預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合體系橋梁施工監(jiān)控研究

摘 要：以深茂鐵路江茂段國(guó)道325特大橋施工監(jiān)控為背景，重點(diǎn)介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合體系橋梁施工監(jiān)控的技術(shù)研究，包括全橋施工仿真計(jì)算分析、主梁撓度及吊桿索力的監(jiān)控控制方法。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，給出了此類橋梁施工監(jiān)控的思路和對(duì)策。

關(guān)鍵詞：梁拱組合體系；施工監(jiān)控；計(jì)算分析；監(jiān)控控制

Abstract：Taking the construction monitoring of the 325 National Highway Grand Bridge on the Jiangmen-Maoming section part of Shenzhen-Maoming Railway as a background，it focuses on the technical study of bridge construction monitoring of prestressed concrete girder-arch system.This study includes the simulation analysis of the whole bridge construction，the deflection of main girder and monitoring control method of cable force.Combined with construction experience，the ideas and countermeasures on the construction monitoring of this kind of bridge were presented.

Key words：girder-arch combination system； construction monitoring； calculation analysis； monitoring control

緒論

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)可知，每個(gè)工程都會(huì)存在施工單位制定的施工方案是否合理、現(xiàn)場(chǎng)用于施工中的材料是否合格、以及施工隊(duì)伍對(duì)各個(gè)工序的實(shí)施是否到位等眾多的不確定因素，而這些不確定因素如果不加以嚴(yán)格把控，就會(huì)對(duì)成橋后的線形、合理受力產(chǎn)生不利影響。本項(xiàng)目深茂鐵路江茂段國(guó)道325特大橋，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁吊桿拱橋，屬大跨度超靜定結(jié)構(gòu)，同時(shí)本工程也受到了社會(huì)各方的高度關(guān)注，為此必須把工程質(zhì)量作為重中之重，在施工中應(yīng)及時(shí)采集需要的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)，[1]還要將采集的數(shù)據(jù)參數(shù)運(yùn)用到理論計(jì)算模型中，然后利用讀取的模型結(jié)果在施工過程中控制并調(diào)整主梁截面的立模標(biāo)高和吊桿拉索索力，在主橋施工及吊桿張拉過程中必須進(jìn)行嚴(yán)格的施工監(jiān)控，[2]減少理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工中存在的差異，使全橋線形及索力等相關(guān)指標(biāo)滿足規(guī)范要求及設(shè)計(jì)意圖，最終符合使用需求。

工程概況

深茂鐵路江茂段國(guó)道325特大橋位于廣東省陽(yáng)江市合山鎮(zhèn)境內(nèi)，中心里程DK240+894.175，起訖樁號(hào)：DK239+559.800～DK242+228.550全長(zhǎng)2668.75m。在DK241+391.4～DK241+657.1以1聯(lián)（64.25+136+64.25）m連續(xù)梁拱跨越開陽(yáng)高速公路那龍收費(fèi)站A、B、C匝道，采用先梁后拱的施工方案進(jìn)行建設(shè)實(shí)施。主梁為單箱雙室變高度箱形截面，梁高由3.5m～7.0m漸變，共設(shè)14組雙吊桿，拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)正式吊裝拱肋前，應(yīng)對(duì)吊裝設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)。吊裝就位后，應(yīng)立即進(jìn)行校正，并應(yīng)采取保證穩(wěn)定性的措施。[3]

3 施工監(jiān)控體系和施工監(jiān)控過程

施工監(jiān)控是服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)施工的，施工監(jiān)控的工作內(nèi)容應(yīng)緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況。該橋的施工監(jiān)控內(nèi)容從總體上說包括三個(gè)方面：監(jiān)控建模計(jì)算、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、監(jiān)控實(shí)時(shí)控制。這三方面構(gòu)成施工監(jiān)控體系，相互之間提供參數(shù)，三者并不能完全分開。

施工監(jiān)控過程與施工過程是密不可分、相互對(duì)應(yīng)的，施工方應(yīng)首先編制詳細(xì)的施工組織計(jì)劃，提交給施工監(jiān)控方。在施工工序?qū)嵤┻^程中，采用多種量測(cè)手段和評(píng)估方法，對(duì)于結(jié)構(gòu)的重要性指標(biāo)進(jìn)行分析與判斷。若實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)之間存在差異，需仔細(xì)分析其原因，進(jìn)行誤差識(shí)別并及時(shí)修正，盡量將產(chǎn)生偏離的原因消除，避免產(chǎn)生誤差的逐漸累積，為下一個(gè)施工階段提供準(zhǔn)確的監(jiān)控目標(biāo)值，從而使工程施工質(zhì)量保持持續(xù)穩(wěn)定的提高。[4]所以，這種應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)以理論設(shè)計(jì)值作為基準(zhǔn)，通過實(shí)時(shí)維持施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的動(dòng)態(tài)平衡過程即構(gòu)成了施工監(jiān)控的全過程。

4 施工監(jiān)控工作內(nèi)容

4. 仿真計(jì)算分析

為實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的變形和受力分析，采用midas/civil有限元軟件進(jìn)行施工跟蹤、建模計(jì)算分析。[5]在軟件中，建立梁?jiǎn)卧獊砟M主梁各節(jié)段及拱肋、橫撐，建立桁架單元來模擬吊桿，[6]建立的全橋三維有限元模型見圖1。

在模型中設(shè)置的施工階段主要是根據(jù)施工圖及施工組織設(shè)計(jì)文件確定的，詳細(xì)劃分見表1。

在理論建模時(shí)，主要依據(jù)設(shè)計(jì)文件、施工方案和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定進(jìn)行參數(shù)的取值。計(jì)算參數(shù)是施工控制結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算中最基本的資料，包括主梁彈性模量、梁體自重、外荷載重量及位置、溫度、梁長(zhǎng)、混凝土收縮徐變影響等。施工中這些參數(shù)的變化是不可避免的，而因?yàn)閰?shù)的變化導(dǎo)致的施工誤差會(huì)極大的影響工程質(zhì)量。為了能最大限度的降低這種誤差，我們只有及時(shí)準(zhǔn)確的了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并力求真實(shí)的去修正計(jì)算模型，盡可能保證完美模擬現(xiàn)實(shí)的施工現(xiàn)場(chǎng)，再按修正后的模型計(jì)算預(yù)拱度，[7]通過以上過程重新擬合立模標(biāo)高，最終達(dá)到標(biāo)高控制的目的。

根據(jù)橋梁施工圖紙及相關(guān)施工指導(dǎo)性文件，對(duì)該橋進(jìn)行理論建模模擬計(jì)算，通過模型可以直接讀取或是通過間接計(jì)算得出以下三個(gè)方面的結(jié)果：

（1）吊索初張力和調(diào)整索力；

（2）各施工梁段的主梁立模標(biāo)高；

（3）各施工梁段相應(yīng)于其在各施工工序（混凝土澆筑完畢、張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的完畢和張拉吊桿拉索的完畢）的控制截面、測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、標(biāo)高等理論值。

在實(shí)際施工時(shí)，利用以上三個(gè)方面的結(jié)果作為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的理論依據(jù)，由施工監(jiān)控單位出具各施工階段的監(jiān)控指令，所有指令必須經(jīng)過監(jiān)控單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、施工單位的簽字確認(rèn)后，方可作為正式指令下發(fā)以指導(dǎo)施工。[8]

按照設(shè)計(jì)意圖和上述施工步驟對(duì)大橋進(jìn)行施工全過程的計(jì)算分析，因理論模型與橋梁實(shí)際狀況會(huì)有一定差別，在施工中要根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修正，施工時(shí)應(yīng)以監(jiān)控指令為準(zhǔn)。

4. 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)

用全站儀對(duì)主橋的軸線和里程進(jìn)行測(cè)量，用電子水準(zhǔn)儀對(duì)標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量。[9]

4.2.1墩頂測(cè)量和基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)立

測(cè)定墩頂變位的方法是在每個(gè)橋墩墩頂布置測(cè)點(diǎn)作為水準(zhǔn)點(diǎn)，并做好明顯標(biāo)識(shí)和必要的測(cè)點(diǎn)防護(hù)，防止施工中遭到破壞。在該點(diǎn)設(shè)站，使用全站儀根據(jù)大橋兩岸的國(guó)家大地控制網(wǎng)測(cè)出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，作為初始值。后續(xù)施工工況測(cè)得改點(diǎn)的變化量即為墩頂變位值。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確定，每月至少組織一次水準(zhǔn)點(diǎn)的復(fù)測(cè)、聯(lián)測(cè)工作。

4.2.2主梁撓度的測(cè)量

（1）測(cè)點(diǎn)布置：在每個(gè)施工梁段均預(yù)埋三根短鋼筋作為標(biāo)高觀測(cè)點(diǎn)，位于懸臂端距梁端5cm處，用自噴漆標(biāo)明編號(hào)，短鋼筋要求伸出混凝土面1.5～2.5cm，。主梁截面測(cè)點(diǎn)的位置見圖4中的“|”所示的位置。

（2）測(cè)量方法：用精密水平水準(zhǔn)儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)標(biāo)高。

（3）測(cè)量頻率：對(duì)于每個(gè)施工梁段，按照施工工序，分別在澆筑混凝土前、澆筑混凝土后和張拉預(yù)應(yīng)力后對(duì)主梁的撓度進(jìn)行測(cè)量。

（4）測(cè)量時(shí)間：測(cè)量時(shí)間宜在當(dāng)天8時(shí)之前和18時(shí)以后或在溫度場(chǎng)較穩(wěn)定的時(shí)候進(jìn)行。

（5）13～15號(hào)塊應(yīng)加測(cè)箱梁底板的撓度變形。

在測(cè)量過程中，因溫差變化會(huì)影響主梁撓度的變化，規(guī)律有助于確定待施工各節(jié)段預(yù)拱。為了確定該變化規(guī)律，本橋在實(shí)際測(cè)量中，刻意選擇溫差變化較大的天氣，選擇清晨溫度較低的時(shí)段開始，滿足連續(xù)12小時(shí)平均每間隔兩個(gè)小時(shí)監(jiān)測(cè)一次主梁撓度，并在記錄表中寫明當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度，通過這樣的方式逐漸分析溫差變化較大時(shí)撓度變化的規(guī)律。

4.2.3吊桿索力的測(cè)量

吊桿索是吊桿拱橋的重要組成部分，并顯示了吊桿拱橋的特點(diǎn)，吊桿拱橋橋跨結(jié)構(gòu)的重量和橋上荷載，絕大部分通過吊桿傳遞。為了使全橋結(jié)構(gòu)合理受力，應(yīng)該嚴(yán)格將吊桿索力的實(shí)測(cè)值與理論值的差值控制在誤差容許范圍之內(nèi)。

此外，為保證施工控制的順利進(jìn)行以及橋梁在運(yùn)營(yíng)期間的正確監(jiān)測(cè)，必須提高吊桿索力測(cè)定的準(zhǔn)確率，因索力測(cè)定的不準(zhǔn)確將嚴(yán)重影響全橋的施工控制效果。

實(shí)際工程中常見的測(cè)量索力的方法有三種，分別是壓力表量測(cè)法、壓力傳感器量測(cè)法和振動(dòng)頻率量測(cè)法。壓力表法測(cè)定是最直接的方法，但精度不高，且難以滿足從施工架設(shè)直至竣工后的隨時(shí)、迅速、準(zhǔn)確地測(cè)定索力的要求。壓力傳感器的測(cè)定精度較高，也易于長(zhǎng)期觀測(cè)，缺點(diǎn)在于其成本較高，一般項(xiàng)目中通常不會(huì)被采用。振動(dòng)頻率量測(cè)法是目前最常用的間接的索力測(cè)量方法，測(cè)量過程不會(huì)損傷纜索，并且測(cè)量結(jié)果精度很高，一般能夠?qū)⒄`差控制在3%以內(nèi)。該方法是將傳感器探頭固定在待測(cè)纜索上，通過傳感器獲取纜索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、譜分析等精密計(jì)算后，能夠得到纜索的自振頻率，再通過自振頻率與索力的關(guān)系來確定索力。

應(yīng)用動(dòng)力學(xué)普遍原理可建立均勻線密度的吊桿在無(wú)阻尼時(shí)的自由振動(dòng)方程。[10]

式中，m為吊桿的線密度；u為橫向位移系數(shù)；x為縱向坐標(biāo)；t為時(shí)間；T為張拉力；EI為吊桿的抗彎剛度。

顯然要求解以上方程非常困難，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。假定拉索兩端的邊界條件為固結(jié)且不考慮拉索的截面剛度，考慮通過橫向位移系數(shù)的擬合函數(shù)來推到出張拉力T的方程組：

本橋在施工過程中即應(yīng)用頻率法對(duì)吊桿索力進(jìn)行測(cè)量，采用的儀器為JMM-268動(dòng)測(cè)儀，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員通過該儀器可方便快捷地對(duì)吊桿的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，在儀器屏幕中即可直接讀取頻率值，根據(jù)頻率與索力的關(guān)系，可以計(jì)算得出相應(yīng)的索力。

4.2.4吊桿施工節(jié)點(diǎn)位移的測(cè)量

吊桿施工節(jié)點(diǎn)位移的測(cè)量方法是在吊桿拉索附近的主梁位置布置位移測(cè)點(diǎn)，每次關(guān)鍵張拉階段完成至少一小時(shí)后，利用全站儀對(duì)主梁上的位移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。因吊桿施工節(jié)點(diǎn)位移測(cè)量在整個(gè)監(jiān)控工作中僅起到輔助作用，故對(duì)于此項(xiàng)測(cè)量方法不再贅述。

4.3 監(jiān)控控制及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)效果

（1）主梁撓度監(jiān)控控制：本項(xiàng)目對(duì)主梁撓度控制精度及原則主要有立模標(biāo)高允許誤差為±3mm；局部線形要求相鄰節(jié)段的相對(duì)標(biāo)高誤差控制在5mm在以內(nèi)；已澆梁段頂、底板的相對(duì)標(biāo)高誤差控制在±15mm范圍；合龍前兩懸臂端的相對(duì)高差應(yīng)小于等于合龍段長(zhǎng)度的1/100，同時(shí)應(yīng)滿足不大于15mm。

主橋施工過程中，嚴(yán)格按照施工指令進(jìn)行施工，合龍精度滿足要求，底板沒有出現(xiàn)折線，線形平順，弧線美觀。本橋主梁撓度實(shí)測(cè)結(jié)果：各施工節(jié)段澆筑的階段的沉降實(shí)測(cè)值與理論值的差距均在15mm以內(nèi)；張拉階段的實(shí)測(cè)值與理論值的差值也控制在10mm以內(nèi)，中跨合攏時(shí)最大偏差僅為10mm，由以上結(jié)果可知，對(duì)主梁線形的施工控制取得了良好的效果。

（2）本橋吊桿索力經(jīng)過初張拉、二次張拉及調(diào)索，調(diào)索必須遵循一定原則，按照“均勻、對(duì)稱、分次、循環(huán)”進(jìn)行。[11]調(diào)索完成后，需要將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量得到的索力值與通過理論計(jì)算得出的目標(biāo)索力值進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)見表2。

由上表可知，成橋后吊桿索力分布大致均勻，與設(shè)計(jì)值相差較小，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好。

（3）綜上所述，深茂鐵路江茂段國(guó)道325特大橋在施工過程中，結(jié)構(gòu)線形平順，吊桿受力合理，各個(gè)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)均未出現(xiàn)超限情況，所有誤差均在容許范圍，進(jìn)一步在理論上驗(yàn)證了該項(xiàng)目建設(shè)成果的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，伴隨著科學(xué)高效的施工技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模、大跨度、高難度的橋梁工程正與日俱增，對(duì)于建設(shè)者來說既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。施工中各種不確定因素的增多，施工人員水平的結(jié)構(gòu)化配置是否合理，都給橋梁建設(shè)中的施工監(jiān)控提出了更嚴(yán)苛的要求，為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步，施工監(jiān)控體系作為重要施工輔助手段尚應(yīng)繼續(xù)重視實(shí)施、創(chuàng)新發(fā)展。[12]本項(xiàng)目對(duì)深茂鐵路江茂段國(guó)道325特大橋的施工監(jiān)控任務(wù)已經(jīng)圓滿完成，達(dá)到了預(yù)期的效果，得到了業(yè)主的認(rèn)可，驗(yàn)證了本橋型施工監(jiān)控方案的可行性，同時(shí)對(duì)日后實(shí)施相近橋型的施工監(jiān)控任務(wù)提供了成熟的參考案例，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙多蒼，樊立龍，李義強(qiáng).跨海大橋施工結(jié)構(gòu)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2017（8）：18-22.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范：GB50982-2014[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014：33.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范：GB50923-2013[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013：34-35.

[4]冷鵬.鐵路橋梁施工安全質(zhì)量管理的監(jiān)控措施分析[J].建筑與裝飾，2016（6）：93.

[5]葛俊穎.橋梁工程軟件midas Civil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013：229-239.

[6]邵旭東，程翔云，李立峰.橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2012：534.

[7]周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001：439.

[8]中國(guó)鐵路總公司.高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程：Q/CR9603-2015[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015：6-9.

[9]章關(guān)永.橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2010：L12-14.

[10]凌知民，楊沈紅，沈炯偉.吊桿索力的計(jì)算方法與應(yīng)用研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（03）：17-18.

[11]李征.客運(yùn)專線大跨度連續(xù)梁-拱橋先梁后拱施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2016（12）：21.

[12]張海龍.橋梁的結(jié)構(gòu)分析程序設(shè)計(jì)施工監(jiān)控[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003：209.

作者簡(jiǎn)介：張強(qiáng)（1986-），男，工程師，現(xiàn)任職務(wù)：科員，畢業(yè)學(xué)校：中國(guó)石油大學(xué)（華東），所學(xué)專業(yè)：土木工程，主要從事橋梁工程設(shè)計(jì)與咨詢。