大跨徑鋼桁架上承式拱橋的施工監(jiān)控技術(shù)

柯鵬

本文以某鋼桁架上承式拱橋的建設(shè)為例,研究了該橋在整個(gè)施工過(guò)程中的監(jiān)控技術(shù)。首先，應(yīng)用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil，對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到各控制工況下各構(gòu)件的位移和應(yīng)力等數(shù)據(jù)；其次，對(duì)拱橋關(guān)鍵控制截面的線形和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與理論值進(jìn)行比對(duì)分析，總結(jié)了部分施工監(jiān)控的成果,可為同類橋梁施工監(jiān)控提供參考。

鋼桁架上承式拱橋具有橋型美觀、施工周期短、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是大跨徑拱橋一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。鋼拱橋結(jié)構(gòu)的施工和計(jì)算極為復(fù)雜，橋梁成橋后的內(nèi)力和線形狀態(tài)與橋梁的施工方法和施工順序密切相關(guān)，橋梁在施工過(guò)程中有很多不確定因素，如果不加以控制，會(huì)使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和線形偏離設(shè)計(jì)值，這種偏離不僅影響橋梁合龍，還會(huì)危及施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全。因此，為了減少或消除這些偏差和不確定性帶來(lái)的影響，使橋梁的受力和變形狀態(tài)始終處于結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的要求之內(nèi)，同時(shí)成橋后的鋼桁梁內(nèi)力和線形達(dá)到設(shè)計(jì)期望值，需要對(duì)鋼桁架上承式拱橋進(jìn)行施工監(jiān)控。

一、工程概況

本文以某鋼桁架上承式拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑯蛄旱膬艨鐝?00m，凈矢高21m，矢跨比1/5，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m選用2.352；主拱肋采用鋼箱桁架結(jié)構(gòu)，鋼桁高度為等高3.5m，橫向分兩片拱肋，肋間中距8m；拱肋上、下弦桿為等截面鋼箱；拱上立柱墩采用鋼排架結(jié)構(gòu)；拱上橋面行車道采用分離式鋼箱梁，跨徑15m，采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，鋼箱梁梁高1.5m，橋面全寬12.5m，外懸臂1m；拱肋采用支架組拼，鋼箱梁采用架橋機(jī)拼裝施工。通過(guò)對(duì)本橋施工監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，在有限元分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)監(jiān)測(cè)了施工過(guò)程中各控制截面的應(yīng)力以及各控制點(diǎn)的線形，并與理論值進(jìn)行比對(duì)分析，采取相應(yīng)的調(diào)控手段，確保拱肋順利合龍，使成橋應(yīng)力、線形等滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。橋梁結(jié)構(gòu)立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

二、施工監(jiān)控方法

鋼桁架上承式拱橋理想的幾何線形及內(nèi)力狀態(tài)，不僅與設(shè)計(jì)有關(guān)，而且還依賴于科學(xué)合理的施工方法。本橋采用自適應(yīng)控制方法，受施工過(guò)程中節(jié)段重量、環(huán)境溫度、施工臨時(shí)荷載等的影響，施工監(jiān)控理論計(jì)算分析時(shí)，假定這些控制參數(shù)為設(shè)計(jì)值，為了消除因設(shè)計(jì)參數(shù)取值的不確切所引起的問(wèn)題，在施工過(guò)程中需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)，因此要得到相對(duì)準(zhǔn)確的控制措施，需要先根據(jù)施工中測(cè)到的結(jié)構(gòu)實(shí)際反應(yīng)來(lái)對(duì)計(jì)算模型中的控制參數(shù)值進(jìn)行修正，使計(jì)算模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)磨合一段時(shí)間后，自動(dòng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律。通過(guò)閉環(huán)反饋控制和系統(tǒng)識(shí)別過(guò)程相融合，就形成了自適應(yīng)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)基本原理圖

三、施工監(jiān)控主要內(nèi)容

1.施工模擬計(jì)算

模擬計(jì)算依據(jù)施工組織設(shè)計(jì)確定的施工順序和施工荷載，采用盡可能真實(shí)的參數(shù)，采用已確定的、不再更改的臨時(shí)荷載等，考慮已確定的施工方案、臨時(shí)施工荷載及合龍方案等，以反映出設(shè)計(jì)與施工的差異。施工過(guò)程計(jì)算的目的是為了得到各施工階段及成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制計(jì)算目標(biāo)數(shù)據(jù)。

橋梁結(jié)構(gòu)分析采用有限元程序Midas/Civil。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)尺寸及結(jié)構(gòu)離散圖等，將全橋結(jié)構(gòu)離散成477個(gè)節(jié)點(diǎn)、975個(gè)單元。橋梁有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁有限元計(jì)算模型

2.拱座沉降觀測(cè)

隨著拱肋節(jié)段及主梁節(jié)段的施工，拱座承受的拱肋自重、鋼箱梁自重及施工荷載等作用越來(lái)越大，因此，需要對(duì)拱座沉降變形進(jìn)行觀測(cè)。

拱座混凝土表面粘有反光片，并用紅色油漆對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)記完成后，進(jìn)行初始高程的監(jiān)測(cè)，在后續(xù)施工中，每個(gè)施工工況完成后對(duì)拱座進(jìn)行一次沉降監(jiān)測(cè)，時(shí)間選在晚上溫度場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行,通過(guò)與初始高程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來(lái)判斷基礎(chǔ)的沉降大小。

3.拱肋線形監(jiān)測(cè)

拱肋線形監(jiān)測(cè)采用在拱肋上黏貼反射片的形式，測(cè)點(diǎn)選擇在拱腳、1/4L、拱頂、3/4L、和拱腳截面，用全站儀進(jìn)行測(cè)量。拱肋每一節(jié)段的端截面上、下弦桿設(shè)置平面位置及標(biāo)高觀測(cè)點(diǎn)。用全站儀測(cè)定拼裝點(diǎn)的平面位置及高程。白天吊裝施工時(shí)，可針對(duì)吊裝時(shí)的實(shí)際溫度對(duì)吊裝標(biāo)高進(jìn)行適當(dāng)修正，但標(biāo)高觀測(cè)及調(diào)整的時(shí)間，應(yīng)安排在次日早上太陽(yáng)出來(lái)半小時(shí)之前完成，使結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一晝夜的熱交換后大致處于均勻溫度場(chǎng)的狀態(tài)下進(jìn)行，待標(biāo)高觀測(cè)及調(diào)整之后，再進(jìn)行節(jié)段之間的拼接。在拱肋安裝完畢后，需要對(duì)平面位置進(jìn)行仔細(xì)核查，在符合設(shè)計(jì)等要求后，方進(jìn)行下步工序。

圖4 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

4.拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)

拱肋應(yīng)力測(cè)試斷面選擇在拱腳、1/4L、拱頂、3/4L、和拱腳截面，見(jiàn)圖4所示。

由于拱肋采用支架安裝，拱肋安裝過(guò)程中的自重主要由支架承擔(dān)，拱肋本身應(yīng)力變化較小，因此，拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要關(guān)注支架拆除后的拱肋應(yīng)力變化情況。應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要工況為支架拆除前、支架拆除后、鋼箱梁安裝后、橋面鋪裝后等關(guān)鍵階段。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)拱肋應(yīng)力，分析在施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)力變化情況，并對(duì)可能發(fā)生的超出設(shè)計(jì)規(guī)范要求的情況提出應(yīng)力調(diào)整措施。

5.橋面線形監(jiān)測(cè)

對(duì)于橋面線形控制，主要是通過(guò)對(duì)拱上立柱和橋面鋪裝高程的控制來(lái)保證。首先要通過(guò)監(jiān)測(cè)保證蓋梁精確安裝到位，才能確保后續(xù)橋面板安裝和橋面鋪裝工作。橋面板安裝完成后，根據(jù)實(shí)測(cè)梁體頂面高程和設(shè)計(jì)橋面高程數(shù)據(jù)，擬合橋面鋪裝標(biāo)高，使橋面線形平順并符合設(shè)計(jì)要求。

四、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)拱橋整個(gè)施工過(guò)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到以下結(jié)果：

（1）本橋拱座沉降量最大為-2mm，總體較小，處于正常狀態(tài)；（2）拱橋線形變化值與監(jiān)控計(jì)算值變化規(guī)律基本一致，高程偏差最大為-4mm，橋梁整體線形較為平順；（3）拱肋監(jiān)測(cè)截面實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論計(jì)算應(yīng)力值基本吻合，成橋后實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力為62.4MPa，滿足規(guī)范要求。

五、結(jié)論

本文以某大跨徑鋼桁架上承式拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，對(duì)橋梁施工監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究，得到的主要結(jié)論如下：（1）對(duì)大橋進(jìn)行了施工模擬計(jì)算，得到了拱橋施工過(guò)程中各構(gòu)件的位移和應(yīng)力，其結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，計(jì)算所得可用于對(duì)指導(dǎo)橋梁施工；（2）通過(guò)制定科學(xué)合理的橋梁施工監(jiān)控方案，對(duì)大橋進(jìn)行了施工監(jiān)控,從該拱橋的施工監(jiān)控結(jié)果可知：拱座沉降量總體較小；拱肋線形變化值與監(jiān)控計(jì)算值變化規(guī)律基本一致，橋梁整體線形較為平順；各個(gè)施工階段的拱肋監(jiān)測(cè)截面實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論計(jì)算應(yīng)力值基本吻合；相關(guān)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,達(dá)到了橋梁施工監(jiān)控預(yù)定的目的，可為同類鋼桁架拱橋施工監(jiān)控提供參考。