下承式系桿拱橋施工監(jiān)控技術(shù)

(中南林業(yè)科技大學(xué) 湖南 長沙 410000)

一、工程概述

蒸潭橋位于衡陽高新區(qū)陸家雨母片區(qū)，東起蒸潭路，西至柿江河西岸，是連通柿江河?xùn)|岸與西岸的重要通道。橋位位于1#水壩上游。上部結(jié)構(gòu)采用兩道鋼箱拱肋+箱梁截面組合而成，拱軸線為2次拋物線，計(jì)算跨徑為87.6m，矢跨比f/L=20/87.6=1/4.38，拱圈高2.0m，寬1.75m。混凝土拱腳處寬2.4m，吊桿間距5m。邊跨采用箱梁截面，梁高2m。橋梁總寬32m，整幅布置，主跨橫梁梁高2m，橫坡由結(jié)構(gòu)形成，懸臂長2.44m，橋面鋪裝為防水層和4.0cm細(xì)粒式SBS改性瀝清硅AC-13C+6.0cm厚中粒式瀝清混凝土AC-20。全橋尺寸如圖1所示。

圖1 全橋立面圖與剖面圖

二、施工監(jiān)控原則內(nèi)容及結(jié)果分析

(一)施工監(jiān)控原則

混凝土系桿拱橋成橋線形符合設(shè)計(jì)要求及系梁和拱肋應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)是施工監(jiān)控的基本原則。

施工監(jiān)控主要是通過對(duì)施工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)調(diào)整、修正所有影響成橋目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的因素，保證橋梁施工過程安全和設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設(shè)計(jì)要求。在混凝土系桿拱橋的整個(gè)施工過程中對(duì)系梁和拱肋的標(biāo)高、軸線和應(yīng)力進(jìn)行控制。系梁施工階段以控制標(biāo)高和軸線為主，拱肋及吊桿張拉施工階段以控制系梁、拱肋標(biāo)高和軸線為主，以確保施工安全。

通過現(xiàn)場監(jiān)測和監(jiān)控計(jì)算等手段，對(duì)全橋施工過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移狀態(tài)進(jìn)行有效地監(jiān)測、分析、計(jì)算和預(yù)測，為施工單位提供施工監(jiān)控信息，以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)在施工過程的安全并最終達(dá)到設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)。

1.受力要求

系梁和拱肋截面內(nèi)力(應(yīng)力)反應(yīng)了混凝土系桿拱橋的主要受力內(nèi)容。控制這些截面的受力都在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)。

2.線形要求

線形主要是指系梁和拱肋的整體標(biāo)高和局部平順性要求。成橋后(通常是長期變形穩(wěn)定后)系梁和拱肋的標(biāo)高要滿足上述兩方面的設(shè)計(jì)標(biāo)高要求。

3.系梁和拱肋平面位置要求

主要是指節(jié)段系梁和拱肋的實(shí)際橋軸線與理論橋軸線值的偏差應(yīng)符合設(shè)計(jì)和《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(CJJ 2-2008)的要求。

4.穩(wěn)定性要求

確保整個(gè)施工與成橋狀態(tài)橋梁不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

(二)施工監(jiān)控主要內(nèi)容

在大橋施工開始之前，采用MIDAS軟件及施工監(jiān)控專用程序建立相應(yīng)的大橋施工監(jiān)控計(jì)算模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真施工階段模擬，其中包括以施工順序進(jìn)行的前進(jìn)分析和以施工逆順序(成橋倒拆)進(jìn)行的倒退分析，提出理想狀態(tài)下的施工階段控制參數(shù)。由于混凝土系桿拱橋施工過程環(huán)節(jié)較多，體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜，影響參數(shù)較多，如：結(jié)構(gòu)剛度、梁段的重量、溫度、吊桿分階段張拉力、施工荷載等。求施工監(jiān)控參數(shù)的理論值時(shí)，都假定這些參數(shù)為理論值。

圖2 蒸潭橋Midas civil模型

首先復(fù)核設(shè)計(jì)計(jì)算所確定的成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)。按照施工和設(shè)計(jì)所確定的施工工序，以及設(shè)計(jì)所提供的基本參數(shù)，對(duì)施工過程進(jìn)行一次正裝計(jì)算，得到各施工狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)相互校對(duì)確認(rèn)無誤后作為混凝土系桿拱橋施工監(jiān)控的理論數(shù)據(jù)。計(jì)算項(xiàng)目包括：

(1)各施工狀態(tài)下以及成橋狀態(tài)下狀態(tài)變量的理論數(shù)據(jù)；混凝土系梁和拱肋標(biāo)高、軸線、控制截面應(yīng)力應(yīng)變；

(2)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)理論值：混凝土系梁和拱肋標(biāo)高、軸線、控制截面應(yīng)力應(yīng)變；

(3)施工階段的穩(wěn)定性計(jì)算：系梁和拱肋安裝階段的穩(wěn)定性計(jì)算分析；

(4)混凝土系桿拱橋成橋后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析；

(5)運(yùn)營階段的移動(dòng)荷載分析，確保大橋建成后處于安全的運(yùn)營狀態(tài)；

(6)必要時(shí)還應(yīng)該對(duì)大橋進(jìn)行局部應(yīng)力分析，確保大橋的安全性。

大橋的施工監(jiān)控工作應(yīng)該是在大橋施工過程安全的情況下進(jìn)行的，因此首先根據(jù)設(shè)計(jì)文件對(duì)大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，驗(yàn)證大橋在常規(guī)荷載以及確定的施工方案情況下的結(jié)構(gòu)安全性，以確保施工安全，同時(shí)為現(xiàn)場監(jiān)測、危險(xiǎn)預(yù)告提供預(yù)警控制值。

(三)施工過程監(jiān)測方法

1.系梁拼裝軸線監(jiān)測

測點(diǎn)設(shè)置:系梁縱向橫隔板中心位置設(shè)置測點(diǎn)，利用高精度全站儀進(jìn)行測量。全橋縱向共16個(gè)節(jié)段(包括端橫梁)，共布置9個(gè)測點(diǎn)，分別編號(hào)為Z1～Z9，測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 1/2跨系梁頂軸線測點(diǎn)布置圖(單位:m)

2.拱肋拼裝監(jiān)測

拱肋安裝時(shí)必須保證拱肋軸線和高程位置，使拱肋軸線和高程控制在精度之內(nèi)。根據(jù)施工現(xiàn)場情況，在每根吊桿位置處的拱肋中心外邊緣布置測點(diǎn)(如圖4所示)，在測點(diǎn)處安裝專用反射片，在控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀進(jìn)行測量，使其在理論位置處。每片拱肋共9個(gè)測點(diǎn)，全橋共18個(gè)測點(diǎn)。

圖4 拱肋軸線和高程位置縱橋向測點(diǎn)布置圖

拱肋安裝時(shí)必須保證拱肋軸線和高程位置，使得拱肋軸線和高程控制在精度之內(nèi)。從圖5可以看出，拱肋安裝階段，安裝后的實(shí)際高程與理論高程最大誤差-8mm，結(jié)果表明滿足拱肋安裝的線型要求。

圖5 衡陽市蒸潭橋拱肋安裝的高程控制圖

主梁和拱肋線形方面，施工方嚴(yán)格按照立模標(biāo)高進(jìn)行立模，控制在±20mm以內(nèi)；成橋后梁頂中線標(biāo)高與理論值最大正誤差為9mm，最大負(fù)誤差為-17mm，均控制在±20mm以內(nèi)，符合規(guī)范要求，梁段整體線形平順流暢，表明施工監(jiān)控理論可靠，分析方法正確、有效。

3.應(yīng)力、內(nèi)力監(jiān)測

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，在系梁、拱肋上的控制截面布置應(yīng)力測點(diǎn)，觀察在施工過程中這些截面的應(yīng)力變化與應(yīng)力分布情況。結(jié)合反饋控制的實(shí)時(shí)跟蹤分析，提供最優(yōu)可調(diào)變量的調(diào)整方案，由實(shí)時(shí)跟蹤分析在計(jì)入誤差和變量調(diào)整之后，每階段乃至竣工后結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)，預(yù)告今后施工可能出現(xiàn)的狀態(tài)，并預(yù)報(bào)下一階段當(dāng)前已安裝構(gòu)件或即安裝的構(gòu)件是否出現(xiàn)不滿足強(qiáng)度要求的狀態(tài)，以確定是否在本施工階段對(duì)可調(diào)變量實(shí)施調(diào)整。

(1)系梁應(yīng)力測點(diǎn)布置

根據(jù)理論計(jì)算及施工現(xiàn)場情況，系梁測點(diǎn)布置在兩支點(diǎn)、1/4、1/2、3/4截面，測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 系梁應(yīng)力和溫度橫向測點(diǎn)布置圖(單位：m)

(2)拱肋應(yīng)力測點(diǎn)布置

根據(jù)理論計(jì)算及施工現(xiàn)場情況，拱肋應(yīng)力和溫度測試截面選取為兩拱腳、1/4、1/2、3/4截面，測點(diǎn)布置在拱肋上下緣的中心線上。主梁各梁段施工過程中，關(guān)鍵截面上下緣實(shí)測應(yīng)變均與理論值吻合良好，主梁結(jié)構(gòu)受力狀況良好，符合設(shè)計(jì)要求。

4.吊桿索力監(jiān)測

根據(jù)蒸湘系桿拱橋施工現(xiàn)場的實(shí)際情況及施工的可行性、經(jīng)濟(jì)性等，采用索力動(dòng)測儀測量索力。確定索力測量時(shí)以振動(dòng)頻率法為主，千斤頂油壓表量測為輔，并校對(duì)壓力表和千斤頂誤差程度、對(duì)吊桿參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定、修正動(dòng)測儀參數(shù)。

對(duì)成橋后吊桿索力進(jìn)行測量，實(shí)測值取每根索的實(shí)際值，并與理論值進(jìn)行對(duì)比，如圖所示，控制在5%的范圍以內(nèi)，滿足要求。

圖7 衡陽市蒸潭橋吊桿成橋階段的索力(上游)

三、結(jié)語

下承式系桿拱橋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其施工階段比較多，施過周期較長，環(huán)境變化大，各個(gè)階段的受力與變形也要不斷變化，使得施工結(jié)果和理論計(jì)算不符，形成施工誤差。如果不能準(zhǔn)確掌握各施工階段變形值，就不能實(shí)現(xiàn)大橋的準(zhǔn)確對(duì)接和拱肋合龍或使大橋的空間位置與設(shè)計(jì)不符。通過對(duì)大橋施工現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的分析，獲得誤差因素的定量數(shù)據(jù)。據(jù)此，對(duì)本次施工的后期變形作出預(yù)測。根據(jù)后期變形預(yù)報(bào)，設(shè)定當(dāng)前的立模標(biāo)高，從而減少施工誤差，使橋梁的線性與計(jì)算一致。通過項(xiàng)目的要求制定并嚴(yán)格執(zhí)行合理的監(jiān)控方案，在施工過程中及時(shí)做出必要的調(diào)整，對(duì)橋梁的施工質(zhì)量控制和安全起到了十分重要的作用。