東寶河新安大橋主橋施工監(jiān)控技術(shù)

方文禮、肖鑫

（1.深圳市魯班建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 深圳 518000；2.廣州機(jī)施建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510725）

1 工程概況

東寶河新安大橋跨越深莞市界的東寶河，直接聯(lián)系深圳市沙井街道和東莞市長(zhǎng)安鎮(zhèn)。該工程是國(guó)省干道項(xiàng)目，為跨市界道路橋梁工程。橋頭引道東起沙井新和路，西至長(zhǎng)安建安路。路線全長(zhǎng)約1.45km，其中橋梁（主橋通航主跨156m）總長(zhǎng)約1.04km。主橋全長(zhǎng)497m，采用掛籃法懸臂施工，全橋共設(shè)3 道預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。主梁截面為單箱雙室變截面，腹板與底板采用薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂板寬10m，底板寬12m，梁高1.8m。主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面高5m。主橋上跨東寶河，跨徑布置為（88+156+88）m，橋面寬2×16.25m，跨河橋分兩幅布置。主橋梁結(jié)構(gòu)采用變梁高波形鋼腹板PC 連續(xù)箱梁，在中跨跨中設(shè)置了41.61m 的鋼底板組合梁段，鋼底板組合梁段與雙側(cè)混凝土底板組合梁段用4.8m 的鋼—混凝土組合底板過(guò)渡[1]。該橋是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)已建成的同類型橋梁中跨徑最大、單箱最寬的一座大橋。

主橋設(shè)計(jì)為波形鋼腹板PC 連續(xù)箱梁，跨徑為（88+156+88）m，設(shè)計(jì)為雙幅橋梁，懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土梁全橋共60 段，樁號(hào)左幅為AK0+512.13—AK0+582.53、AK0+594.53—AK0+664.93、AK0+668.13—AK0+738.53、AK0+750.53—AK0+820.93，樁號(hào)右幅為AK0+530.01—AK0+600.41、AK0+612.41—AK0+682.41、AK0+686.01—AK0756.41、AK0+768.41—CK0+838.81，懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土梁長(zhǎng)度共563.2m，懸臂長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4.8m 和3.2m 兩種。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，混凝土方量為23000m3。在懸臂澆筑施工過(guò)程中，先進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)墩施工，待臨時(shí)固結(jié)解除后進(jìn)行0#塊安裝。0#塊使用混凝土澆筑，重達(dá)400t，其頂板厚70cm、底板厚60cm，澆筑完成后進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)和張拉工作，之后進(jìn)行節(jié)段吊裝。在節(jié)段吊裝過(guò)程中由于自重等原因會(huì)產(chǎn)生較大的變形，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行測(cè)量與控制可以保證節(jié)段拼裝線形滿足設(shè)計(jì)要求。

2 施工監(jiān)控目的

通過(guò)施工監(jiān)控可以及時(shí)查看橋梁在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而保證結(jié)構(gòu)的安全、成橋的質(zhì)量和橋梁在運(yùn)營(yíng)期的使用功能。具體而言，通過(guò)施工監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)如下目的：一是實(shí)現(xiàn)對(duì)主梁預(yù)拱度和應(yīng)力的合理控制；二是確保結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計(jì)要求，成橋后的線形、應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求；三是在施工過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理結(jié)構(gòu)不合理狀態(tài)，保障結(jié)構(gòu)安全；四是實(shí)現(xiàn)橋梁施工質(zhì)量的可控性，避免出現(xiàn)安全事故。新安大橋主橋監(jiān)控主要包括如下內(nèi)容：其一，主梁預(yù)拱度控制；其二，結(jié)構(gòu)線形監(jiān)測(cè)；其三，應(yīng)力監(jiān)測(cè)；其四，溫度監(jiān)測(cè)；其五，支座沉降觀測(cè)；其六，環(huán)境溫度觀測(cè)；其七，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)控檢測(cè)內(nèi)容和方法

為了保證結(jié)構(gòu)的安全、成橋的質(zhì)量與設(shè)計(jì)要求相符，根據(jù)橋梁施工的特點(diǎn)和要求，需要對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控結(jié)果調(diào)整施工方案。新安大橋主橋?yàn)閱蜗潆p室變截面懸臂灌注梁，采用一次成橋方案。該方案主要是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)，達(dá)到調(diào)整主梁預(yù)拱度和線形的目的，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在施工過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理確定監(jiān)控目標(biāo)，正確分析計(jì)算結(jié)果，及時(shí)調(diào)整監(jiān)控方法和內(nèi)容。通過(guò)對(duì)新安大橋主橋施工過(guò)程的監(jiān)控，得到了結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力、應(yīng)力等參數(shù)的變化規(guī)律，從而確保新安大橋主橋成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求相符。

東寶河新安大橋除具有普通波形鋼腹板PC 連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的一般特點(diǎn)外，中跨跨中還有41.61m 的鋼底板組合梁段，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；橋址靠近河流入海口，氣候炎熱，與常規(guī)混凝土相比，波形鋼腹板混凝土組合結(jié)構(gòu)的溫度敏感性更高；波形鋼腹板與上下部的混凝土板間由剪力鍵連接，相鄰的波形鋼腹板之間使用了大量的螺釘，且容許的位置偏差很小[1]。

4 主跨結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控

全橋單幅主跨結(jié)構(gòu)共有14 個(gè)懸澆節(jié)段，每個(gè)墩頂有1 個(gè)墩頂托架現(xiàn)澆施工段，全橋共4 對(duì)合龍段，每端各有1 個(gè)支架現(xiàn)澆不平衡段。在每一節(jié)段的主梁施工過(guò)程中，需要觀測(cè)箱梁頂面的撓度。同時(shí)，應(yīng)在模板安裝、節(jié)段澆筑、張拉前后對(duì)模板變形及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模板變形進(jìn)行修正。此外，必須對(duì)箱梁的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便于計(jì)算溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[2]。主跨結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控分為結(jié)構(gòu)線形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、體外束有效索力監(jiān)測(cè)、波形鋼腹板定位及懸臂端溫度變形測(cè)量等。具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括如下方面：

一是監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。主橋主跨結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控的主要目的是監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，包括撓度、應(yīng)力、溫度等方面的變化情況。為了保證施工質(zhì)量和安全，需要在橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化之前進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

二是預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形。主橋主跨結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控需要預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)變形的情況，以防止由于施工誤差或其他原因?qū)е碌慕Y(jié)構(gòu)變形。可以采用智能算法、有限元分析等手段預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)變形。

三是監(jiān)測(cè)荷載情況。主橋主跨結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控需要監(jiān)測(cè)橋梁荷載的情況，包括荷載重量、荷載分布等方面的變化情況，以免在施工過(guò)程中荷載過(guò)大對(duì)橋梁造成損害。

四是預(yù)測(cè)故障情況。主橋主跨結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控需要監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)是否存在故障，以防止由于故障導(dǎo)致的橋梁坍塌或損壞，可以通過(guò)測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度等方面的數(shù)據(jù)來(lái)判斷。

五是監(jiān)測(cè)溫度變化。主橋主跨結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控需要監(jiān)測(cè)溫度變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，以確保在溫度變化之前進(jìn)行調(diào)節(jié)和處理，可以通過(guò)測(cè)量溫度、氣象預(yù)報(bào)等手段來(lái)判斷。

4.1 主跨結(jié)構(gòu)線形監(jiān)控

在施工監(jiān)控過(guò)程中，撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是對(duì)成橋線形進(jìn)行控制的重要依據(jù)。為了最大程度地降低氣溫對(duì)觀察結(jié)果的影響，建議將觀察時(shí)間定在日出前，并詳細(xì)記錄觀察的時(shí)刻和所測(cè)的溫度。

在每一個(gè)施工段上分別設(shè)置5～7 個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)，既能測(cè)得其撓度，又能觀測(cè)其有無(wú)扭轉(zhuǎn)變形。高度控制點(diǎn)距離塊體前端10cm，用φ16 圓形鋼條將上下部鋼條垂直焊牢。測(cè)點(diǎn)（鋼筋）暴露在箱梁混凝土面上2cm 處，將測(cè)點(diǎn)磨平，并涂以紅色顏料。

必須在安裝模板時(shí)、混凝土澆筑后、鋼筋張拉后，對(duì)每個(gè)斷面的高程進(jìn)行測(cè)量，以觀察各個(gè)點(diǎn)位的變形情況，以及箱梁曲線的演變情況，從而保證箱梁懸臂處的閉合精度，以及橋面成橋時(shí)的線形符合要求。

4.2 主跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控

通過(guò)主跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)可及時(shí)知曉主跨受力狀況，及時(shí)判定主跨應(yīng)力是否超限，從而掌握主跨安全狀況。

4.2.1 測(cè)點(diǎn)布置

每座橋的全部主梁應(yīng)力控制斷面分別布置在邊跨L/2、橋墩頂部、0#塊邊緣、中跨 L/4、11#塊過(guò)渡段、中跨合龍段等位置，共15 處；波形鋼腹板剪切監(jiān)測(cè)斷面布置在接近支座和過(guò)渡段等位置，共12 個(gè)斷面；剪應(yīng)力測(cè)點(diǎn)一般布置在剪應(yīng)力最大位置，即中性軸處，考慮到波形鋼腹板剪應(yīng)力在腹板中均勻分布，測(cè)試時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇合適位置安裝測(cè)試元件。

4.2.2 應(yīng)力觀測(cè)原理

正應(yīng)力：每個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)1 支振動(dòng)弦波型混凝土應(yīng)力計(jì)，在被測(cè)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)力計(jì)會(huì)感知到變形，并通過(guò)前后端座傳遞到振弦上，轉(zhuǎn)化為振弦應(yīng)力的變化，進(jìn)而改變振弦的振動(dòng)頻率，電磁線圈激發(fā)振弦，并對(duì)其振動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量，頻率信號(hào)通過(guò)電纜傳送到讀數(shù)裝置（振弦頻率儀）上，即可測(cè)出被測(cè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)變量，進(jìn)而計(jì)算出應(yīng)力值。

同時(shí)，該系統(tǒng)還能對(duì)各測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。通過(guò)設(shè)置應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)可以測(cè)量出在實(shí)際施工情況下箱梁內(nèi)部的應(yīng)力情況，從而達(dá)到監(jiān)控結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的目的。對(duì)每一塊張拉前后的頂板和底板進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，并對(duì)其進(jìn)行分析，繪出每一步的理論應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力關(guān)系圖，便于對(duì)張拉施工進(jìn)行控制[3]。

剪應(yīng)力：使用長(zhǎng)壽命應(yīng)變花配合電阻應(yīng)變儀進(jìn)行剪應(yīng)力觀測(cè)。應(yīng)變花為三軸，可測(cè)出三個(gè)方向的軸應(yīng)變，鋼材的彈性模量、泊松比已知，根據(jù)材料力學(xué)公式即可推出測(cè)試位置的主應(yīng)力與剪應(yīng)力情況。

4.2.3 箱梁實(shí)測(cè)應(yīng)力、溫度原始數(shù)據(jù)采集

原始數(shù)據(jù)采集分底模焊接后、澆筑箱梁混凝土前、澆筑箱梁混凝土后、張拉預(yù)應(yīng)力束后4 個(gè)階段進(jìn)行。采集時(shí)間盡量選擇在早晨7：00—9：00 之間，每次采集的數(shù)據(jù)要和之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如有突變則要分析原因。

4.3 體外束有效索力監(jiān)控

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)閮?nèi)外梁組合結(jié)構(gòu)，因其腹板為波形鋼腹板，不存在腹板束流，且頂板束流過(guò)多，容易導(dǎo)致底板產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該類型橋梁的研究相對(duì)較少。通過(guò)對(duì)離體束進(jìn)行監(jiān)控，即可了解其效果。該橋每個(gè)跨距選取2 個(gè)離體束，共6 個(gè)離體束，索力動(dòng)測(cè)儀如圖1 所示。設(shè)計(jì)一種使用磁通量傳感器的監(jiān)控裝置，并在拉索動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置上進(jìn)行取樣和校核，磁通量傳感器如圖 2所示。

圖1 索力動(dòng)測(cè)儀

圖2 磁通量傳感器

4.4 波形鋼腹板定位

考慮到波形鋼腹板的柔性，在施工時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行合理的空間位置調(diào)整，以防止由于波形鋼腹板的側(cè)向位移過(guò)大，導(dǎo)致兩端懸臂端部無(wú)法正常閉合。由于波形鋼腹板是一個(gè)具有空間特性的薄板，因此在對(duì)其進(jìn)行空間定位時(shí)，應(yīng)根據(jù)3 個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)來(lái)確定其位置，并使用高精度全站儀進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)3 點(diǎn)確定面的原則，每塊波形鋼腹板至少采用3 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精確定位。每塊波形鋼腹板的3 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別為上翼緣的前、后端點(diǎn)和下翼緣的前端點(diǎn)，如圖3、圖4 所示。

圖3 波形鋼腹板定位三維圖示

圖4 波形鋼腹板定位示意圖

4.5 懸臂端溫度變形測(cè)量

波形鋼腹板梁結(jié)構(gòu)具有很大的柔韌性，加之該橋地處沿海，日夜溫差較大，因此準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)溫度對(duì)橋梁合龍時(shí)間的影響，對(duì)于正確選擇合龍時(shí)間有重要意義。在晴朗的天氣中選擇最大懸臂截面或鄰近截面中的一個(gè)節(jié)段，對(duì)整個(gè)箱梁的變形進(jìn)行一次測(cè)量，該測(cè)試持續(xù)24h，每1h 測(cè)讀1 次，測(cè)試內(nèi)容包括環(huán)境溫度、梁體表面溫度以及節(jié)段測(cè)量點(diǎn)三維位移[4]。

5 施工監(jiān)控結(jié)果分析

根據(jù)工程要求，對(duì)新安大橋主橋進(jìn)行了施工檢測(cè)，并在施工過(guò)程中及時(shí)調(diào)整監(jiān)控方法和內(nèi)容。通過(guò)對(duì)新安大橋主橋施工過(guò)程的監(jiān)控，得到了結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)、應(yīng)力變化情況以及結(jié)構(gòu)的線形變化情況，并及時(shí)進(jìn)行分析處理。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，使得成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求相符，其他各項(xiàng)數(shù)據(jù)也都滿足設(shè)計(jì)要求。該橋主梁結(jié)構(gòu)受力合理、線形平順、應(yīng)力分布均勻。

6 結(jié)語(yǔ)

在橋梁施工中，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)標(biāo)高、關(guān)鍵截面溫度、應(yīng)力進(jìn)行跟蹤測(cè)量，掌握施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力情況，能夠確保施工期間的安全性，保證成橋后每一處測(cè)量點(diǎn)與設(shè)計(jì)方案的偏差都在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。文章結(jié)合東寶河新安大橋工程，對(duì)主橋施工監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行分析，明確了施工監(jiān)控的要點(diǎn)，期望在未來(lái)的深入研究中，進(jìn)一步探討該課題并取得更深刻的認(rèn)識(shí)，為提高我國(guó)橋梁施工水平作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。