連續鋼桁梁橋施工監控技術研究

陳 強，王戰國，張德海

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢430010；2.寧波杭州灣新區開發建設有限公司，浙江 寧波 315336）

0 引言

橋梁施工監控是對施工過程中的各項結構參數進行嚴格的監測和調控，通過施工現場的結構測試，有限元軟件的計算分析及成橋狀態預測得出合理的反饋控制措施，確保橋梁系統處于可控狀態，保證橋梁的施工安全與施工進度計劃，為施工過程提供決策技術依據，為結構行為控制提供理論數據，也為結構受力提供預警，從而全面正確地指導施工，確保施工成橋狀態線形、內力與設計目標值相符，有效地控制橋梁結構狀態。

1 工程概況

本文以濱海大道跨十塘橫江橋為研究背景，該橋為三跨連續鋼桁梁橋，橋長224m，橋梁寬度為41.5m，整幅布置。主橋上部結構為（62+100+62）m，三跨連續鋼桁梁，橫斷面采用兩片主桁布置，主桁中心間距25.8m。主桁下弦為平直線，主桁上弦采用二次拋物線變高，中間支點處桁高為18m，跨中及梁端桁高為7m。圖1所示為濱海大道跨十塘橫江橋立面示意圖。

2 施工監控方法及工作內容

2.1 施工監控方法

圖1 濱海大道跨十塘橫江橋立面示意圖（單位：cm）

該橋屬于連續鋼桁梁橋，在施工過程的每一環節中，需嚴格保證各個構件內力、截面應力均不得超出規范規定值[1-3]。連續鋼桁梁橋的施工監控就是在滿足結構穩定性的要求下，對橋梁施工各個環節主要控制參數進行計算，形成參考數據，指導下一階段施工，對結構幾何變形、應力進行雙控，使成橋線形和內力符合設計要求[4]。通過施工監控對成橋目標進行有效控制，修正在施工過程中各種影響成橋目標的參數誤差，確保成橋后結構受力和線形滿足設計要求。該項目采用的施工監控方法為自適應控制方法[5]，該控制方法全面考慮橋梁結構狀態的各種因素和設計目標，在閉環反饋的基礎上，增加系統辨識過程，當現場量測發現偏差，把發現的誤差輸入參數識別算法，程序可以自動結算計算模型的參數，并對模型做出適應性修正（仿真），使模型輸出結果與當前狀態盡量一致后，重新計算以后各施工階段理想控制狀態，按照反饋信息對結構后續工程、工序進行適應性調整控制，從而實現監控的全過程仿真。仿真分析自適應橋梁施工監控程序編制的基本原理如圖2所示。

2.2 施工監控內容

該橋施工過程中構件受力狀態多變，要保證橋梁施工過程的安全，必須采用合理的計算方法和施工監控方法來確定橋梁結構施工過程中每一階段在受力和變形方面的理想狀態，使各施工工況及最終的成橋線形和受力狀態滿足設計和規范要求。

圖2 基于自適應原理仿真施工控制程序編制原理示意圖

2.2.1 橋梁施工計算內容

（1）成橋狀態線形和內力控制目標；（2）鋼桁架節段的定位坐標；（3）鋼桁架在各施工階段下的線形和內力；（4）鋼桁架在施工過程中的穩定性計算；（5）橋面縱橫梁各施工階段下的線形和內力；（6）溫度影響計算；（7）鋼桁架線形的敏感性分析；（8）合龍階段的線形調整計算；（9）施工過程中施工誤差分析；（10）成橋后線形和內力狀態分析；（11）附屬工程階段的線形調整計算。

2.2.2 現場監測內容

施工監測是施工監控的基礎，包括設計參數監測、幾何狀態監測、應力監測、穩定性監測和溫度監測等幾個部分。主要通過在結構的主要監測部位埋設各種性能的傳感器和相關的測試儀器獲得大量的數據，利用高效計算機程序，對數據進行分析處理，確定每一階段的施工參數，實現橋跨結構的內力和線形同時達到設計預期值，保證施工質量和安全。

（1）變形測試

變形監測的目的主要是獲取已形成的結構的實際幾何狀態，對施工控制、預報非常關鍵。其中包括：鋼桁架線形監測、橋面縱橫梁線形監測等。監測關鍵截面為：支點截面、邊跨1/4跨截面、邊跨跨中截面、中跨跨中截面、中跨1/4跨截面、中跨1/8跨截面。

（2）應力測試

鋼構件在施工過程中要經歷多種受力狀態，因此，對鋼桁架、橋面縱橫梁的應力監測至關重要，在鋼桁架及橋面縱橫梁上布置若干應變片來保證監測數據的有效性。在濱海大道跨十塘橫江橋鋼桁架的架設過程中，測試關鍵受力桿件應力，并與監控計算值進行比較，及時采用相應施工措施控制調整，確保大橋安全優質地架設完成。

（3）穩定性監側

濱海大道跨十塘橫江橋是一種主要由拉壓桿件組成的空間桿體系。對于該體系的失穩現象表現為結構的整體失穩或局部失穩。針對以上兩種在施工過程中可能出現的失穩狀態需進行監測，保證橋梁施工的安全進行。

（4）溫度影響測試

由于溫度對結構變形及內力的影響均較為顯著，溫度對結構的影響可以分為均勻溫度影響與非均勻溫度影響，均勻溫度影響指整個結構均處于相同的溫度場下，非均勻溫度指結構各部分由于日照或熱傳導速度的影響造成各部分溫度不一致的情況。

2.3 監測點的布置

2.3.1 變形監測點布置

變形監測的目的主要是獲取已形成的結構的實際幾何狀態，對施工控制、預報非常關鍵。其中包括：鋼桁架線形監測、橋面縱橫梁線形監測等。主梁變形測量在每個關鍵截面處布置不少于5個測點進行測量，關鍵截面為：支點截面、邊跨1/4跨截面、邊跨跨中截面、中跨跨中截面、中跨1/4跨截面、中跨1/8跨截面，測試截面布置示意如圖3所示。

圖3 鋼桁架監測測試截面總體布置圖（單位：cm）

2.3.2 應力監測點布置

主桁上弦、下弦及腹桿桿件均采用焊接箱型截面。主要對結構支點處、跨中1/2處、1/4處高應力桿件進行重點監測。全橋鋼桁架選取17個關鍵截面作為應力測試截面，測試截面布置示意如圖4所示。

圖4 鋼桁架監測測試截面總體布置圖

3 主要結果及分析評價

3.1 計算結果

濱海大道跨十塘橫江橋采用M id a s進行模擬，桁架結構全部采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬。全橋共6 026個單元；梁單元共4 076個，板單元共1 950個。空間模型結構離散圖如圖5所示，有限元計算結果如圖6～圖9所示。

圖5 空間模型結構離散圖

（1）變形計算結果

圖6 荷載作用下弦變形圖（單位：mm）

圖7 荷載作用腹桿軸線變形圖（單位：mm）

（2）應力計算結果

圖8 荷載作用下弦底板應力圖（單位：MPa）

圖9 荷載作用腹桿軸線應力圖（單位：MPa）

3.2 監測結果

3.2.1 變形監測結果

由圖10可知，下弦桿實際安裝標高與理論值差值平均10mm以內，滿足施工監控精度要求。由圖11可知，在上弦桿拼裝完成后，主桁架變形平均在-1mm左右，滿足施工監控精度要求。

圖10 梁段安裝誤差分析圖（單位：mm）

圖11 下弦桿變形圖（單位：mm）

由圖12可知，在中跨合龍段主梁支架未拆除，其余支架拆除情況下，主桁架變形最大在30mm左右，理論計算在支架全部拆除完成后變形為60mm左右，現階段結構在變形在理論變形范圍內，結構安全。由圖13可知，主桁架橋面鋪裝及附屬設施施工完成后，主桁架變形從支架拆除到二期過程中累計實測位移與模型計算基本吻合，現階段結構在變形在理論變形范圍內，滿足施工監控誤差要求。

圖12 濱海大道橋支架拆除后主桁架變形圖（單位：mm）

圖13 二期鋪裝完成后主桁架累計變形圖（單位：mm）

3.2.2 應力監測結果

由圖14可知，在施工過程中，截面下弦應力滿足設計規范，符合結構安全。

3.2.3 成橋線型監測結果

從圖15可以看出，濱海大道跨十塘橫江橋主橋鋪裝完成后，主梁線形平順性良好，滿足施工監控精度要求。

圖14 截面下弦應力圖（單位：MPa）

圖15 濱海大道橋主橋鋪裝完成后線形（單位：mm）

4 結 論

該橋施工控制根據實測數據和理論結果以及現場過程，匯總得到如下結論和建議：

（1）濱海大道跨十塘橫江橋為大跨鋼桁架連續梁橋，其施工中的不確定因素復雜，工期較長，工序眾多。最終本橋合龍偏差滿足設計、監控及相關規范要求，應力（內力）水平與設計計算值較好吻合，橋梁施工監控工作成果總體上達到了監控預期的“橋梁內力狀態、線形接近設計狀態，滿足規范要求”目的。

（2）全橋各梁段的線形（高程）滿足監控要求，整體平順性良好，相鄰階段絕對誤差滿足施工監控精度要求。主桁架關鍵部位桿件應力值與理論值相符，且在結構安全范圍以內，滿足規范及施工監控要求。

（3）建議主桁架腹桿及上弦拼裝從主墩處即門式框架位置處開始拼裝，并對其拼裝精度進行控制，拼裝完成后再進行橋面板的焊接工作，避免下弦桿因橫梁等桿件重量而發生橫向傾斜扭轉，造成腹桿及上弦拼裝誤差過大。

綜上所述，濱海大道跨十塘橫江橋桁架施工過程中，監控單位各項工作順利有效地實施，為濱海大道跨十塘橫江橋的順利竣工提供了有利的支持。主桁架內力和結構變形均得到了較好的控制，結構應力監控表現良好，結構線性平順美觀，濱海大道跨十塘橫江橋施工全過程屬于受控狀態，結構各項成橋指標表現良好。