大跨度鋼桁架橋梁施工監(jiān)控技術(shù)研究

孫步芹，艾祖斌，侯圣均

（1.上海同濟檢測技術(shù)有限公司，上海市 200092;2.中電建路橋集團有限公司，北京市100089;3.中電建路橋集團有限公司，北京市100089）

大跨度鋼桁架橋梁施工監(jiān)控技術(shù)研究

孫步芹1，艾祖斌2，侯圣均3

（1.上海同濟檢測技術(shù)有限公司，上海市 200092;2.中電建路橋集團有限公司，北京市100089;3.中電建路橋集團有限公司，北京市100089）

以一個大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋工程為實際案例，并進行詳細(xì)介紹了橋梁拼裝施工及成橋后卸載施工階段監(jiān)控的技術(shù)重點和實施方法。采用大型有限元軟件ABAQUS進行橋梁變形模擬計算，通過施工時的澆筑過程的控制以及結(jié)構(gòu)標(biāo)高調(diào)整來獲得預(yù)先設(shè)計的應(yīng)力狀態(tài)和幾何線形，并在施工中對橋梁結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對施工過程中的控制參數(shù)進行修正。當(dāng)計算模型與實際監(jiān)測結(jié)果相吻合后，再用計算模型來指導(dǎo)后續(xù)的施工。

大跨度橋；鋼桁梁；施工監(jiān)控；有限元法

0 引言

近些年來，隨著我國在基礎(chǔ)建設(shè)上的巨大投入，各種不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁不斷涌現(xiàn)，尤其是大跨度橋梁發(fā)展迅速。以前，施工技術(shù)多依靠工程人員長期的實踐經(jīng)驗積累。人們在建造橋梁的過程中并沒有過多的考慮結(jié)構(gòu)安全，“施工監(jiān)控”這一概念也沒有被提及[1-7]。由于條件的限制，在橋梁施工過程中橋梁的安全往往得不到充分的保證，尤其在大跨徑橋梁的施工過程中，施工監(jiān)控顯得更加重要?？梢哉f，大型橋梁的施工過程是一個系統(tǒng)工程，系統(tǒng)中的各個部門是這個系統(tǒng)的組成單元，施工監(jiān)控部門是確保橋梁施工安全最重要的單元，是為確保橋梁施工的安全與質(zhì)量特殊設(shè)置的。

以一個大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行天橋工程為實際案例，詳細(xì)介紹了橋梁拼裝施工及成橋后卸載施工階段施工監(jiān)控的技術(shù)重點和實施方法，為類似工程的施工監(jiān)控提供了經(jīng)驗和參考。

1 工程概況

人行天橋位于兩條道路的交匯處，兩條道路地下分別有下穿地道和地鐵。人行天橋?qū)⑵鸬竭B接地鐵車站與大規(guī)模居住區(qū)跨越交叉點的作用，同時也能夠?qū)⑺膫€角的商業(yè)辦公設(shè)施聯(lián)系起來，形成規(guī)模效應(yīng)。

人行天橋平面呈橢圓形布置，橢圓長軸約為157.7 m，短軸約為105.4 m，主橋跨徑布置為（82.2+102.4+88.0+109.6）m，全長為 380.2 m，主橋?qū)挾?.3 m（凈寬6 m）。天橋的建筑外形采用了空間結(jié)構(gòu)形式，地面為橋面板，頂面由金屬面板覆蓋，兩側(cè)為高低錯落的桁架，桁架高度在3.15～7.85 m之間。

主橋下弦為箱型截面鋼管，腹桿和屋面弦桿為圓鋼管。節(jié)點采用剛節(jié)點相貫。根據(jù)不同的受力部位，鋼材采用Q420qD及Q345qC。下弦節(jié)點為箱型鋼梁與圓腹桿相貫連接，在鋼梁內(nèi)部再加加勁板保證節(jié)點的剛度，上弦節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點。天橋跨中起拱值：主桁架按恒載標(biāo)準(zhǔn)值加二分之一活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度值起拱，每跨跨中起拱值均不同。橋跨中設(shè)TMD減振系統(tǒng)以解決橋梁人走振動。主橋支座采用固定鉸支座及滑動鉸支座形式。

2 橋梁施工監(jiān)控思路及工作內(nèi)容

2.1 監(jiān)控思路

橋梁結(jié)構(gòu)理想的幾何線形與合理的內(nèi)力狀態(tài)不僅與設(shè)計有關(guān)，而且還依賴于科學(xué)合理的施工方法。如何通過施工時的澆筑過程的控制以及結(jié)構(gòu)標(biāo)高調(diào)整來獲得預(yù)先設(shè)計的應(yīng)力狀態(tài)和幾何線形，是大跨橋梁施工中非常關(guān)鍵的問題。盡管在設(shè)計時已經(jīng)考慮了施工中可能出現(xiàn)的情況，但是由于施工中出現(xiàn)的諸多因素，事先仍難以精確估計，而且在實際施工過程中由于施工誤差，會使實際結(jié)構(gòu)與原設(shè)計不符。所以在施工中對橋梁結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對施工過程中的控制參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整是十分重要的。

受施工過程中環(huán)境溫度、臨時荷載的影響，要得到比較準(zhǔn)確的控制調(diào)整措施，必須先根據(jù)施工中實測到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)來修正計算模型中的控制參數(shù)值，使得計算模型與實際結(jié)構(gòu)磨合一段時間后，計算模型與實際結(jié)構(gòu)相吻合后，再用計算模型來指導(dǎo)后續(xù)的施工，這就是自適應(yīng)控制的基本原理。在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再加上一個系統(tǒng)識別過程，整個控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)控制系統(tǒng)基本原理圖

當(dāng)測量到的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與模型計算結(jié)果不相符時，通過將誤差輸入到參數(shù)辨識算法中去調(diào)節(jié)計算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實際測量到的結(jié)果一致，得到了修正的計算模型參數(shù)后，重新計算各施工階段的理想狀態(tài)。這樣經(jīng)過幾個工況的反復(fù)辨識后，計算模型就基本上與實際結(jié)構(gòu)相一致了，在此基礎(chǔ)上可以對施工狀態(tài)進行更好的控制。

橋梁施工監(jiān)控關(guān)注的重點主要有以下幾個方面：

（1）空間結(jié)構(gòu)的靜力受力分析，包括施工階段以及成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形。

（2）空間橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能分析，包括自振頻率、振型、阻尼比。

（3）分段吊裝過程中各個節(jié)段的預(yù)拱度分析。

（4）橋梁施工過程中臨時荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

（5）臨時支墩以及基礎(chǔ)的沉降對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

（6）日照、溫度對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

當(dāng)上述因素與估計不符，而又不能及時識別引起控制目標(biāo)偏離的真正原因時，必然導(dǎo)致在以后階段施工中采用錯誤的糾偏措施，引起誤差累積。所以施工監(jiān)測和控制是大跨橋梁施工過程中不可缺少的工序。

2.2 拼裝及卸載階段的主要監(jiān)控內(nèi)容

成橋后的線形與設(shè)計線形在各測點的誤差均控制在規(guī)范規(guī)定和設(shè)計要求的范圍之內(nèi)及成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布滿足設(shè)計及規(guī)范要求是本橋梁工程的施工監(jiān)控主要目標(biāo)。

根據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)的分析以及施工監(jiān)控的目標(biāo)，確定橋梁施工監(jiān)控主要的工作內(nèi)容如下：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)控制及計算

a.全橋施工過程的仿真靜力計算；

b.誤差敏感度分析計算（溫度、臨時荷載、安裝誤差）。

（2）現(xiàn)場監(jiān)測

a.基礎(chǔ)（主墩和臨時墩）沉降監(jiān)測；

b.全橋施工過程中結(jié)構(gòu)（鋼桁架、主墩）的應(yīng)力監(jiān)控監(jiān)測；

c.全橋施工過程中結(jié)構(gòu)（鋼桁架）的撓度監(jiān)測。

（3）指導(dǎo)施工

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及理論計算數(shù)據(jù)分析，確定下一步施工方案。

2.3 監(jiān)測點的布置

（1）橋墩沉降監(jiān)測

在橋梁4個永久橋墩和12個臨時支墩上布置沉降觀測點，每個永久橋墩布置4個測點，臨時橋墩附近布置2個測點，全橋共40個測點。在每個施工節(jié)段完成后以及施工期間定期進行測量。

（2）鋼結(jié)構(gòu)坐標(biāo)及撓度監(jiān)測

按照與施工結(jié)合的原則，鋼梁撓度測點按照吊裝的分塊布設(shè)，中間進行加密。具體布設(shè)斷面如圖2所示，懸臂端18個斷面，每個斷面2個測點，如圖3、圖4所示，分別為下弦桿的內(nèi)測點和外測點，合計36個測點。墩頂有5個支座，每個支座設(shè)2個測點，4個墩合計40個測點。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段劃分及控制斷面示意圖

圖3 下弦桿的內(nèi)測點和外測點布置示意

圖4 撓度監(jiān)測斷面及測點布置圖（每個節(jié)點均設(shè)測點）

鋼結(jié)構(gòu)坐標(biāo)監(jiān)測節(jié)點為鋼結(jié)構(gòu)吊裝前、吊裝后、支座落架、整體合龍前、整體合龍后。測量主梁和支座全部測點，采用全站儀進行觀測。

鋼結(jié)構(gòu)高程監(jiān)測的施工節(jié)點為鋼結(jié)構(gòu)卸載、溫度影響、鋪裝人行道板、安裝頂棚、安裝阻尼器及TMD等。測點為主梁的下弦桿2個測點和支座上的測點，采用水準(zhǔn)儀觀測。

（3）上部結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力監(jiān)測

桁架桿件的應(yīng)力監(jiān)測，根據(jù)桁架連續(xù)梁橋的受力特點，應(yīng)力監(jiān)測斷面為支座位置、L/4、3L/4和跨中位置。主橋上下弦桿和腹桿均布置了應(yīng)變測點（含內(nèi)外側(cè)），全橋約130個測點，見圖5～圖7。鋼梁內(nèi)力監(jiān)測從節(jié)段現(xiàn)場制作完成開始，持續(xù)到工程竣工。具體監(jiān)測節(jié)點為：鋼結(jié)構(gòu)吊裝前、吊裝后、支座落架、后期鋼結(jié)構(gòu)吊裝影響、溫度影響、鋪裝人行道板、安裝頂棚、拆除臨時墩、安裝阻尼器及TMD等。

圖5 應(yīng)力監(jiān)測斷面布點示意圖

圖6 上弦桿腹桿應(yīng)變測點布置圖

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

人行天橋主橋鋼結(jié)構(gòu)的安裝分成17個立體分段，現(xiàn)場采用400 t履帶吊依次進行安裝，安裝過程除4個永久橋臺每個橋臺邊設(shè)置了2組臨時支撐外，橋臺外還設(shè)置了12組臨時支撐用于吊裝時分段的臨時擱置。天橋的現(xiàn)場拼裝工作結(jié)束后，整個天橋形成封閉連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，然后進行臨時支撐體系的卸載工作，即由安裝過程臨時支撐體系承載轉(zhuǎn)換成4個橋臺上的永久支座承載的過程，見圖 8、圖 9。

圖8 4個永久橋臺外的臨時支撐（1#～12#）布置圖（長方形為永久橋臺、正方形為吊裝停機位）

圖9 橋臺臨時支撐布置位置

3.1 橋梁拼裝階段

3.1.1 變形預(yù)測

采用大型有限元軟件ABAQUS進行變形模擬計算，計算時考慮幾何非線性方法，考慮桿件自重、節(jié)點鑄鋼荷載、混凝土樓板自重（與設(shè)計圖紙一致）、并考慮施工活荷載1 kN/m2（需要根據(jù)實際施工活荷載大小調(diào)整），桿件布置和設(shè)計圖紙完全一致。為了簡化計算，4個混凝土柱墩采用支座進行模擬。吊裝9過程鋼結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力值如圖10所示，各吊裝階段最大豎向位移和最大應(yīng)力預(yù)測見表1。

圖10 （1） 吊裝9過程鋼結(jié)構(gòu)位移圖

圖10 （2） 吊裝9過程鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力值圖（示例：最后吊裝階段）

3.1.2 實測數(shù)據(jù)分析

由于安裝設(shè)備的初始狀態(tài)不好確定，鋼結(jié)構(gòu)安裝過程施工監(jiān)測只能控制拼裝點的坐標(biāo)位置，無法測量安裝過程中的撓度和應(yīng)力變化。以北跨鋼結(jié)構(gòu)安裝過程的懸臂端坐標(biāo)點測量值為例，見圖11與表2。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段支撐在臨時支撐上，拼裝過程主要控制節(jié)段鋼結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)定位及高程控制。測量數(shù)據(jù)顯示，懸臂端坐標(biāo)基本控制在20 mm以內(nèi)。

表1 各吊裝階段最大豎向位移和最大應(yīng)力預(yù)測

圖11 北跨施工鋼結(jié)構(gòu)坐標(biāo)測點圖

表2 北跨施工鋼結(jié)構(gòu)坐標(biāo)測量值表 m

3.2 卸載階段

本工程臨時支撐的卸載實際是將主橋鋼結(jié)構(gòu)從吊裝過程多點支撐受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到設(shè)計狀態(tài)永久橋臺支座受力的過程。首先卸載橋臺上的臨時支撐，使主橋能夠落坐于橋臺的永久支座之上。其次進行橋臺間臨時支撐的卸載。

根據(jù)設(shè)計模型計算了整個卸載過程鋼結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力變化值，作為卸載監(jiān)控的理論指導(dǎo)。

3.2.1 變形預(yù)測

具體計算控制值如表3、圖12所示：

表3 各卸載階段最大豎向位移和最大應(yīng)力預(yù)測

圖12 （1） 卸載4過程鋼結(jié)構(gòu)位移值圖

圖12 （2） 卸載4過程鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力值圖

3.2.2 實測數(shù)據(jù)分析

（1）卸載過程中鋼結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測

卸載過程中，監(jiān)測主梁的撓度，控制結(jié)構(gòu)的變形。

主橋下弦桿每個節(jié)點處布置一個測點（含內(nèi)外側(cè)），每個墩頂布置一個基準(zhǔn)點（假設(shè)卸載過程中墩身無沉降）。

數(shù)據(jù)顯示卸載后撓度如下：東跨跨中-16 mm，南側(cè)跨中-100 mm，西側(cè)跨中15 mm，北側(cè)跨中-76 mm。南跨下?lián)蠑?shù)據(jù)明顯大于北跨，東跨下?lián)蠑?shù)據(jù)明顯大于西跨。監(jiān)控分析認(rèn)為造成上述結(jié)果的主要因素如下：a.四跨合龍的溫度各不相同，其中東跨合龍溫度最低、其次南跨和西跨，北跨合龍溫度最高。合龍溫度不同造成臨時支撐受力的不一致，其中溫度越低，后期下?lián)显酱?。所以，跨徑相?dāng)?shù)哪媳笨?，南跨下?lián)弦笥诒笨?。b.橋面荷載的不均勻分布，南跨橋面上布置了一定數(shù)量的臨時荷載。

卸載后3 d內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)高基本穩(wěn)定，撓度變化在 1～2 mm。

（2）卸載過程鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

卸載前后鋼結(jié)構(gòu)上弦桿應(yīng)力變化為39.2 MPa，下弦桿應(yīng)力變化為38.6 MPa，腹桿最大為46.2 MPa。卸載3天后，結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本穩(wěn)定，變化不大。

卸載過程中，由于結(jié)構(gòu)的不對稱性以及臨時荷載的堆放，造成各跨撓度的差異，但均未超過設(shè)計的最大允許值，應(yīng)力值也在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

通過對某在建大跨度鋼桁架橋梁的施工監(jiān)控，較為系統(tǒng)的闡述了該大橋在施工監(jiān)控方面的全過程。重點介紹了有限元模型的建立、各工況的測點的選擇、應(yīng)力計算、撓度計算，及臨時支撐結(jié)構(gòu)卸載時的應(yīng)力分析、誤差分析等方面，涵蓋了橋梁施工監(jiān)控的重點和難點。通過施工監(jiān)控，可以得到以下結(jié)論。

（1）節(jié)段拼裝過程中，鋼結(jié)構(gòu)定位坐標(biāo)滿足設(shè)計要求。

（2）卸載過程中，由于結(jié)構(gòu)的不對稱性以及臨時荷載的堆放，造成各跨撓度的差異，但均未超過設(shè)計的允許值，應(yīng)力值也在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

（3）成橋狀態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)跨中剩余預(yù)拱度值分別為東跨32 mm、南跨111 mm、西跨38 mm、北跨84 mm，滿足活載使用要求。

（4）經(jīng)測試推算，安裝樓板完成后，鋼結(jié)構(gòu)上弦桿最大應(yīng)力值為104.4 MPa（拉），下弦桿最大應(yīng)力值為95.2 MPa（拉），腹桿最大應(yīng)力值為108.8 MPa（拉）。實測數(shù)據(jù)均小于理論計算值。

[1]CJJ 69-1995，城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

[2]CJJ 11-2011，城市橋梁設(shè)計規(guī)范[S].

[3]CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]CJJ 2-2008，城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[6]GB 50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[7]李杰.大跨度鋼桁梁柔性拱橋施工應(yīng)力監(jiān)控研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

U445.1

B

1009-7716（2017）12-0129-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.036

2017-11-06

孫步芹（1972-），女，江蘇高郵人，工程師，從事建設(shè)工程檢測管理工作。