大跨度非對稱不平衡曲弦鋼桁加勁連續梁線形監控技術

孫 飛 中建交通建設集團有限公司

鐘小林 中國鐵路上海局集團有限公司上海華東鐵路建設監理有限公司

1 引言

鄭阜高鐵跨泉河（45+75+172+75+45）曲弦鋼桁加勁連續梁是國內首座五連跨三折線、非對稱不平衡、采用漂浮結構設計的曲弦鋼桁加勁連續梁，并應用了溫度限位器和速度阻尼器等多種新技術。鋼桁采用再分式桁架，結構形式為箱梁+鋼桁架結構形式。主梁在中跨172 m范圍內設置加勁鋼桁，桁高14 m，節間距16 m。鋼桁結構上弦桿采用箱型截面。腹桿采用工字型截面，再分腹桿采用工字型截面。上平聯采用X型構造，工字型截面。全橋對稱設置4道橫聯和橋門架。鋼桁下弦節點采用埋入式構造，埋入梁體495 mm~805 mm，依靠PBL剪力鍵與混凝土梁相連，與梁段砼一起澆筑，采用高強螺栓與鋼桁其他桿件連接，在節點板范圍內設置凸臺，外包鋼板，內灌混凝土。

橋梁施工控制不僅是橋梁施工技術的難點，也是施工中實施的難點，尤其對于大跨度組合型橋梁。在非對稱不平衡狀態下的懸臂施工和合龍，以及預應力混凝土梁體合龍鋼桁的拼裝和合龍過程中，如何做好施工監控，解決有確定因素和非確定因素（如設計計算、材料性能、施工精度、荷載變化，大氣溫度等）引起的設計理想狀態與實際施工狀態下的差異，從各種受誤差影響而失真的參數中篩選出相對真實數據，對施工狀態進行實時監測、糾偏和預測，從而實現通過施工監控將連續梁兩邊跨合攏誤差、中跨誤差減少到10 mm，形成偏差小于3%的成果及鋼桁的精確拼裝和合龍。橋梁實景見圖1所示。

圖1 跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續梁

2 施工監控理論

鋼桁加勁連續梁橋的施工監控主要是梁體施工、鋼桁架拼裝過程的監控。雖然這些施工過程中的監控較多，但主要的是線形及應力、張拉力的監測，后面提到的其它監測項目都是圍繞這兩項內容進行并為之服務的，或者為了調整線形或者為了參數識別之用。在線形與應力兩項內容中以線形監控為主，應力監控為輔。應力監控更多的偏于被動測量后的監視，即偏“監”弱“控”，它用以防止結構應力超限，從而保證橋梁施工的安全；而線形是可以通過參數的優化重新計算并能進行預測調整進而無限逼近設計線形的。因此，該橋施工監控的核心內容是線形監控。本橋監控流程如圖2所示。

圖2 施工監控框圖

在實際施工中，由于設計參數誤差、施工誤差、測量誤差、結構分析誤差等綜合干擾因素，橋梁結構的實際狀態與理想狀態總存在著一定的誤差。施工監控所要解決的主要問題就是如何調整這些誤差，使實際狀態盡量接近理想狀態。

設計參數誤差是引起大跨度橋梁施工誤差的主要因素之一。為了調整設計參數誤差，首先要確定引起橋梁結構偏差的主要實際參數，其次就是運用最小二乘法理論來識別這些參數誤差，最后要得到設計參數的正確估計值，通過修正設計參數誤差，使橋梁結構的實際狀態和理想狀態相一致。

鑒于此，施工監控中，需要對設計參數識別和調整，通過在典型施工狀態下對狀態變量實測值與理論值的比較，以及設計參數影響分析，利用最小二乘法進行參數估計。采用自適應方法進行施工監控，自適應控制是在閉環反饋控制的基礎上，再加上一個系統參數識別過程，是一個預告—施工—量測—計算—參數識別—分析—修正—預告的循環過程（圖3）。即在施工過程中，比較結構測量的受力狀態與模型計算結果，依據兩者的誤差進行參數調整(識別)，使模型的輸出結果與實際測量的結果相一致。利用修正的計算模型參數，重新計算各施工階段的理想狀態，按反饋控制方法對結構進行控制。這樣，經過幾個工況的反復識別后，計算模型就基本上與實際結構相一致了，在此基礎上可以對施工狀態進行更好的控制。

圖3 參數識別流程圖

線形調整的直接手段是調整立模標高，將參數誤差引起的主梁標高的變化通過立模標高的調整予以修正。對于桁架的線形和應力的調整，主要通過調整拼接縫長度來實現。合龍溫度選擇調整也是可采用的手段，但應與設計協商使之吻合。

3 施工監控原則

施工監控的最終目標是確保成橋后結構受力和線形滿足設計要求，這也是施工監控中須遵循的兩個原則。

（1）受力要求

受力要求包括橋梁及施工支架在施工過程中的內力或應力應在設計容許范圍之內，這些內力或應力狀況反映了該橋的整體受力狀態。對于鋼桁加勁連續梁，主梁應力、桁架應力是控制的關鍵。

（2）線形要求

對鋼桁加勁連續梁橋而言，線形要求指在施工過程中通過設置合理的預拱度使成橋后的鋼桁架、橋面標高及軸線橫向偏位符合設計要求。

4 施工監控內容

鋼桁加勁連續梁橋的施工監控工作內容主要包括理論分析預測、施工監測及施工控制三部分。

4.1 理論分析預測

理論分析的主要內容就是對施工過程中每個階段包括成橋階段的內力和變形在確定的材料參數、荷載、邊界條件下（即設計圖紙上給定的參數、條件）進行分析預測。

本橋采用正裝分析法用橋梁空間計算程序進行計算分析，復核設計圖紙上給定的理論成橋狀態和施工狀態。按照設計提供的橋梁基本參數以及施工工序對施工過程進行正裝計算，計算結果可以得到各施工狀態以及成橋狀態下的結構受力和變形等控制數據。理論分析采用Midas/Civil程序，計算模型見圖4。

圖4 理論分析預測模型（參考模型）

4.2 施工監測

施工監測的內容主要包括以下三個方面：

（1）梁體及桁架線形，包含兩者的豎向、橫向位移情況；

（2）主墩變形，包含關鍵點、關鍵截面的變形情況；

（3）應力，包含梁體、桁架應力。

4.2.1 連續梁梁體及桁架線形測量

（1）測量方法

梁體及桁架上的關鍵點均布置有測點，通過測量這些測點的標高變化和偏位并結合主墩的變形情況，可以得到梁體及桁架各個施工階段的線形，包括橫向的偏位情況。測量儀器為全站儀。

（2）測點布置

①梁體測點：縱向在距每號塊梁端10 cm位置處設置線形觀測斷面、每個斷面橫向在三個腹板上方埋設沉降觀測標，每個斷面共3個測點。

②桁架測點：上弦桿和大腹桿的交點處布置測點，桁架為對稱結構，對稱位置測點一樣，確保在焊接連成整體之前其實測三維坐標和設計值誤差滿足規范及圖紙要求，同時在后續工況通過監測其坐標來監測桁架的線形變化。

梁體及桁架的測點布置見圖5。

圖5 線形測點布置圖

測點的具體布置要和施工單位共同協商確定，以上測點位置可適當變動。

③測量注意事項

由于大氣溫度對標高或桁架的偏位測量影響較大，測量控制時間一般選擇在夜晚22:00至早上7:00日照之前的時間(溫度較恒定的時段)內，應盡快完成，并考慮對日照、風力、大氣壓等影響進行適當修正。

4.2.2 主墩變形測量

主墩的變形測量目的是為了更準確的分析主梁、桁架在各施工階段的變形情況，其測量的方法同樣是通過全站儀測量相關關鍵測點的標高進而得到變形值，測量的時間與梁體、桁架的測量時間相同，以確保各位置標高的相互校核。主墩變形測點布置于墩頂的側面。

4.2.3 應力測量

鋼桁加勁連續梁橋屬于多次超靜定結構，施工工序復雜，體系轉換較多。對于梁體及桁架關鍵截面上的關鍵點應進行應力監測。

（1）測量方法

應力測量采用鎳鏮振弦式應力傳感器。對于梁體采用內埋式傳感器，而對于桁架應力的測量采用外貼式傳感器。

（2）測點布置

①梁體

主梁應力測點布置在主墩根部，沿順橋向設4個控制斷面，每個斷面預埋若干個應變計，要求能反映截面的詳細應力分布狀況，連續梁斷面位置及測點布置見圖6。

圖6 主梁應力測點布置圖

②桁架

桁架應力測點布置在上弦桿受壓，大腹桿受壓，大腹桿受拉處,對稱布置，共12個截面，兩側桁架測點布置相同。截面的應力測點布置如圖7、圖8、圖9所示，所有截面桁架應力測點均為外貼式測溫傳感器。

圖7 鋼桁架應力測點布置圖

圖8 應力測點截面一

圖9 應力測點截面二

③注意事項

結構內部應力的變化與施工進程密切相關，因此應在每道施工工序結束后根據工序的不同間隔2～3小時測量一次，直至數值穩定。

應變計固定后即進行測讀數，以驗證應變計是否良好。

混凝土內部應變計的初讀數應以混凝土水化熱釋放基本完畢后的讀數為準。這個讀數的獲得是以混凝土澆筑完畢后每隔2 h～3 h測量一次，穩定的數值即為該讀數。

桁架外貼應變計應在桁架無應力狀態下黏貼。所謂無應力狀態是指桁架在地面或臺座上平放的狀態，一旦起吊安裝即進入有應力狀態。

應變計讀數應在早上氣溫相對穩定時進行，以消除氣溫變化引起的影響。這點對于桁架外貼應變計尤為引起注意。

應力測量應及時與設計理論值進行比較，如出現應力超出監控允許范圍，應及時停工查找原因并處理。

4.3 施工控制

施工控制是整個橋梁監控的核心任務，遵循以線形調控為主，應力調控為輔的原則。其目的就是調整理論計算和測試結果之間的誤差，使結構的線形和內力盡量符合設計要求，它包括以下三個方面的內容。

4.3.1 誤差分析和原因判斷

（1）掛籃及支架變形誤差分析；

（2）桁架安裝誤差對結構影響分析；

（3）預應力張拉誤差對結構影響分析；

（4）混凝土彈性模量對結構影響分析；

（5）混凝土徐變對結構影響分析；

（6）桁架節段自重誤差對結構的影響；

（7）合龍溫度對結構影響分析；

（8）水化熱對應力測量的影響分析等。

4.3.2 修改設計參數和結構計算

按圖3所示的流程，比較結構的測量狀態與模型計算結果并進行設計參數的優化識別，然后采用已識別出的參數，用有限元軟件對結構進行重新分析。

4.3.3 預告結構下階段標高

隨施工階段的進行，提前預告梁體施工立模標高或桁架安裝標高

立模或安裝標高計算公式為：

式中：H立模（安裝）—立模或安裝標高；

H設計—橋梁結構設計標高；

f掛籃（支架）—支架所發生的變形；

f后期施工影響—結構某一部分在混凝土澆筑（梁體）或安裝（桁架）之后，由于后續施工階段的影響使該點產生的變形，這種變形直到成橋竣工時為止；

f1/2靜活載—橋梁承受1/2靜活載所引起變形；

f后期徐變—橋梁竣工后由于后期混凝土收縮徐變而引起的變形。

這里規定，正負號以變形向上為正向下為負。

4.3.4 竣工標高

我們知道，設計標高理論上即為橋梁在正常使用情況下的標高。總體上服從于路線縱斷面的線形設計，是橋梁竣工多年(一般為3～5年)以后，混凝土后期收縮徐變大體完成，橋梁不再發生明顯的后期變形，在承受1/2靜活載情況下的標高。

竣工標高即為橋梁剛剛竣工時的成橋標高。橋梁在竣工后還要發生后期收縮徐變變形及活載變形。如果沒有鋪裝二期恒載，后期還要發生二期恒載變形。

竣工標高與設計標高的關系可以如下公式表述：

式中：H竣工—橋梁竣工標高；

H二期恒載—橋梁二期恒載產生的變形。

其余符號意義及正負號規定同前。

由于橋梁竣工后的收縮徐變是幾年后才完成，所以以橋梁竣工標高來衡量橋梁的線形是比較科學的。

5 實測數據與理論計算對比分析

為保證預應力混凝土結構和鋼桁的合龍精度，在跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續梁施工過程中，采用高精度全站儀和精確的測量方法對該橋的測量控制網進行了復測。

界臨特大橋跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續梁557～562號墩全橋梁面實測標高與理論值比較如圖10所示，每次實測數據除個別與理論相差稍大（均在可調范圍之內，施工中進行了及時調整）外，實測數據與線形監控理論計算值的偏差都在10 mm以內，為預應力混凝土梁體的合龍提供了良好的基礎，為鋼桁的安裝提供了有力的保障。

圖10 跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連梁實測標高與理論比較曲線圖

6 成橋后梁體的線形和內力狀態分析

根據實測和理論對比數據可知，在橋梁施工過程中，每一懸澆節段高程控制比較理想，全橋實際施工線形變化與采用有限元理論計算的模型變化值較為吻合，全橋內力分布與設計相符。全橋合龍精度高，大橋線形及受力狀態與理論計算吻合，線形優美，符合設計要求。