在役公鐵桁架橋梁加寬改建結構安全與線形監測技術研究

朱 榮

（上海同濟檢測技術有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著經濟的高速發展，交通通行需求日趨增長，我國現有公路橋梁中有相當一部分由于建造年代久遠，設計荷載標準低，橋梁寬度不足，加上運營時間長，存在材料性能退化和結構損傷等安全隱患，已嚴重影響了道路的通行能力，成為制約城市交通發展的瓶頸[1、2]。如將這些橋梁進行拆除重建，不僅耗資巨大，而且對于一些技術狀況較好的橋梁來說，也是一種社會資源浪費[3]。因此，若能采用有效的改造加固措施，提升橋梁通行能力和提高結構承載能力，使其滿足交通增長的需求，繼續為交通運輸服務，從而給地方帶來顯著的經濟和社會效益[4、5]。

松浦大橋作為黃浦江上的第一座大橋，運營至今已40 余年，見證上海經濟發展和時代變革，承載了上海人民的回憶與情懷。伴隨地區經濟發展和產業結構改革，松浦大橋也必須進行改建，以緩解過江交通壓力的需求，為地區的經濟進一步發展提供基礎保障。

與新建橋梁相比，既有橋梁改建項目在施工過程中，有一定的交通通行需求，同時，改建后的橋梁使用功能、結構受力狀態均發生較大變化，無論是大修施工過程的安全控制，還是改建后運營期結構長期性能的保障都提出了極高要求。因此，這對老橋改建施工監控提出了與新建橋梁不同的技術要求。本文針對松浦大橋改建工程實踐，通過對結構特點、改建施工方案研究，以及施工全過程結構狀態精細的計算分析，確定雙層桁架梁橋改建工程施工控制方法，并結合現場跟蹤監測，保證改建過程中的結構安全。

1 工程概況

松浦大橋于1976 年建成通車，是一座雙層公鐵兩用橋，上層為兩車道公路，路面寬9 m，兩側各設1.5 m 人行道，下層為單線鐵路。上部結構采用兩聯兩跨連續的鉚接三角形鋼桁梁，跨徑組合為96 m+112 m+112 m+96 m，桁架高12.8 m，中間支點及112 m 跨端支點均設6 m 高加勁弦，兩片主桁中距6.018 m，主桁節間為8 m，通航凈空為10 m，其立面布置見圖1。

圖1 主橋總體立面布置（單位：m）

根據松浦大橋改建設計方案，主要改建工作有：（1）拓寬上層公路橋面，將原上層12 m 寬的雙向兩車道橋面拓寬為雙向六車道，改造后寬度24.5 m，設計的汽車荷載等級為公路II 級；（2）將下層單線鐵路橋面改造成非機動車道；（3）將下層橋面兩側原鐵路檢修道改造成3.97 m 寬的人行道。改建前后的橋梁結構斷面見圖2。

圖2 主橋大修前后結構斷面（單位：m）

2 施工監控特點分析

對于桁架梁橋，結構桿件和連接節點較多，加上部分結構構件銹蝕和局部變形，結構技術狀態與建成時存在較大差異，施工過程中對結構線形和內力狀態的調控措施非常有限，因此，施工控制的重點從傳統的線形控制轉變為結構安全控制為主，新、舊結構的適配性控制為輔，對現場情況的實時掌控和對結構安全性控制是鋼桁梁橋關注的重點。主要特點如下：

（1）上層公路橋面寬由12 m 拓寬為24.5 m，由原來的2 車道變為雙向6 車道，上、下層橋面重量也有所增加，恒活載的增加對橋梁原結構構件的強度和穩定要求提高。

（2）上層橋面寬度將比現狀橋寬增加一倍，整個斷面上寬下窄，空間受力效應明顯，橋面板扭轉變形較大，橫向線形的控制問題突出。

（3）由于主體結構線形無法調整，而大修引起的恒載增加勢必引起成橋線形的變化，需關注成橋線形的影響。

（4）由于改建項目的特殊性，老橋結構存在一定的性能退化，需要進行一定的加固，這就使得結構當前和改建完成后的實際剛度均較難把握，因此，需要通過現場實測響應進行參數識別。

（5）改建施工中，需要對主橋支座進行更換，應進行施工過程中同步性控制和結構響應監測，更換過程中需對支座頂升反力、位移進行實時監控，確保頂升位移達到設計值。

3 結構安全監測技術

由于老橋在運營過程中受到局部損傷，其實際的受力狀態與理論存在一定的差異。此外，改建過程中結構自重或結構受力體系發生改變，都將使結構受力狀態發生變化，如果實際應力與理論計算應力相差較大，將造成結構強度問題。因此，改建橋梁的結構安全控制對象主要是施工過程中的應力狀態。

對于松浦大橋這樣的桁架梁橋，結構桿件多，連接節點復雜，施工過程中很難對所有桿件應力進行評估，因此，準確把握關鍵受力桿件的監測尤為重要。根據桁架梁橋的受力特點和理論計算結果，應力測點選取遵循以下原則：（1）結構體系的控制斷面，如墩頂和跨中位置的上下弦桿；（2）主桁受力較大的位置；（3）關鍵的加固桿件。主桁應力測點布置見圖3。

圖3 桁架應力監測布置圖

改建的上層橋面系采用節段預制鋼- 混凝土正交異性組合橋面板，橫向橋面寬24.5 m，懸臂長度9.25 m，縱向節段分段長度為8 m，在預制和吊裝安裝時，混凝土橋面板局部橫向拉應力水平較高。為了保證施工過程中混凝土不會發生開裂現象，并驗證混凝土橋面板抗裂措施的有效性，對預制組合橋面板進行應力監測。

橋面板的應力測點布置見圖4。鋼橋面板的橫向應力測點布置在靠近主縱梁的橫梁底板上緣，縱向應力測點布置在主縱梁翼緣板兩側；混凝土板的橫向應力測點布置在主縱梁與橫梁交界位置對應的混凝土板內，縱向應力測點位于主縱梁中央位置對應的混凝土板內。

圖4 預制鋼- 混組合橋面板應力測點布置圖

4 線形監測技術

對于老橋改建工程，整體縱向線形已既定存在，施工中已無法對其進行主動控制調整，只能在施工過程進行跟蹤監測，判斷其各施工階段線形變化是否正常，并根據實測線形變化和理論線形變化的誤差情況，通過對結構進行剛度識別和有限元模型修正，來預測改建后的成橋線形。松浦大橋的線形監測主要包括基礎沉降、主桁架縱向線形以及上層橋面系橫坡線形等內容。

基礎沉降監測主要考察上部結構荷載變化后基礎變形，監測點選擇在主墩承臺上。由于老橋地基一般比較穩定，且本項目改建施工對基礎的擾動較少，因此基礎沉降主要是判斷在施工過程中是否有異常情況產生，并且評估基礎發生定量沉降后對結構內力和線形的影響。

主桁縱向線形監測貫穿整個改建施工過程，測點選取必須考慮可延續性和持久性，由于松浦大橋改建過程上、下部橋面系均需經歷局部構件拆除和安裝，因此，測點宜布置在下弦桿稍靠下位置，見圖5。每聯橋共10 個測試斷面，采用全站儀進行觀測。

圖5 主桁架高程測點布置圖

鋼- 混組合橋面板施工經歷混凝土澆筑、安裝、反力架張拉和斜撐安裝等過程，采用少支點支撐，因此對于上部橋面系橫向變形的控制尤為重要，以保證成橋狀態橫橋向線形滿足設計要求。每一塊預制橋面板在縱向前后兩端各布置3 個變形點，測點距離梁端可控制在15~20 cm，見圖6。

圖6 預制橋面板橫向變形測點布置

5 剛度識別技術

橋梁剛度識別及有限元模型修正是對既有橋梁狀態評估和損傷識別的有效方法之一，其原理是通過實測響應數據進行模型修正來尋求建立對實際結構有較高模擬精度的有限元模型，并假設結構的損傷將引起結構模型特性參數的相應變化，通過靜力位移響應或動力測試中的模態參數，來分析模型的參數分布，預估參數可以是結構的截面特性參數。

就松浦大橋舊橋改建工程而言，在整個施工中，結構的應力和變形會發生變化，通過現場跟蹤監測數據與理論分析的對比，可以對舊橋的實際剛度進行識別，從而為后續的現場控制策略調整和理論數據修正提供依據。

5.1 基于支座更換過程的反力識別

支座反力的分布反映結構的整體受力情況，通過運營過程支座反力的識別，并與理論計算進行對比，可以掌握結構真實的受力狀態，通過支座反力的調整對結構內力的微調。

松浦大橋原支座采用搖軸支座，存在不同程度的銹蝕，需要進行更換；此外，改建后為滿足通航需求，對中間通航孔進行整體頂升。根據頂升支座反力識別的要求，監測內容主要監測指標為頂升力、頂升位移，校核指標為結構變形、關鍵構件應力等。

頂升力監測主要通過頂升千斤頂油壓系統的壓力傳感器獲得；頂升位移通過自動化頂升控制系統自帶的位移數據和布置的位移傳感器進行實時動態監測，測量行程滿足最大頂升位移的需求。位移傳感器安裝在支座墊石的四周角點。

頂升過程各墩支座的實測反力和頂升位移見表1。可以看出，兩聯主桁總重分別為2195.6 t 和2213.6 t，比設計理論重4%和5%。從反力分布來看，兩聯橋邊墩（0# 和4#）實測反力比理論反力大106 t和89 t，其余各墩反力實測和理論偏差均較小，說明結構的實際受力狀態與理論計算一致。

表1 支座頂升反力

5.2 主桁結構動力特性識別

橋梁結構的動力特性主要包括自振頻率、振型以及阻尼比，是結構的固有特性，。自振特性的確定可以作為結構損傷識別和剛度評定的依據，實測結構的動力特性，既能夠建立橋梁實際動力特性方面的原始檔案，也可用實測數據校核理論分析結果，驗證計算結果。

主桁架為松浦大橋承重受力的主體結構，因此動力特性識別安排在上層橋面系拆除、主桁橫向連接系安裝后進行，此時主桁結構不受上層橋面系的影響，其自振特性能夠準確把握。根據該結構狀態自振頻率的理論計算結果，振型測點布置在橋梁在各跨徑L 的L/4、L/2、3L/4 以及支點處。前兩階自振特性理論計算與實橋測試結果對比見表2 和圖7。

可知，一階振型為反對稱豎彎，理論振動頻率為1.702 Hz，二階振型為對稱豎彎，理論振動頻率為3.045 Hz。主桁前兩階實測振型與理論計算振型一致，各階實測頻率均比理論計算偏大，結構實際剛度略高于理論剛度，前兩階實測阻尼比分別為6.22%和2.76%。

表2 結構自重頻率計振型特征

圖7 松浦大橋前兩階振型對比

6 施工監控信息化系統應用

隨著互聯網和信息化技術廣泛應用，對傳統的橋梁監控提供遠程和智能化控制的發展方向，加上BIM 技術在工程建設領域已從概念普及進入到全方面的應用發展階段，為橋梁施工監控信息化提供新的展示平臺。基于此，借助松浦大橋改建項目，運用信息化技術和橋梁施工監控工作經驗，研發了基于互聯網的橋梁施工監控系統，彌補傳統施工監控工作在數據流轉協同、數據信息共享、監控成果展示上的不足。

圖8 為松浦大橋施工階段監測數據展示，通過BIM 模型的圖形索引功能，展示各控制截面的內力和變形的理論值、實測值等數據。通過圖形，直觀顯示松浦大橋各關鍵構件在各施工階段的結構變形和內力狀態，以及在整個施工過程中的變化情況。

系統設有全過程施工質量管理和施工風險管理，以BIM 模型為信息載體，建立各施工階段結構狀態和施工進度的可視化管理。同時，建立施工監控工作協同，實現監控數據和質量管理數據的共享，將技術人員與管理人員通過終端連接起來，實現信息的及時傳遞與快速分享，見圖9。

圖8 監控數據BIM 可視化展示

圖9 預制橋面板加工質量管理數據

7 結 語

本文以松浦大橋改建為背景，分析了桁架梁橋改建的施工監控特點，建立了老橋施工監控以結構安全控制為主，新、舊結構的適配性控制為輔的總體控制思路；針對改建施工中所關心的結構安全及線形控制等問題，研究了相應的監測與控制方法。針對支座更換施工階段，對支座反力和主桁架動力特性進行識別，并與理論計算結果進行對比，驗證與評估結構總體的技術狀況。在傳統監控方法上發展了基于“互聯網+”的監控數據與信息交互平臺工作模式，為國內外同類橋梁的施工監控提供理論參考依據與借鑒。