tài)。

（3）在施工過程中保證結(jié)構(gòu)的安全，包括全橋整體與局部穩(wěn)定性。

根據(jù)監(jiān)控內(nèi)容確定作業(yè)步驟如下。

（1）立模階段。提出立模標(biāo)高，設(shè)置測(cè)點(diǎn)，記錄標(biāo)高、溫度。

（2）在箱梁控制截面埋設(shè)傳感器并記錄初值（應(yīng)力、應(yīng)變、溫度）。

（3）混凝土澆注階段。收集各段尺寸、重量；測(cè)量澆注后標(biāo)高，記錄現(xiàn)場(chǎng)溫度；采集溫度傳感器數(shù)據(jù)；分析兩端撓度，判定模板變形和超澆量；第一次參數(shù)識(shí)別。

（4）前段分析，預(yù)報(bào)下段預(yù)拱度（初報(bào)）。

（5）預(yù)應(yīng)力張拉階段。張拉前測(cè)量標(biāo)高；記錄測(cè)量日期、大氣、溫度；采集預(yù)應(yīng)力、溫度數(shù)據(jù)；根據(jù)溫度場(chǎng)對(duì)撓度測(cè)量值校正；第二次參數(shù)識(shí)別。

（6）下階段預(yù)拱度預(yù)報(bào)（第二次）。

（7）預(yù)應(yīng)力張拉后測(cè)量標(biāo)高；記錄測(cè)量日期、大氣、溫度；采集預(yù)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度傳感的數(shù)據(jù)；第三次參數(shù)識(shí)別。

（8）計(jì)算下段預(yù)拱（第三次）。

（9）綜合三次預(yù)拱度預(yù)報(bào)和同步分析結(jié)果，再根據(jù)變更后的施工計(jì)劃提出下階段預(yù)拱度修正量。

（10）掛籃移動(dòng)，準(zhǔn)備下階段施工。

1.2 施工監(jiān)控的方法

連續(xù)梁橋是一個(gè)施工—量測(cè)—識(shí)別—修正—預(yù)告—施工的循環(huán)過程，其實(shí)質(zhì)就是使施工按照預(yù)定的理想設(shè)計(jì)狀態(tài)（主要是施工標(biāo)高）順利進(jìn)行［3－4］。

1.2.1 理論計(jì)算模型的建立

高陵鹿苑渭河公路大橋利用 Midas Civil 2010軟件進(jìn)行計(jì)算，采用平面梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，橋梁約束條件、作用荷載均根據(jù)實(shí)際情況輸入。根據(jù)設(shè)計(jì)圖反映的內(nèi)容，對(duì)主橋總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型，對(duì)該橋進(jìn)行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態(tài)。

模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點(diǎn)、跨中、截面變化點(diǎn)等控制截面，將全橋劃分為221個(gè)單元，主橋上部箱梁共劃分為168個(gè)單元，懸臂澆注梁段單元長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)文件一致，邊跨現(xiàn)澆段和0號(hào)塊單元進(jìn)行細(xì)化。橋墩劃分為53個(gè)單元，底部采用固結(jié)約束，橋墩頂與主梁采用剛性連接，合龍后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為豎向和橫向約束。2個(gè)邊跨梁端采用豎向和橫向約束。

主橋一個(gè)T構(gòu)的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 高陵鹿苑渭河公路大橋計(jì)算模型

計(jì)算內(nèi)容包括溫度變化、混凝土收縮徐變、施工臨時(shí)荷載、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、二期恒載及活載效應(yīng)等［5］。計(jì)算時(shí)采用實(shí)際的掛籃及模板自重，而材料容重、彈性模量等都采用規(guī)范理論值。在主梁施工開始之前，進(jìn)行施工控制的初步計(jì)算，在施工開始初期根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果對(duì)梁的線形和內(nèi)力進(jìn)行控制。在主梁施工開始后，對(duì)主梁進(jìn)行施工過程中的跟蹤計(jì)算分析，跟蹤計(jì)算中的各類參數(shù)按照施工中的實(shí)際情況考慮。

根據(jù)施工特點(diǎn)，將一個(gè)T構(gòu)懸臂澆筑階段工況劃分如表1所示。

表1 懸澆階段工況劃分

1.2.2 灰色系統(tǒng)理論在線形控制中的應(yīng)用

目前在連續(xù)梁橋施工監(jiān)控中常用的參數(shù)識(shí)別和誤差調(diào)整主要方法為：卡爾曼（Kalman）濾波法、灰色系統(tǒng)理論及最小二乘法。其中灰色系統(tǒng)理論是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息等不確定信息的方法，在連續(xù)梁施工監(jiān)控中主要應(yīng)用于狀態(tài)預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)連續(xù)梁的預(yù)拋高值。

（1）理論預(yù)拱度計(jì)算。根據(jù)理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，50m邊跨設(shè)預(yù)拱度為30mm，80m跨中設(shè)預(yù)拱度為50mm，各孔預(yù)拱度按二次曲線在孔內(nèi)其他點(diǎn)分配，圖2為主梁一個(gè)T構(gòu)（33～59截面）預(yù)拱度示意圖。

圖2 主橋33～59截面預(yù)拱度值

（2）線形監(jiān)測(cè)與立模標(biāo)高。線形的監(jiān)控測(cè)量主要包含施工支架預(yù)壓的變形量、主梁撓度、主梁軸線偏移量、主梁結(jié)構(gòu)幾何尺寸及墩頂變位。

考慮到箱梁撓度觀測(cè)和箱梁軸線觀測(cè)的需要，各梁段測(cè)點(diǎn)沿橋梁方向均勻布置于距懸臂端10cm處（0＃、1＃梁為20cm處，另增設(shè)墩頂中心線觀測(cè)點(diǎn)）；橫向布置為橋梁中心線處及兩側(cè)距離400cm和740cm處。測(cè)點(diǎn)采用直徑22mm的Ⅱ級(jí)鋼筋加工制成，測(cè)點(diǎn)頂端高出箱梁混凝土頂面2cm，并經(jīng)磨光后涂紅漆。

在監(jiān)控期間，根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃安排，監(jiān)控、施工單位在連續(xù)梁施工全過程中按布置的測(cè)點(diǎn)測(cè)取已布測(cè)點(diǎn)的變形值，經(jīng)監(jiān)控分析，對(duì)后期變形進(jìn)行控制；變形控制頻率為每塊段預(yù)應(yīng)力索張拉前、后和梁段混凝土澆注前、后。變形測(cè)取時(shí)間為每天上午8點(diǎn)以前完成。0＃、1＃梁段線形監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

立模標(biāo)高Hlmi由i節(jié)段設(shè)計(jì)標(biāo)高Hsji、i節(jié)段預(yù)拋高值Hypgi以及掛籃變形值fgl組成。

利用灰色系統(tǒng)理論建立GM（1，1）模型。以連續(xù)梁橋施工預(yù)拋高值的預(yù)測(cè)作為一個(gè)灰色系統(tǒng)。對(duì)

圖3 0、1＃梁段線形監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置

式中：a、μ為待識(shí)別參數(shù)列；X為各梁段理論預(yù)拋高值序列；X（1）為X（0）的一次累加生成；δ為根據(jù)各梁段理論預(yù)拋高值序列及實(shí)測(cè)預(yù)拋高值序列建立的誤差序列；Z（1）為以δ作為數(shù)據(jù)序列X進(jìn)行累加得到的均值。

對(duì)比式（2）和式（3），可以求得式（2）的還原值，進(jìn)而可以求得下一梁段的最優(yōu)立模標(biāo)高［6］。

1.2.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)用于判斷連續(xù)梁在施工過程及成橋以后，整個(gè)體系的受力狀態(tài)是否與設(shè)計(jì)理論狀態(tài)一致。若對(duì)比結(jié)果偏差嚴(yán)重，則說明其不符合要求，更甚者預(yù)示結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形可能已超過理論容許偏差的界限。

箱梁控制截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)包括箱梁控制截面混凝土正應(yīng)力監(jiān)測(cè)和主應(yīng)力監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面。

（1）通過對(duì)箱梁控制截面混凝土正應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，可以觀察施工過程中的箱梁截面混凝土正應(yīng)力是否符合設(shè)計(jì)要求，以觀察預(yù)應(yīng)力鋼束張拉、錨固、恒載、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換等荷載作用下的箱梁混凝土正該橋而言，其施工工序?yàn)閺?＃、1＃梁段開始分段懸臂澆注，逐步向前推進(jìn)。在第i＋1號(hào)梁段混凝土澆注前，通過理論計(jì)算能得到已澆梁段在理想狀態(tài)下的豎向位移。在第i梁段澆注混凝土完成后，通過實(shí)測(cè)可得到前i個(gè)梁段實(shí)際豎向位移，將理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值建立誤差序列δ，然后建立GM（1，1）模型，對(duì)下一梁段的預(yù)拋高值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

利用灰色理論建立模型如下應(yīng)力變化情況等。該橋在懸臂澆筑施工階段，最不利截面在懸臂根部，故其監(jiān)測(cè)截面選取縱橋向距墩頂中心線4.25m處；在連續(xù)梁合龍后，除懸臂根部截面外，跨中合龍截面也是最不利截面，故同時(shí)選取小樁號(hào)側(cè)距跨中3.5m處（合龍段相鄰9＃梁段懸臂邊緣）為正應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面。

（2）10號(hào)墩頂、11號(hào)墩頂、13號(hào)墩頂處箱梁的3個(gè)頂板埋入ZX－215A型應(yīng)變計(jì)，3個(gè)底板埋入ZX－416A型鋼筋應(yīng)力計(jì)，以平行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力方向安裝在箱梁中心線與兩側(cè)腹板（距箱梁中心線4m）處，采用細(xì)匝絲將ZX－215A型應(yīng)變計(jì)捆綁在頂板上層縱向普通鋼筋上，將ZX－416A型應(yīng)力計(jì)綁于底板下層縱向普通鋼筋上，測(cè)試導(dǎo)線沿結(jié)構(gòu)鋼筋引出混凝土。箱梁控制截面混凝土正應(yīng)力監(jiān)測(cè)橫截面布置如圖4所示。

圖4 正應(yīng)力監(jiān)測(cè)橫截面布置

9號(hào)、12號(hào)、14號(hào)墩頂處箱梁除安裝鋼筋應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)外，同時(shí)還安裝6個(gè)TM－102型溫度傳感器。其中4個(gè)溫度傳感器分別布置于頂板及底板內(nèi)，橫向兩側(cè)距箱梁中心線1.8m，豎向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)厚度中心處。其余2個(gè)溫度傳感器布置于箱梁腹板內(nèi)，橫向及豎向均位于其結(jié)構(gòu)高度中心處。箱梁控制截面混凝土正應(yīng)力及溫度聯(lián)合監(jiān)測(cè)橫截面布置如圖5所示。

監(jiān)測(cè)箱梁混凝土主應(yīng)力，可以了解橋梁合龍后主應(yīng)力是否在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。其監(jiān)測(cè)截面在縱橋向布置于L／4附近（中跨距墩頂中心線21.75m、邊跨距墩頂中心線14.75m）。4個(gè)ZX－212A型表面混凝土應(yīng)變計(jì)以平行于結(jié)構(gòu)主應(yīng)力受力方向，成“×”型布置于兩側(cè)腹板內(nèi)側(cè)表面高度中心處。箱梁控制截面混凝土主應(yīng)力監(jiān)測(cè)橫截面布置如圖6所示。

T構(gòu)在施工過程中，兩側(cè)懸臂梁體的幾何尺寸、比重、施工荷載等隨機(jī)差異不可避免，而兩側(cè)重量不平衡將產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)安全性的傾覆力矩，這種傾覆力矩在進(jìn)行合龍前的幾個(gè)梁段施工時(shí)尤其令人擔(dān)心。通過在空心墩頂設(shè)置應(yīng)力觀測(cè)截面，監(jiān)測(cè)每個(gè)梁段懸澆后其應(yīng)力的變化，以保證傾覆力矩在可控范圍以內(nèi)［7］。若傾覆力矩即將達(dá)到報(bào)警線時(shí)予以報(bào)警，以便及時(shí)采取調(diào)整措施，控制或消除傾覆力矩，確保施工安全和質(zhì)量?？招亩枕擳構(gòu)傾覆力矩監(jiān)測(cè)橫截面布置如圖7所示。

圖7 T構(gòu)傾覆力矩監(jiān)測(cè)布置

1.2.4 合龍段鎖定及時(shí)間確定

溫度是影響主梁撓度的主要因素之一，因此，在主橋箱梁合龍之前，結(jié)合設(shè)計(jì)要求以及國(guó)內(nèi)外對(duì)連續(xù)梁建設(shè)的案例，合龍溫度應(yīng)該為一天溫度最低的時(shí)間。所以，本項(xiàng)目對(duì)合龍前懸臂端溫度進(jìn)行24h連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄，以便確定合龍段鎖定及混凝土澆筑時(shí)間。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，合龍時(shí)間確定在夜里0時(shí)左右，此時(shí)溫度低，可選擇這個(gè)時(shí)間段進(jìn)行合龍段混凝土澆注。

2 施工監(jiān)控的效果

對(duì)該橋施工過程中主梁的線形和應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)控制，監(jiān)控效果如下。

2.1 線形控制效果

施工監(jiān)控過程中，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，調(diào)整計(jì)算模型的混凝土自重、預(yù)應(yīng)力張拉效應(yīng)、結(jié)構(gòu)收縮徐變效應(yīng)等，使得各階段結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)位移和計(jì)算位移基本接近。

（1）成橋階段所有節(jié)點(diǎn)標(biāo)高與設(shè)計(jì)線形的誤差均在1.0cm以內(nèi)，滿足控制目標(biāo)要求；成橋線形平順，能保證后期鋪設(shè)橋面系的要求，滿足設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求。結(jié)果說明本橋在懸臂階段的立模標(biāo)高合理，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了各施工階段梁體發(fā)生的位移。

（2）各施工階段梁體實(shí)際發(fā)生的位移與理論位移接近，說明施工監(jiān)控所采用的計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)能反映橋梁的實(shí)際狀況。

各工況9號(hào)墩小里程側(cè)各梁段頂板頂面中心處標(biāo)高實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比見圖8。由圖中可以看出，高程誤差最大值出現(xiàn)在4＃塊預(yù)應(yīng)力張拉后，其差值為8mm。

圖8 標(biāo)高實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

2.2 應(yīng)力控制效果

在連續(xù)梁施工中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)中，有傳感器誤差、混凝土收縮、徐變、溫度次應(yīng)力等非力學(xué)應(yīng)變，且都對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響。分析表明，由混凝土的收縮、徐變引起的結(jié)構(gòu)非受力部分應(yīng)變可占到全部應(yīng)變的30%～40%。因此在數(shù)據(jù)采集過程及應(yīng)力計(jì)算時(shí)必須將諸多非力學(xué)應(yīng)變剔除。而在除去混凝土的收縮、徐變引起的非受力應(yīng)變過程中，采用了一些理論公式，如混凝土收縮、徐變模式，使得實(shí)際應(yīng)力與理論計(jì)算應(yīng)力也存在一些誤差。由處理后數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定初值后的幾周內(nèi)，截面實(shí)測(cè)壓應(yīng)力大于理論應(yīng)力，分析原因，可能是由于混凝土在前幾周發(fā)生的收縮徐變量較理論收縮徐變模式大；而大部分測(cè)試的斷面成橋狀態(tài)的壓應(yīng)力小于理論應(yīng)力，可能是由于實(shí)際混凝土收縮徐變的終極值較理論值小，若按照理論收縮徐變量扣除，會(huì)造成結(jié)果偏小。

3 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過全體建設(shè)者的共同努力，大橋合攏段懸臂高程最大誤差為8mm，最小誤差為4mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的懸臂合龍段同跨度對(duì)稱點(diǎn)高程誤差在±20mm之內(nèi)的要求。成橋后橋梁線形美觀、順暢雄偉，橋梁經(jīng)體系轉(zhuǎn)換并順利合龍，應(yīng)力監(jiān)測(cè)正常，結(jié)構(gòu)內(nèi)力符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

通過本工程的順利實(shí)施可以得到以下結(jié)論。

（1）在大跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁施工中，線形及應(yīng)力的測(cè)試是監(jiān)控的重要手段，它可以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)中參數(shù)選擇不當(dāng)或者施工中一些復(fù)雜因素的影響，進(jìn)一步完善了橋梁設(shè)計(jì)理論，同時(shí)也能有效的控制橋梁施工與設(shè)計(jì)中的偏差。

（2）通過對(duì)主梁施工監(jiān)控實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比，應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論分析，使諸多不確定因素對(duì)懸澆施工的影響處于可控狀態(tài)，保證成橋后其結(jié)構(gòu)應(yīng)力及線形滿足設(shè)計(jì)要求。

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Research on Key Technologies for Monitoring of Continuous Beam Construction of Weihe Highway Bridge

ZHAO Bo1，ZHANG Man－ping2，ZENG Hong－xiong2，LI Yuan2
（1.Xi'an Highway Management Department，Xi'an 710065，Shaanxi，China；2.Xi'an Highway Institute，Xi'an 710065，Shaanxi，China）

Given that monitoring is a big part of highway and bridge construction，after explaining why the construction of Weihe Highway Bridge in Luyuan Town of Gaoling County should be monitored and what to monitor，the grey system theory was applied to analyze the key technologies of cantilever construction such as geometry control and stress measurement combined with on－site measurement data，which provides reference to safety control of bridge construction.

continuous beam bridge；construction monitoring；stress measurement；grey system theory

U445.446

B

1000－033X（2015）08－0073－05

2015－01－16

［責(zé)任編輯：杜敏浩］