混凝土斜拉橋施工監控技術研究

黃春華

（上海浦東城市建設實業發展有限公司,上海市　200136）

0　引言

斜拉橋為高次超靜定的復雜結構體系，其成橋后合理的線形和內力不僅在于優秀的結構設計，還在于精湛的施工技術。在斜拉橋施工建設過程中，受外界各種自然條件影響以及材料特性的差異，使得斜拉橋結構的受力與變形的關系異常復雜。雖然，在施工計算中可以采用多種計算方法，得到橋梁在各施工階段的索力和主梁變形，但是，按理論計算得到的結果進行施工，受拉索垂度、溫度變化、日照、施工臨時荷載以及混凝土收縮徐變等因素影響，結構卻不一定達到期望的內力和變形。動態的監控技術能夠及時對橋梁施工計算模型進行修正，以使成橋受力狀態和線形更趨于合理，達到設計要求。

隨著斜拉橋設計和建造技術的不斷提升，斜拉橋的施工監控技術也不斷改進。胥潤東等為解決斜拉橋施工監控過程中數據量龐大、管理和分析任務繁重而易出錯的技術難題，基于數據庫技術，以Vi sualst udi o 2008編程環境為平臺，開發出斜拉橋施工監控數據處理系統[1]，將橋梁施工監控與健康監測平臺進行對接，實現對橋梁結構施工的遠程監測和指令發送，而且實現了對監控數據的分析、處理、存儲和管理，為橋梁結構后續的健康監測提供可靠的原始數據。

結合具體工程，對混凝土斜拉橋的施工監控中的線形及內力控制技術進行探討，以期為同類工程提供技術借鑒。

1　工程概況

某工程主橋為獨塔雙索面混凝土斜拉橋,塔、梁、墩固結體系，無輔助墩，跨徑布置為91 m+123 m。索塔為“H”型平行直立塔柱,高72.986 m。主梁為分離式混凝土主梁，中心梁高2.8 m。主梁頂板寬38.1 m，厚0.28 m，設雙向橫坡。主梁在每對拉索錨固處對應設置一道橫梁，橫梁順橋向間距6 m，高度2.5 m，厚度0.3 m。錨跨尾部節段做成箱形，采用生鐵錠+鐵屑混凝土進行壓重。主梁內配置的預應力鋼束（筋）分為施工階段預應力鋼筋、合攏預應力鋼束、橋面板預應力鋼束和橫梁預應力鋼束4種。斜拉索采用平行扇形雙索面布置，為平行鋼絲成品索，梁上標準索距為6.0 m，密索區為2.5 m，塔軸線處的拉索布置為9×1.8 m+2.5 m+2.3 m+6×2.0 m。橋梁立面見圖1。

圖1　橋梁立面圖（單位：m）

2　監控內容

2.1　索塔預高量控制

混凝土橋塔在成橋后受索力和自重影響，以及混凝土材料自身的收縮和徐變，使得索塔在施工的過程中需要有一定的預高量，以確保在成橋后橋塔內力與設計一致。在施工過程中進行與橋塔施工材料一致的混凝土材料試驗，包括彈性模量和徐變測試，獲取混凝土材料的收縮徐變的時變曲線，用于獲取橋塔在每個施工階段以及成橋后標高。

2.2　線形控制

該橋線形控制主要是主梁的線形控制。主梁線形平順，不僅關系到主梁的順利合攏，而且關系到結構的內力是否合理。該橋采用懸臂施工，主梁立模標高的控制是獲取成橋后合理內力的關鍵。在監控中，綜合考慮包括施工荷載、后續節段、混凝土收縮、徐變的影響，給出每個懸臂節段的立模標高。

2.3　內力控制

內力控制主要包括對主梁和索塔的內力控制以及對拉索索力的控制。主梁和索塔的合理內力主要通過立模標高確定以及合理的索塔預高量實現。斜拉索的內力控制主要采用通過對索力的精確測試來實現。在施工中考慮對測試方法所得結果的校核，在最短拉索和最長拉索的錨固端安裝錨索計，實現對拉索索力的精確測量。

2.4　結構溫度場控制

受日照影響，結構中會形成梯度溫度，采用兩種方法來避免受該溫度場產生的溫度內力。通過建立全橋的有限元數值模型，模擬不同溫度場作用下結構的變形。在結構關鍵位置安裝溫度傳感器，獲取日照情況下結構在24 h內的溫度-變形曲線，實現對結構變形測量數據的修正。

3　施工監控計算

斜拉橋的施工過程異常復雜，采用傳統的結構力學方法較難解決結構的非線性以及混凝土的收縮徐變問題，采用成熟的大型結構有限元計算軟件對該橋進行建模，利用空間桿系模型，分析橋梁在各施工階段結構的變形和內力。

建模時，對主塔和主梁均采用精確的梁單元模擬。其中，由于主梁為雙主梁形式，為真實模擬橋梁結構，建立雙縱梁，將主梁截面剛度平均分配給兩根縱梁，并采用剛性橫梁進行連接。橋面板采用板單元進行模擬。斜拉索采用桁架單元模擬，考慮拉索垂度的影響，采用ernst公式計算等效的彈性模量。預應力筋采用預應力鋼束模擬，預應力效應轉化為等效荷載進行施加。

在進行施工過程計算時，避免正裝分析與倒裝分析的不足，采用正裝分析和倒裝分析相結合的分析方法進行分析。首先進行倒裝分析，然后以倒裝分析的結果進行正裝分析，考慮混凝土收縮徐變的影響，反復迭代，獲取正確的各施工階段參數。圖2為全橋Midas模型。

圖2　全橋Midas模型

4　現場參數測試方法

橋梁施工監控是依托于結構施工的動態過程，良好的測試技術是獲取精確的結構參數的保證，同時也是準確發出監控指令的前提。

在整個監控中需要對該橋進行測試的參數主要包括結構變形、結構關鍵斷面應力、拉索索力、結構溫度等。其中，結構變形測試主要包括主梁軸線和線形測試，塔頂水平位移監測以及橋墩的沉降觀測。結構應力測試主要包括主梁關鍵斷面應力測試、索塔關鍵斷面應力測試。溫度測試主要包括主梁關鍵斷面溫度測試、索塔關鍵斷面溫度測試以及斜拉索的溫度測試。監控過程中監控參數的獲取過程見圖3。

圖3　施工監控參數獲取流程

在索塔承臺頂面布設基礎標高的永久觀測點，在塔頂布設塔頂標高的永久測點。分別在塔頂、塔梁結合處以及最短索與塔柱相交處布設橋塔水平位移測點。對索塔基礎沉降、索塔豎向位移與塔頂水平位移均采用全站儀進行測量，精度不低于1 mm。

主梁位移測點主要布設于塔梁結合處、每跨跨中、4分點以及拉索錨固端斷面。每斷面布設3點，中點處用于測試主梁軸線的偏移量（見圖4）。主梁標高采用精密三角高程測量方法，精度為±1 mm。

圖4　主梁斷面位移測點

索塔應力測試斷面主要布設于最短索與索塔交叉點處以及塔梁結合處,每塔柱各布設4個測點（見圖5）。布設時綜合考慮現場的惡劣環境以及經濟因素，選用質量優良的振弦式應變計進行測試，同時獲取相應的溫度場數據。

圖5　橋塔斷面測點布置

主梁應力測試斷面主要選取塔梁結合處主梁根部，錨跨跨中，壓重處，主跨四分點和二分點斷面，每個斷面在雙側梁頂和梁底各布設一個測點（見圖6）,并布設振弦式應變計進行測試，同時獲取相應的溫度場數據。

圖6　主梁斷面應力測點布置

索力測試除在最短索和最長索的錨固端處布設錨索計進行測試，其余拉索索力均采用頻率法獲取。測試時采用臨時安裝在斜拉索的拾振器（見圖7）進行信息采集，在環境激勵下，根據對采集的加速度信號分析，計算當前索力。斜拉索與其自振頻率有以下關系（以兩端鉸接的柔性索為例）：

式中：T為吊桿的索力，kN；W為單位長度吊桿重量,kN；L為吊桿的計算長度,m；fn為第n階自振頻率，H z；n為振動階數；g為重力加速度,s2/m。

圖7　索力測試用拾振器

5　結語

結合某混凝土斜拉橋施工監控，從索塔預高量、線形控制、內力控制以及結構溫度場控制等方面對混凝土斜拉橋施工控制與監測的過程和方法進行探討,給出混凝土斜拉橋現場施工參數的獲取流程，并對各測試參數的測點布設、測試方法以及測試儀器進行比選和研究，為同類項目的施工監控提供借鑒。