鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工安全監控

鄧中偉

（中鐵十六局第二工程有限公司，天津市 300162）

1 概述

施工控制的目的是保障橋梁施工順利，確保成橋后結構的內力和線形與設計理想狀態相一致，其誤差控制在規范和設計要求的范圍內。是對施工過程中的各重點階段及過程進行監測和控制，保證橋梁順利施工，且在施工過程中利用各種測試手段（應力、應變、三維坐標等）獲取現場實際的數據，并對獲取數據進行處理，給出各施工階段的線形及內力控制數據，用以指導和控制施工，防止施工中的誤差積累，保證成橋后的線形及內力處于安全合理的范圍內。施工監控的任務是：在施工中應用大跨度橋梁的控制理論方法，根據實際測得的主拱圈在各階段（勁性骨架安裝、管內混凝土灌注、外包混凝土澆筑、拱上墩柱施工、箱梁架設等）的應力及變形數據，考慮溫度影響，對所得數據進行處理分析，并將分析結果及時反饋到施工過程中，從而保證橋梁的施工安全及施工質量[1]。

2 監測工作內容

2.1 設計校核

在控制工作開展初期，按照設計參數和施工方法，對橋梁進行詳細的結構分析計算。這些計算工作主要包括：在空鋼管節段吊裝、合龍、松扣各施工階段，鋼管桁構的應力（內力）、撓度及安裝高程計算；在灌注管內混凝土各施工階段，鋼管桁構的應力（內力）、撓度及結構整體穩定性計算；在施工立柱、橋面系等各階段，結構的內力、撓度計算；在空鋼管桁構合龍前（最大懸臂狀態），其在橫向風力影響下的面內外穩定安全性分析。在上述計算分析中，需考慮溫度的影響。

在驗算方法上，當鋼管內混凝土達到強度前，應按應力疊加法計算鋼管桁構的應力和穩定性；當鋼管內混凝土達到強度后，擬按內力疊加法計算結構內力。

2.2 現場測定的參數

2.2.1 材料的物理力學性能參數

對理論計算影響較大的材料力學性能指標主要有混凝土的實際容重、混凝土的實際強度、混凝土的彈性模量等[2]。

（1）混凝土的實際容重。由于拱圈混凝土另行選擇材料，混凝土容重與其他標號混凝土會有明顯差異，故對拱圈混凝土的容重由實驗室進行單獨統計。

（2）混凝土的實際強度。計算時數據采用實驗室測試資料進行統計。

（3）混凝土的彈性模量。在單向壓縮（有側向變形）條件下，壓縮應力與應變之比。由于現場施工差異，每次試驗取樣時多做幾組試件，對現場混凝土彈性模量進行測試，統計后作為現場彈性模量的實測值，作為后續計算的依據。

2.2.2 荷載參數

2.2.2.1 恒載

（1）結構自重。設計資料的鋼管骨架、管內混凝土、平聯板、拱上立柱、簡支梁等的自重（一期恒載）并考慮實測尺寸與設計尺寸的偏差。在特殊情況下，對構件自重進行實測。

（2）二期恒載。主拱的二期恒載是根據設計圖紙與施工現場相結合，根據現場測試的材料參數加以計算。

2.2.2.2 施工荷載

主要包括為施工方便搭設的臨時設備、堆放的施工材料、實際截面幾何參數、主拱和其他構件斷面的實際測定幾何尺寸[3]。

3 位移監測

3.1 測點布置

根據監測方案，測點布置如下：

（1）主拱標高監控測點分別布置在拱肋上下游側面，各布置9個監控點，共計18個；分別布置在3#墩拱腳、1/8拱、1/4拱、3/8拱、拱頂、5/8拱、3/4拱、7/8拱以及4#墩拱腳。主拱軸線測點在拱肋中布置7個，分別布置在1/8拱、1/4拱、3/8拱、拱頂、5/8拱、3/4拱、7/8拱。

（2）在5#橋臺索塔塔頂上設置3個測點，以監測其3個方向的位移（主要是沿順橋向的水平位移），索塔塔底設置一個測點，對塔頂測點進行復核，并快速測量塔頂塔底的位移差。

（3）在0#臺側對錨梁位置用千分表進行位移觀測。

3.2 具體的監測方法

（1）塔架的受力、位移進行監控驗算。交界墩長細比較大時，有必要對索塔的強度和穩定性進行計算。

（2）索塔在拱肋安裝中的偏移控制。

a.索塔垂直于橋軸線方向設一測站，在索塔底部設置一個標志點，在索塔頂部上下游及其中間貼3個反光膜，在中間反光膜上側貼20 min鋼尺（10 min讀數對準索塔底部標志點）。

b.在適當位置選取索塔觀測站（以保證足夠的仰角與精度為宜）。

c.吊裝前讀取索塔原始數據3個反光膜的坐標值。

d.節段吊裝過程中讀取變形后的坐標值[4]。

e.與原始數據進行比較，坐標計算得出差值，并根據規范比較差值是否在允許值內。

3.3 拱肋線形監測

拱橋結構變形由三個方面組成：軸線（橫向）、撓度（豎向）和橋縱向位移。其中，豎向位移（撓度）是最大的位移，也是變形控制中最主要的內容，其調整也比其他兩個要容易些；橫向位移（軸線偏移）是對主拱結構穩定性影響最大的變形；拱橋基礎或承臺的縱向位移引起主拱構件的附加內力是十分巨大的，很小的相對位移都可能產生十分可怕的結果。因此對這三者不可厚此薄彼，都應引起足夠重視。

為觀測主拱結構的變形，可根據橋址附近的水準點，在橋梁兩岸的適當高度建多個觀測站，橋下建兩個以上觀測站，所建觀測站最好能兼顧各項位移的觀測。結構變形觀測主要采用全站儀。

3.4 主拱軸線控制

纜索進行勁性骨架吊裝焊接及扣索的控制，其微小變化直接影響勁性骨架合龍后的線形。該橋勁性骨架安裝拱頂預拱度0.45 m，其他位置按二次拋物線進行分配。在設計拱軸線上加上預拱度后得到加工制作的制造軸線。預制吊裝成拱后的理想線形應該是制造軸線減去吊裝一次成拱的自重撓度（DY），以此作為纜索吊裝控制的目標[5]。

利用全站儀進行勁性骨架各扣點在各階段的軸線高程控制測量，具體方法如下：

（1）在預先設置的觀測站對勁性骨架進行三維坐標測量，從而反算施工坐標，對軸線進行控制。

（2）勁性骨架吊裝前，在勁性骨架端頭位置用尺量出骨架中點位置，并焊接鋼筋頭，貼好免棱鏡測量專用反光片。

（3）測量方法。利用全站儀觀測骨架軸線與放樣軸線的平距差值。偏位過大時則利用兩側風纜進行調整。

3.5 錨梁和墩頂位移監測

在錨碇影響范圍外固定一根鋼筋并在鋼筋上貼鋼尺，采用在錨碇后側設置固定標尺，用鋼尺測量位移值即可。

墩頂位移監測包括左右偏移監測和前后位移監測：

（1）吊裝前，在墩頂蓋梁兩側貼反光膜，并在墩底設置標志點，在中間反光膜處貼20 min，并使10 min數值對準墩底標志點。讀取原始坐標值。

（2）扣索（松索）后，全站儀讀取變形后的坐標值，觀察此時墩底標志點對應的鋼尺讀數并記錄。

（3）與原始數據進行比較得其位移。

4 應力監測

4.1 測試儀器的選擇

鋼弦式傳感器具有結構簡單、堅固耐用、抗干擾能力強、測值可靠、精度與分辨率高、穩定性好等優點，其輸出為頻率信號，能接長導線，便于遠距離傳輸，可直接與微機接口。在該橋的應力監測中采用鋼弦式傳感器。

4.2 測試原理

鋼弦應變計是利用鋼弦的自振頻率特性制成的應變計，通過把構件表面或內部的應變轉化為鋼弦的工作頻率變化而進行測量。其有兩個支點固定鋼弦，在電流通過電磁線圈所產生的短脈沖作用下，沿磁場方向發生振動。當支點間的距離發生改變時，鋼弦的張力與振動頻率也隨之變化。其基本原理是由鋼弦內應力的變化轉變為鋼弦振動頻率的變化。根據《數學物理方程》中有關弦的振動的微分方程可推導出鋼弦應力與振動頻率的關系，見式（1）：

式中：f為鋼弦振動頻率；L為鋼弦長度；ρ為鋼弦的密度；σ為鋼弦所受的張拉應力。

4.3 監測斷面及儀器布置

在拱腳位置、1/4拱、1/2拱（左）、1/2拱（右）共計5個斷面進行應力監測。對勁性骨架的應力監測，每個斷面共設8個測點，分別焊接在勁性骨架上下弦8根鋼管上，用以監測勁性骨架的受力情況。對外包混凝土的應力監測，每個斷面設置6個測點，在底板腹板和頂板上各2個測點，傳感器在每澆筑段的中間，由于拱腳位置應力集中現象較為嚴重，增加傳感器數量，便于真實地反映受力情況。

（1）應力傳感器采用兩種方式進行預埋：

a.直接焊接在勁性骨架上。

b.綁扎固定在受力鋼筋上，測力方向與主筋受力方向一致。

將傳感器導線引至混凝土表面并做好標記，對傳感器導線及傳感器接頭進行相應保護。在每一節段的施工過程中都要進行應力觀測。由于該橋位置處于高原，早中晚溫差較大，為消除溫度的影響，測量選擇在上午10點前完成。

（2）拱圈應力監測分環分段分次澆筑外包混凝土時，對每個工作面的每3次全環澆筑完成后監測一次拱圈應力，澆筑拱上立柱時，每澆筑一段拱上立柱進行一次拱圈應力監測。

（3）在勁性骨架吊裝過程中，扣索承擔骨架的全部受力，對扣索索力進行實時監測尤為重要，以免因風荷載原因或施工震動荷載因素，使扣索索力突變，造成安全事故。在該橋監測過程中，采用JMM268型索力儀對扣索進行測量驗證。索力可根據式（2）計算得出：

式中：T為索力，kN；W為扣索或吊桿單位長度重量，kN/m；n為頻率階數；fn為對應 n階的頻率，Hz；L為扣索及吊桿計算長度，m；g為重力加速度9.8 m/s2。

（4）由于該工程所處高海拔山區（海拔2 850 m），紫外線強，晝夜溫差大，結構物溫差較大，影響到結構內部應力分布，溫度變形還將影響測量精度。測量數據用于施工監控分析中時，必須對溫度進行修正。擬采用紅外線溫度檢測儀進行結構溫度監測。同時應變傳感器自帶溫度測試功能，采用應變傳感器監測結構內部溫度。

（5）動態控制根據現場測試數據，進行參數識別與修正，并詳細模擬施工過程，形成施工控制依據。在實際施工過程中，根據實時測量反饋的數據，隨時進行調整控制。

勁性骨架的拱軸線和應力是施工控制的根本目標。勁性骨架安裝控制的目標是：理想成拱軸線=制造軸線（設計拱軸線+預拱度）-拱肋一次成拱的自重（包括管內混凝土）撓度曲線。鋼管桁構的應力控制目標是：空鋼管無鉸拱（主要是上、下弦鋼管構件）自重作用下的應力在容許范圍內。

各施工階段的控制高程按式（3）確定：

式中：H為節點的施工控制高程；Ha為計算安裝軸線高程；fi為節點累計撓度（包括節段重力、扣索索力、后續施工下當前節點撓度的影響）；Δ為考慮施工誤差及溫度影響的安裝修正值。

5 結語

綜上所述，本文對鋼管混凝土勁性骨架拱橋的某種監控方法做了詳細的介紹，并分析了其理論性。同時以某實際鋼管混凝土勁性骨架為背景，以實際施工工況和現場實測數據為支撐，對主拱圈進行了結構分析，對每一施工階段提出指導性意見，分析誤差產生的原因，對每一工況進行安全控制，希望可為同類型橋梁施工監控提供一些參考性意見。