高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制和監(jiān)控數(shù)據(jù)的挖掘利用

付軍喜

(廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣州 510623)

0 引言

高墩大跨混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在山區(qū)和跨海道路中應用廣泛,這種橋型由于墩高和跨度大等特點，在施工過程中需要重點關注。已有工程案例表明，由于較大施工誤差導致結(jié)構(gòu)線型偏差和內(nèi)力變化，將對連續(xù)剛構(gòu)橋的長期運營安全產(chǎn)生不利影響，甚至導致過度撓曲和開裂的病害問題。因此，開展科學合理的監(jiān)控配合施工，實現(xiàn)施工安全和達到設計預期的內(nèi)力和線型狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)長期運營安全的前提保障。

高墩大跨混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工控制理論自上世紀提出以來得到了系統(tǒng)的發(fā)展，在施工過程模擬、結(jié)構(gòu)線形控制等方面取得了豐碩的研究成果。近年來，隨著傳感技術的發(fā)展，在施工現(xiàn)場布設各類傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)施工全過程狀態(tài)的方法愈發(fā)成熟。施工現(xiàn)場產(chǎn)生大量帶有冗余性的數(shù)據(jù)，通過合理的施工控制流程、測試方案和分析方法，充分挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息，可以進一步提高結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控對施工過程的協(xié)助作用。本文結(jié)合大埠河大橋的施工監(jiān)控介紹在這方面的探索工作。

1 工程概況

大埠河大橋主橋為82m+150m+82m連續(xù)剛構(gòu)橋，雙幅分離布置。上部結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土變截面箱梁形式，C55混凝土。箱梁頂板寬12.5m、底板寬6.2m，箱梁頂面設2%單向橫坡，底板水平，梁底按照1.8次拋物線變化。雙幅4個主墩高度分別為71.98m、71.76m、69.82m和67.35m，C50混凝土。截面采用箱型，平面尺寸為5.0m×6.2m(橫橋向×順橋向)，壁厚1m，墩底8m和墩頂3m范圍內(nèi)為實心，1/2墩高位置，設置1m高隔板。結(jié)構(gòu)整體布置如圖1所示。

主梁采用掛籃式平衡懸臂現(xiàn)澆施工，共劃分為16個塊段。其中0#塊長11m，采用托架現(xiàn)澆施工；1-14#號塊段采用掛籃懸臂施工，主梁最大懸臂端為74m；15#號為合攏段，長度為2m；16#塊段為邊跨現(xiàn)澆段，長度為4m。橋墩采用分段爬模施工，共分為17個節(jié)段，第一個節(jié)段高4.65m，第二至第十五節(jié)段高度均為4.5m，最后一個節(jié)段高度3m。下部結(jié)構(gòu)左右幅分別對應起始編號XY和XZ。

圖1 大埠河大橋整體布置(單位：m)

2 施工監(jiān)控技術和測點布置

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程控制主要包括橋墩施工控制和主梁施工控制等。目前，成熟的控制理論和方法包括反饋控制、自適應控制等。在核心的參數(shù)識別和狀態(tài)預測中，大量研究已經(jīng)形成了包括卡爾曼濾波法、灰色系統(tǒng)理論法、最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡等手段。

對于高墩施工，墩身的垂直度和平面偏位是施工控制的關鍵。我國《公路橋涵施工技術規(guī)范》對墩臺施工的位移控制有明確的要求。同時，由于橋墩高，導致施工過程對非對稱荷載更為敏感，增加了施工風險。因此，對橋墩根部關鍵截面的應力變化進行監(jiān)控也十分重要。

根據(jù)后期數(shù)據(jù)分析和挖掘的需求，施工監(jiān)控測點布置和采集方法還應從以下幾方面考慮：(1)測點布置宜采用對稱布置，形成具有相互參照對照的測試組；(2)從數(shù)據(jù)可靠性和后期測點損毀的角度設置冗余測點；(3)在可能的情況下可采用低頻率的連續(xù)采集的方式，獲得更多的施工監(jiān)控數(shù)據(jù)。

需要強調(diào)的是，引入數(shù)據(jù)挖掘技術的目的是更好地利用現(xiàn)有的施工監(jiān)控數(shù)據(jù)，而不是為了進行數(shù)據(jù)挖掘而無限制地增加原有的施工監(jiān)控測點。因此，在一般施工監(jiān)控測點布置的基礎上應進行針對性的測點布置，在測試方法的選擇上也應以現(xiàn)場的實際情況和經(jīng)費預算為主要考量。

對于主梁施工，在懸澆過程中懸臂長度不斷增加，懸臂根部受到的彎矩不斷加大，懸澆過程的不完全對稱施工使懸臂根部的受力更加復雜。因此，需要及時監(jiān)測臨時支撐和箱梁關鍵斷面的應力變化，掌握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，為評估結(jié)構(gòu)安全和施工安全提供依據(jù)。

通過埋設應力、溫度、壓力傳感器，可以達到以下目的：(1)提供某些施工關鍵工況的必要信息，比如混凝土澆筑、預應力張拉等工況的結(jié)構(gòu)響應；(2)提供施工控制反饋分析的基本信息；(3)為運營階段的結(jié)構(gòu)長期觀測服務。

應力測點布置的原則是：(1)通過施工模擬計算，得到施工全過程的應力包絡圖，從而明確最危險的位置，這是選擇應力測試斷面的基礎；(2)力求順橋向、橫橋向?qū)ΨQ布置，以增加結(jié)果的可靠性和可比性；(3)截面的選取應避開圣維南區(qū)；(4)兼顧交(竣)工荷載試驗和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需要。

大埠河大橋主墩和主梁施工的典型監(jiān)測測點布置如圖2和圖3所示。

圖2 大埠河大橋橋墩典型監(jiān)控內(nèi)容的測點布置

圖3 大埠河大橋主梁典型監(jiān)控內(nèi)容的測點布置

3 監(jiān)控數(shù)據(jù)分析要點

受到環(huán)境干擾、傳感器精度等噪聲影響，橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場響應監(jiān)測數(shù)據(jù)往往存在可能的誤差。為了使測試數(shù)據(jù)的可靠性更高，需要結(jié)合恰當?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，實現(xiàn)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析。這個過程可分為數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理、數(shù)據(jù)對比判斷和施工控制建議等4個階段。

3.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理階段可根據(jù)同一測點相鄰施工步下的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比、冗余測點相同施工步下的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比以及監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果等方法進行比較，綜合判斷數(shù)據(jù)的合理性，剔除異常數(shù)據(jù)。與此同時，對于判斷得到的每一個異常值，均應及時反饋施工現(xiàn)場，以排除可能的施工隱患，確保異常值的產(chǎn)生不是來自施工問題。

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理主要是通過統(tǒng)計學理論，對具有冗余性的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以獲得代表性特征值，如平均值、最值等。通過不同的特征值綜合判斷，可以減小噪聲影響，降低由于單一監(jiān)測數(shù)據(jù)帶來的偶然誤差。

3.3 數(shù)據(jù)對比判斷

數(shù)據(jù)對比判斷階段，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)值、施工內(nèi)控閾值以及規(guī)范控制數(shù)據(jù)的對比，判斷施工步下是否存在施工質(zhì)量問題和施工安全問題。相當于在控制階段設置了多個評價指標和標準，可提升施工控制的準確度。

3.4 施工控制建議

對于判斷存在問題的數(shù)據(jù)，需要結(jié)合實際情況明確原因，并提供下一步施工處置建議。

4 橋墩施工控制數(shù)據(jù)分析

對橋墩施工過程的數(shù)據(jù)分析，可通過“3σ準則”上下限值、均值、最大值、最小值、理論計算值、允許閾值等在內(nèi)的多個指標，來綜合評價施工過程的安全性。

其中，以數(shù)據(jù)自身的統(tǒng)計特性判斷異常值，采用“3σ準則”上下限值對測試數(shù)據(jù)中由于傳感器異常等原因造成的數(shù)據(jù)突變進行自動剔除。以理論計算值和我國規(guī)范對施工階段混凝土臨時應力限值的80%和100%為3層次控制閾值作為結(jié)構(gòu)安全的層次控制指標，通過最大值、最小值和均值表征的施工過程結(jié)構(gòu)響應數(shù)據(jù)與上述控制指標的對比分析，可以綜合判斷結(jié)構(gòu)施工過程的安全性。

除上述判別指標外，還可結(jié)合理論計算值的誤差允許值(如±20%)、數(shù)據(jù)趨勢差異允許值等指標輔助判斷結(jié)構(gòu)施工安全。

以大埠河大橋橋塔施工過程中的應變監(jiān)測為例，對監(jiān)測得到的塔底四角點鋼筋的應變數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果如圖4所示。在本文分析中，應力應變數(shù)據(jù)均以受拉為正、受壓為負。

圖4 大埠河大橋橋塔應變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

分析結(jié)果表明，4個角點的數(shù)據(jù)在同一施工步下的結(jié)果相近，表明施工過程中橋塔的不平衡受力狀態(tài)控制良好?！?σ準則”下未發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，傳感器監(jiān)測結(jié)果可信。在橋墩施工過程中，測試數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)變化趨勢一致，數(shù)值相近，同時測試數(shù)據(jù)均未超過80%和100%規(guī)范限值，施工過程構(gòu)件強度得到良好保證。

在橋墩施工進行到第5階段時，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)應變增大的趨勢明顯加劇，與前序監(jiān)測結(jié)果趨勢出現(xiàn)差異。監(jiān)控方第一時間分析理論計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果突變差異的原因，首先需要排除數(shù)據(jù)差異是否由測試誤差造成。

(1)

ε修(t)=ε(t)-(T-T0)(F-F0)

(2)

式中：T為測量溫度，T0為初讀數(shù)時的溫度，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)體線膨脹系數(shù)，F(xiàn)0為鋼弦的線膨脹系數(shù)。鋼弦的線膨脹系數(shù)為12.2με/℃，一般情況下鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)為10με/℃。實際混凝土的熱膨脹系數(shù)并不是一直不變，隨著環(huán)境溫度的降低，熱膨脹系數(shù)在減少，并在6με/℃～10με/℃之間變化。因此，需結(jié)合應變測試時的溫度測量結(jié)果對應變測試結(jié)果進行修正。

與此同時，由于差異在測試的橋墩中均有出現(xiàn)，可能的偏差原因最終被判斷為實際混凝土彈性模量小于設計彈性模量。在及時與施工技術人員反饋和溝通后，確定了適當減慢施工速度、進一步加強混凝土養(yǎng)護的建議。施工單位采納上述建議，后續(xù)施工監(jiān)測，實測應變結(jié)果與理論分析結(jié)果的差異逐漸縮小，實現(xiàn)了對現(xiàn)場施工質(zhì)量的有效控制。

除對應變的監(jiān)控外，高墩施工過程中的位移監(jiān)測也是重要的控制指標。由于高墩橋塔垂直爬模等施工工藝相對成熟，可在上述針對受力安全監(jiān)測分析方法的基礎上，適當減少評價內(nèi)容，簡化監(jiān)控和評價流程。

以大埠河大橋橋塔施工過程中通過橋塔垂直度和橋塔平面偏位的監(jiān)控為例，施工過程中，通過設定關鍵測試斷面(30m、40m、50m、60m和70m)，并對其施工完成時的4個角點坐標進行監(jiān)測，得到橋塔施工進程中的位移狀態(tài)。監(jiān)控設置了上述測試內(nèi)容與規(guī)范限值進行對比的單一控制指標，確保施工線型，并將變化趨勢和具體數(shù)據(jù)及時反饋施工現(xiàn)場，以及時調(diào)整可能出現(xiàn)的偏差。典型監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 30m和70m施工完成時截面角點偏位監(jiān)測結(jié)果

測試結(jié)果表明，橋塔施工過程中的垂直度保持良好，不同關鍵測試斷面的偏位均未超過施工規(guī)定限值，并有一定的冗余度。

5 主梁施工控制數(shù)據(jù)分析

連續(xù)梁橋施工過程的影響參數(shù)較多，主要的控制參數(shù)包括：掛籃變形、施工臨時荷載、日照影響、混凝土外形尺寸、預應力張拉的狀況、混凝土彈性模量和容重、混凝土徐變影響等。計算施工控制參數(shù)的理論設計值時，假定相關參數(shù)值為理想值。為了消除因設計參數(shù)取值的不確切所引起的施工中設計與實際的不一致性，在施工過程中對這些參數(shù)進行識別和預測，并隨著施工過程的開展，通過實測和相關試驗對其進行修正。根據(jù)修改后的參數(shù)進行仿真分析，從而使計算模型與實際結(jié)構(gòu)狀況相吻合。其中最為關鍵的要屬箱梁標高的確定，在結(jié)合有限元和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的基礎上，對每個施工節(jié)段的立模標高進行計算：

(3)

在監(jiān)測過程中，除了立模標高的給定，對施工過程中應力等關鍵結(jié)構(gòu)相應的監(jiān)測也十分必要。在對稱懸臂施工過程中，通過對稱測點布置，可在理論數(shù)據(jù)的基礎上進一步通過對稱性綜合判斷結(jié)構(gòu)施工安全。

以大埠河大橋主梁監(jiān)測為例，在橋塔對稱的兩側(cè)0#塊上分別布置對稱的應力監(jiān)測測點，并以其中底板腹板1號測點和頂板腹板5號測點測試結(jié)果為例，各主要施工過程中的應力監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。主梁應變在施工過程中對稱位置的測試結(jié)果保持了良好的對稱性，佐證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和施工的作業(yè)安全。

圖6 大埠河大橋主梁典型應力監(jiān)測結(jié)果

6 合龍和成橋數(shù)據(jù)分析

橋梁建成初始狀態(tài)往往是結(jié)構(gòu)運營的起點，結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)集成已越來越受到建設和養(yǎng)護單位的重視。在連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工合龍完成后，結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)確定，其結(jié)構(gòu)初始數(shù)據(jù)的測試、分析和保存移交已成為一項重要工作。

在眾多測試數(shù)據(jù)中，主梁合龍高程偏差和橋面鋪裝厚度分布的數(shù)據(jù)對大跨度連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋梁至關重要。已有研究表明，鋪裝厚度增大導致的結(jié)構(gòu)恒載增大是導致大跨度連續(xù)梁橋后期梁體下?lián)喜『Φ闹饕蛑?，鋪裝層的厚度分布是后期結(jié)合其他檢測手段評估橋梁結(jié)構(gòu)運營安全的基礎數(shù)據(jù)之一。

以大埠河大橋為例，在主跨完成合龍后，在橋面以縱橋向5m、橫橋向4m為間隔，進行了全橋面的高程檢測，并統(tǒng)計了對應鋪裝層的厚度分布。其中，單幅高程檢測結(jié)果如圖7所示。檢測結(jié)果表明，大埠河大橋主梁高程在橫橋向的分布趨于一致，縱橋向呈現(xiàn)邊跨低、中跨基本與設計高程一致或略高的線型控制結(jié)果。在此控制線型下，中跨不會因為鋪裝超厚而產(chǎn)生下?lián)希瑫r邊跨的鋪裝適當增加，可進一步減少中跨下?lián)系目赡堋?/p>

圖7 合龍線型測試結(jié)果

此外，對邊跨和中跨的鋪裝層厚度進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計直方如圖8所示。統(tǒng)計結(jié)果顯示，兩邊跨的鋪裝層厚度平均值分別為16.2cm、14.5cm，標準差分別為3.7cm、3.5cm；中跨鋪裝層厚度的平均值為9.9cm，標準差為2.1cm。鋪裝層厚度的統(tǒng)計結(jié)果進一步表明，該橋成橋狀態(tài)下中跨線型基本與設計線型一致，且兩邊跨的鋪裝層厚度較中跨大。邊跨超過設計值的鋪裝層導致結(jié)構(gòu)恒載應力增大，可能在后期引起更大的混凝土徐變下?lián)稀?/p>

圖8 鋪裝層厚度統(tǒng)計結(jié)果

在此情況下，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)分析對結(jié)構(gòu)運營養(yǎng)護提出如下建議：(1)邊跨鋪裝厚度較大，中跨厚度與設計相差不大且略偏小，中跨橋面鋪裝的運營質(zhì)量在后期檢查過程宜關注；(2)邊跨的鋪裝厚度大，在運營過程中邊、中跨跨中均應布置橋面高程長期觀測測點，便于后期定期地對主梁的高程進行測試對比，以便及時發(fā)現(xiàn)大跨連續(xù)梁常見的主梁下?lián)蠁栴}。

上述監(jiān)控數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結(jié)果，是結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的重要表征，并為后期養(yǎng)護提供了針對性的建議。

7 結(jié)論

以主跨150m的連續(xù)剛構(gòu)橋為例，分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動下的施工控制技術要點，包括施工控制流程和測試方案，并提出了施工監(jiān)控數(shù)據(jù)深度挖掘利用的內(nèi)容和方法。

(1)高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工，需要重點監(jiān)控主墩施工過程中的垂直度和平面偏位、主梁施工中的線型。同時，施工監(jiān)控測點設計應充分考慮監(jiān)控內(nèi)容的必要性和監(jiān)控數(shù)據(jù)的冗余性。

(2)施工監(jiān)控數(shù)據(jù)本身可利用對稱性或統(tǒng)計原理如“3σ準則”等方法，自動判別異常數(shù)據(jù)。

(3)通過數(shù)據(jù)自身的統(tǒng)計值如均值、最值、方差等指標，可系統(tǒng)科學地表征結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

(4)通過理論計算值、允許誤差、規(guī)范限制、趨勢誤差等指標，可以綜合判斷結(jié)構(gòu)施工的安全。

通過大埠河大橋的工程實踐表明，加強監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以充分利用冗余數(shù)據(jù)提高施工控制的可靠性，進一步提升施工監(jiān)控對施工過程的協(xié)助作用。同時，合龍和成橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果成為結(jié)構(gòu)后期管養(yǎng)的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)。