監測與監控技術在橋梁施工中的作用

杜慧

(1.甘肅省交通科學研究院集團有限公司,甘肅蘭州 730000;2.甘肅省橋梁隧道健康監測與安全評估技術重點實驗室,甘肅蘭州 730000)

0 引言

隨著經濟的發展，交通發展呈現出上升趨勢，國家對橋梁的需求也日益增加。近些年來，關于橋梁的各種研究及其成果逐漸應用在了橋梁工程上，新技術與新材料的應用為我國的橋梁建筑事業錦上添花，但在整個橋梁施工過程中，不可或缺的仍是監測與監控技術。加大施工控制理論的研究力度，研制更加實用、先進的控制軟件，進一步提高監測的自動化程度和精度，建立起一套完善的控制系統，這對今后橋梁施工過程監控工作提供必要的技術支撐和要求。橋梁施工的監測與監控技術能夠指導施工實踐，保證橋梁的安全穩定與耐久性，以及施工環節和整體橋梁結構的有序進行，以確保施工過程得以準確的實現，滿足設計要求[1]。

1 監測與監控技術在橋梁施工方面的作用

1.1 確保橋梁施工正常進行

施工監控是施工技術的重要組成部分，并在橋梁施工中貫穿于全過程。實時進行橋梁監測和控制成為橋梁結構施工中的必要手段，施工控制參數需依據實時監控數據進行相應的調整，以保證結構線形的平順，并監控實際內力分布，使橋梁結構始終處于安全受力范圍內。

在施工過程監控中需要監測的大量數據，不論是施工監測數據還是理論模型數據都需要經過反復計算和分析，才能夠保證施工過程順利有序進行，保證最終橋梁的順利合攏及安全穩定。此外，在監測過程中測量的數據，經過專業分析以及合理的有限元模型，能夠精確模擬橋梁施工中結構內力的變化和預拱度的控制，保證在特殊情況發生后能夠采取相應措施，在一定程度上可以避免意外發生并對問題結構進行控制、修改，保證橋梁安全。同時，由監測技術介入的橋梁數據，能盡量在保證橋梁結構安全穩固的基礎上符合工程美學的標準。

1.2 為其它橋梁工程提供經驗

在施工監控過程中采集的相關橋梁數據，一方面為自身橋梁施工提供監控指令，另一方面也為其他相似結構類型的橋梁工程提供經驗教訓。橋梁數據包括橋梁理論模型計算數據、掛籃和托架預壓數據、施工階段采集的高程、應力及墩柱豎直度等數據、橋梁合攏前的配重等，數據的收集分析和監控指令能夠為日后類似橋梁的建造提供施工建議，使成橋后橋梁結構的內力分布和線形滿足設計和規范要求，節省相關成本。此外，不同地區由于氣候、地形以及交通狀況的不同，橋梁施工的難易程度不同，不同的橋梁施工組織方案，可以提供不同的數據和解決方案，有利于橋梁工程以更快的速度進行設計、施工、運營，更好的節省時間成本[2]。

1.3 對具體施工實踐進行監控

監測與監控技術的運用，能夠節省人力監控資源，同時也提高了對橋梁工程監測和監控的效率，監控人員能夠借助監測與監控技術，實時對施工過程進行監控，更加全面直觀的控制施工過程中的問題與紕漏，矯正過失，避免施工差錯，從而縮短工期。

1.4 對施工過程進行控制和管理

監測和監控技術能夠在施工過程中對投入設備以及工作人員的工作進行有效的控制和管理。施工過程控制是對成橋狀態進行合理有效的監控，并對影響成橋最終目標的參數誤差調整、修正，使成橋的橋梁結構線形及主梁內力控制滿足設計和規范要求[3]。

（1）主梁內力：影響橋梁結構受力的主要因素是箱梁截面內力狀況。通常上、下緣的應力值是上部結構的主要控制參數，控制作用的關鍵因素為主梁彎矩大小。

（2）結構線形控制：被監控橋梁最終合攏并經長期收縮徐變作用穩定后的線形須符合設計要求。

（3）調整方法：橋梁線形的平順合理主要通過立模標高和預拱度值進行調整、修正。進行立模標高調整，須考慮已建梁段的主梁標高。

通過上述施工控制措施和方法能夠確保施工過程順利穩定進行，從而進一步保障橋梁的安全、穩固與美觀。

2 監測與監控技術分析

2.1 監控方法與最優控制計算技術

橋梁施工的安全問題是施工監控的最基本要求之一，其次必須保證施工質量（如主梁內力大小和結構線形）符合設計要求。對施工過程中監測數據分析計算、調整、預測，遵循最優控制規律，并組成最優控制系統，使之滿足施工監控的最基本要求[4]。

運用MIDAS Civil 2018建立橋梁結構總體有限元模型進行計算分析。計算內容主要包括橋梁成橋狀態下的恒載、活載、混凝土的收縮徐變（按10年計算）及預應力等荷載。計算中需通過不同的荷載組合對橋梁結構中的強度、剛度和穩定性進行驗算，計算表明橋梁的成橋狀態是以恒載+活載的荷載組合控制設計的。

橋梁施工過程的受力狀況和最終成橋線形作為結構動態系統最優控制的對象，結合工程最優控制理論與計算機相結合的技術，建立隨機的數學模型和性能指標，按確定性的最優控制規律構成閉環狀態反饋系統，實時對各施工階段進行分析、調整、控制，最終達到隨機最優控制的目的。

2.2 施工數值模型計算技術

2.2.1 施工過程控制計算

施工數值模型計算技術包括建立有限元模型、模擬劃分各個施工階段、修正計算模型和監控數據分析。有限元模型計算主要負責在整個施工過程中進行理論計算，制定理論施工計劃，并保證施工過程中的工程質量。數值計算的主要工具是計算機，具體操作需要專業技術人員進行，在依據設計進行全橋有限元模型建立的基礎上考慮參數識別和修正，并根據橋梁施工過程測量的數據進行有限元模型修正完善，盡可能與實際施工過程保持一致，提高過程監控的精度。

被監控橋梁對象的每一現澆塊段的預拱度及其重要，因為主梁預拱度的合理正確調整是確保懸臂現澆法施工過程結構線形的最重要目標之一，使橋梁結構在最終成橋狀態時滿足設計要求，各項性能指標符合相關規范的規定，不超出允許誤差范圍。施工過程中應預留容許偏差，使橋梁結構在長期各種荷載作用下能夠達到設計規定的高程，并與其他路線銜接良好、平順，從而更好的滿足行車安全性和舒適性。

施工監控過程中收集測量相關數據并分析，對施工過程中出現的問題，例如：結構變形較大、主梁出現受力裂縫、橋梁線形偏差等問題應及時反饋，并迅速采取相關措施。監控指令是施工數值計算技術的最終操作，此過程需要對大量的施工數據分析，數據分析出來的結果必須嚴格遵守監控原則，施工過程中完成的各個塊段的高程、應力偏差必須達到規定范圍內，以保證橋梁施工安全和最終的順利合攏。

2.2.2 結構試運營計算

橋梁建造的目的是為了運營能夠快速方便。保證橋梁結構在施工階段的安全和質量問題是施工監測與監控的最重要目標，使之成橋狀態滿足設計要求的各項力學性能，更好地進行通車運營，為當地緩解交通壓力作出貢獻。固然，如果施工成橋后的狀態與設計成橋狀態完全吻合，就能夠確保橋梁結構的運營要求。但對于一些結構復雜的橋梁，在實際施工中應全面了解其受力狀況及線形要求，在合攏成橋后通車運行前能精確計算，使施工成橋后的狀態與設計的成橋狀態盡可能吻合，減小偏差，被監控橋梁結構更好地進行運營[5]。

3 依托工程監控成果

3.1 工程概述

連霍國家高速公路G30蘭州繞城南段黃家溝大橋主橋的上部結構形式為（52+90+52）m三跨預應力混凝土連續剛構箱梁，剛構箱梁為單箱單室，0、1#塊采用托架澆筑施工，其他塊段采用掛籃懸臂現澆法施工，左右幅同步進行。下部結構橋墩采用鋼筋混凝土空心薄壁墩，與主梁固結，基礎采用9根直徑為150cm三排鉆孔灌注樁。

3.2 監控成果

通過施工過程監測與監控技術，黃家溝大橋主橋施工全過程均處于安全可控狀態，總體監控結果符合設計及相關規范要求，達到了預期效果。

3.2.1 主梁線形

（1）橋梁施工控制的關鍵因素為預拱度的控制及調整。通過施工過程的實測撓度與理論計算撓度對比分析可知，每個塊段的施工工況（包括掛籃前移、砼澆筑和預應力張拉）的實測數據相比理論計算值偏差較小，針對采用掛籃懸臂澆筑法施工的大跨徑連續剛構橋（或連續梁橋）施工過程監控，運用控制參數誤差分析與修正方法是安全可靠的，全橋有限元模型各個施工階段的建立計算精確合理，采用正裝分析模擬施工是成功可靠的。

（2）橋梁結構最終的主梁線形考核指標為各塊段絕對標高。考慮到未來混凝土收縮徐變、日照溫度及其它因素會在運營階段使橋梁結構主跨產生下撓，本次對黃家溝大橋主橋結構按成橋后運營10年設置了一定的預拋高。通過計算分析和橋梁合攏后主梁實測標高與設計標高的對比，滿足預期效果，達到設計目標。

（3）在二期恒載施工完成后，橋面線形實測值與設計線形吻合良好，橋面線形平順、連續性較好，滿足設計及規范要求。

3.2.2 結構內力（應力）

各施工階段預應力施加效果是通過主梁內力控制的。施工監控過程中實測的應變值換算為應力，經對比分析說明黃家溝大橋主橋的預應力張拉滿足設計規定，合理可靠；通過實測值與理論計算值對比分析可知：主梁懸臂施工階段監測截面應力變化趨勢與理論值基本一致，結構應力未超限，均在允許誤差范圍內，且有一定儲備，應力監控結果較為理想，并滿足設計文件及規范要求，在監控過程中未發現應力異常現象。

4 結語

我國目前大型橋梁工程項目較多，結構復雜、規模巨大，面對日益增長的橋梁需求，我國的橋梁建造技術正在面臨挑戰，橋梁施工的監測與監控技術是施工技術的重要組成部分，并始終貫穿于橋梁施工中，以保證我國橋梁的施工安全與質量，促進我國橋梁建筑方面的進一步發展。

在橋梁施工中應該更加完善并且提高橋梁施工監控技術的操作水平，同時也應該開發新的橋梁施工控制技術，提高橋梁工程施工監控的準確可靠、安全性和可操作性，這是橋梁工程施工監測與監控的發展方向，需在以后進一步深入研究。