中承式拱橋施工監(jiān)控技術(shù)分析

■余印根

（福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，福州 350000）

近年來(lái)， 在建橋梁施工過(guò)程中垮塌事故頻發(fā)，如2021 年5 月8 日， 杭紹臺(tái)高速城區(qū)段杭甬運(yùn)河上方在建的杭甬運(yùn)河橋東幅系桿拱橋發(fā)生局部垮塌；2021 年4 月25 日河南宜陽(yáng)靈山在建系桿拱橋發(fā)生局部垮塌；2019 年9 月1 日，安徽省全椒縣江北大道跨襄河大橋在建鋼結(jié)構(gòu)支架垮塌。 為保證施工安全順利進(jìn)行，施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)監(jiān)控受到了工程師的高度重視[1-4]。對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證施工人員及周邊人民的生命財(cái)產(chǎn)安全是非常有必要的[5]。

在橋梁施工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估可優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保橋梁施工的安全與質(zhì)量，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[6]。 同時(shí)，也可節(jié)省工程投資，為提高建造工藝水平提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保證[7-11]。吊桿拱橋施工復(fù)雜且存在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程，為保證施工過(guò)程控制安全準(zhǔn)確，及確保最終成橋線形和受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，施工過(guò)程采取有效的監(jiān)控措施具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[12]。本研究以某中承式拱橋?yàn)閷?duì)象，介紹了該拱橋施工監(jiān)控流程、測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)控存在的重難點(diǎn)等內(nèi)容， 結(jié)合MIDAS/Civil 軟件施工仿真分析結(jié)果，對(duì)比分析了上部結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力和索力監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1 工程概況

本橋?yàn)槿诵芯坝^拱橋， 結(jié)構(gòu)形式為L(zhǎng)p=65 m 中承式混凝土有推力拱橋， 全橋共設(shè)兩榀鋼筋混凝土拱，拱肋截面為“工”字形。 拱肋的理論計(jì)算跨徑為65 m，計(jì)算矢高13 m，矢跨比1/5，理論拱軸線為懸鏈線。 橋面結(jié)構(gòu)采用縱橫梁體系、整體橋面板，以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。 橋梁的總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁總體布置示意圖

橋梁橫向布置：0.7 m（拱肋吊桿區(qū)）+0.25 m（欄桿）+6.0 m（人行道）+0.25 m（欄桿）+0.7 m（拱肋吊桿區(qū)），橋面全寬7.9 m，兩拱肋中心間距7.3 m。

本橋跨越的河床較寬，水位較高且河床地質(zhì)情況較復(fù)雜，現(xiàn)澆支架的支撐系統(tǒng)采用鋼管樁基礎(chǔ)和貝雷片，在上搭設(shè)木排支撐架與模板。 橋面板澆筑完畢后，在橋面板上搭設(shè)扣件式鋼管支撐排架與模板。 施工總體流程見(jiàn)圖2。

圖2 施工流程

2 施工監(jiān)控流程及重難點(diǎn)分析

2.1 施工監(jiān)控流程

在各施工階段中，通過(guò)結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值的差異對(duì)比進(jìn)行影響參數(shù)誤差識(shí)別，并對(duì)未施工部分影響參數(shù)進(jìn)行誤差預(yù)測(cè)，分析誤差對(duì)成橋狀態(tài)的影響并及時(shí)采取有效處理措施[12]。 施工監(jiān)控流程見(jiàn)圖3。

圖3 施工監(jiān)控流程

2.2 施工監(jiān)控的重難點(diǎn)分析

施工控制實(shí)際上是對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行分析、監(jiān)測(cè)、比較和調(diào)整的過(guò)程。 現(xiàn)根據(jù)施工監(jiān)控的基本原理，結(jié)合本橋具體的設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)對(duì)其施工監(jiān)控過(guò)程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.2.1 施工監(jiān)控的理論分析

精細(xì)的理論分析是施工監(jiān)控中的重要環(huán)節(jié)。 結(jié)合本橋的設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)，在理論分析中要突出以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）成橋狀態(tài)的合理確定

施工監(jiān)控一般是進(jìn)行從上部結(jié)構(gòu)施工開(kāi)始至二期恒載施加完畢后的成橋狀態(tài)這一施工全過(guò)程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)控制。 因此需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的理論分析以合理確定本橋在二期恒載施加完畢時(shí)的成橋線型以及成橋內(nèi)力狀態(tài)， 從而確定成橋控制目標(biāo)。成橋驗(yàn)收時(shí)將以成橋線形和成橋內(nèi)力作為標(biāo)準(zhǔn)，并保證本橋的遠(yuǎn)期線型與設(shè)計(jì)值相符。

（2）成橋過(guò)程的理論分析

結(jié)合具體的實(shí)際施工過(guò)程和施工方法，對(duì)成橋過(guò)程中的每一施工階段進(jìn)行分析計(jì)算，得到各工況下橋梁拱肋、縱橫梁的理論變形及應(yīng)力值，從而確定上部結(jié)構(gòu)開(kāi)始施工至二期恒載施加完畢到達(dá)成橋狀態(tài)這一施工全過(guò)程的理論參考軌跡。 分析中將考慮實(shí)際的具體施工方法和施工工藝，如實(shí)際施工荷載的大小和分布、結(jié)構(gòu)及其組成材料的實(shí)際物理力學(xué)特性等，以使分析結(jié)果能更加接近實(shí)際，從而減小設(shè)計(jì)階段因無(wú)法獲知具體的施工方法和施工工藝而導(dǎo)致分析結(jié)果存在的誤差。

2.2.2 施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)測(cè)試

施工數(shù)據(jù)測(cè)試是施工控制得以進(jìn)行的基礎(chǔ)，是施工控制的重要組成部分。 通過(guò)測(cè)試所獲得的各施工階段結(jié)構(gòu)受力、 變形等的實(shí)測(cè)值是施工控制、施工調(diào)整的依據(jù)。 本拱橋施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)測(cè)試方面的重點(diǎn)難點(diǎn)分析如下：

（1）應(yīng)變測(cè)試

本項(xiàng)目主要采用帶溫度測(cè)試功能的鋼弦式應(yīng)變傳感器測(cè)試結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土的應(yīng)變。 雖然鋼弦式應(yīng)變計(jì)比較穩(wěn)定可靠且能獲得測(cè)點(diǎn)處的絕對(duì)應(yīng)變（累積總應(yīng)變）， 但應(yīng)注意傳感器內(nèi)應(yīng)變初始值的讀取時(shí)間。 初值的讀取時(shí)間應(yīng)為混凝土澆注、混凝土水化熱已完成后的某一時(shí)刻。 具體時(shí)間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，且應(yīng)變傳感器埋設(shè)至其初值讀取這一期間應(yīng)使結(jié)構(gòu)體系及其上荷載保持不變。

（2）標(biāo)高測(cè)試

標(biāo)高測(cè)試必須注意水準(zhǔn)基點(diǎn)的可靠設(shè)置和長(zhǎng)期保護(hù)直至運(yùn)營(yíng)階段能繼續(xù)有效使用。 后視點(diǎn)標(biāo)高也必須定期復(fù)核。 此外，標(biāo)高測(cè)試時(shí)應(yīng)采用平行觀測(cè)的方法，即要與多個(gè)單位（施工方、監(jiān)理方）進(jìn)行同步觀測(cè)，并及時(shí)相互比較以保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。

（3）張拉系統(tǒng)的定期標(biāo)定

業(yè)主和監(jiān)理必須督促施工單位對(duì)其所使用的張拉系統(tǒng)進(jìn)行定期標(biāo)定，以確保預(yù)應(yīng)力筋張拉力的準(zhǔn)確可靠。 張拉系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)應(yīng)將整個(gè)張拉系統(tǒng)，包括油泵、千斤頂、壓力表以及油管等同時(shí)連在一起標(biāo)定。

2.2.3 施工過(guò)程控制

（1）參數(shù)測(cè)試與識(shí)別

對(duì)截面剛度、混凝土容重、混凝土強(qiáng)度和彈性模量以及混凝土的收縮徐變系數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行較準(zhǔn)確的測(cè)試與識(shí)別。 方便測(cè)試的參數(shù)盡可能測(cè)試，難以測(cè)試的則采用合理的方法識(shí)別。 根據(jù)測(cè)試和識(shí)別所獲得參數(shù)并結(jié)合具體的施工方法和施工工藝，對(duì)結(jié)構(gòu)展開(kāi)切合實(shí)際的分析，從而能夠獲得更符合實(shí)際的結(jié)構(gòu)理論參考軌跡。

（2）先進(jìn)的控制系統(tǒng)

將采用先進(jìn)的橋梁預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)本橋的施工過(guò)程實(shí)施有效控制，該系統(tǒng)將現(xiàn)代控制理論中的預(yù)測(cè)控制理論應(yīng)用于的橋梁施工控制領(lǐng)域。 通過(guò)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集分析， 對(duì)模型參數(shù)不斷更新修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程發(fā)展變化的預(yù)測(cè)控制，具有較高的精度。

2.3 施工仿真分析簡(jiǎn)介

采用大型空間有限元分析軟件MIDAS/Civil 建立大橋空間模型，對(duì)施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行仿真分析，采用正裝計(jì)算方法確定各施工狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制數(shù)據(jù)。 根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，拱肋、風(fēng)撐、橫梁、主梁均采用空間梁?jiǎn)卧M，橋面采用板單元模擬，拱肋吊桿、系桿采用只受拉桁架單元模擬，全橋共計(jì)節(jié)點(diǎn)986 個(gè)，板單元28個(gè)，梁?jiǎn)卧?22 個(gè)，桁架單元580 個(gè)，桁架單元57 個(gè)。有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4 有限元模型圖

通過(guò)施工過(guò)程模擬分析，可得到橋面縱梁和拱肋標(biāo)高、軸線、控制截面應(yīng)力應(yīng)變等變量在各施工狀態(tài)下以及成橋狀態(tài)下的理論值。 考慮到施工時(shí)拱肋和縱梁的位移變形，在設(shè)計(jì)圖紙所給設(shè)計(jì)標(biāo)高的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到拱肋和縱梁坐標(biāo)變化，得出結(jié)構(gòu)各點(diǎn)預(yù)拱值；由橋梁施工階段的仿真分析得到該橋的理論撓度曲線，由恒載和1/2 活載作用下產(chǎn)生的撓度值反號(hào)即可得到拱肋和縱梁的預(yù)拱度。

3 施工監(jiān)控結(jié)果分析

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

圖5 為根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果及相關(guān)規(guī)范而確定的部分監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖。 由圖5 可知，拱肋線形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)主要是在1L/4、1L/2、3L/4 等位置粘貼專業(yè)測(cè)量反光標(biāo)識(shí)。 模板安裝完成后利用全站儀測(cè)試各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，以此作為后續(xù)測(cè)試的初始值。 在后續(xù)工況下，監(jiān)測(cè)各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)變化反應(yīng)拱肋的空間變形情況。 縱梁則是在4等分點(diǎn)設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

縱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)為每側(cè)縱梁上設(shè)置5 個(gè)應(yīng)變測(cè)試斷面，具體為縱梁端部、L/4、2L/4、3L/4 位置；兩側(cè)端橫梁的跨中截面頂部布置2 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；中橫梁的端部和跨中截面上各布置4 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。 縱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 縱梁應(yīng)變計(jì)安裝示意圖

拱肋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)則為每側(cè)拱肋上設(shè)置5 個(gè)應(yīng)變測(cè)試斷面，具體為兩端拱腳、L/4、L/2 及L3/4 位置，全橋拱肋上共計(jì)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)40 個(gè)。

3.2 拱肋線形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖7 給出了上游側(cè)拱肋位移變化情況。 從圖7可知， 各階段拱肋沉降與理論值發(fā)展趨勢(shì)基本一致，部分階段實(shí)測(cè)沉降略高于理論沉降值，可能與拱肋澆筑程序、模板支架剛度、吊桿張拉順序等因素有關(guān)。 在吊桿張拉、拱肋支架卸落等階段對(duì)沉降進(jìn)行了控制和調(diào)整。 對(duì)比成橋階段各截面的實(shí)測(cè)標(biāo)高和設(shè)計(jì)標(biāo)高，實(shí)測(cè)標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高誤差滿足規(guī)范要求。

圖7 上游側(cè)拱肋位移變化情況

3.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

選取主要施工階段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行對(duì)比。 其中縱梁1/2L 截面左上、右上測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨縱梁澆筑、拱肋澆筑、吊桿安裝、拆除橋下支架等主要施工階段的理論和實(shí)際變化曲線見(jiàn)圖8。從圖8 可知，實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，對(duì)稱截面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力基本對(duì)稱，整個(gè)施工過(guò)程之中無(wú)異常應(yīng)力現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 縱梁L/2 處應(yīng)力發(fā)展曲線

選取拱肋澆筑、吊桿安裝、拆除橋下支架、橋面鋪裝及吊桿索力調(diào)整等主要施工階段與理論值進(jìn)行對(duì)比，上游側(cè)1/2L 處拱肋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨主要施工階段的理論和實(shí)際變化曲線如圖9 所示。 由圖9 可知，截面處測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展變化趨勢(shì)與理論值大致相同，對(duì)稱截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力基本對(duì)稱；同一截面的左上和右上、左下和右下的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力趨勢(shì)基本一致。

圖9 拱肋L/2 處截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展曲線

3.4 索力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)張拉索力，對(duì)吊桿采用“張拉時(shí)以千斤頂油壓表控制為主，索力動(dòng)測(cè)儀監(jiān)測(cè)為輔；張拉完成后以索力動(dòng)測(cè)儀監(jiān)測(cè)為主”的控制方案[13]。圖10 是吊桿張拉完成后各階段吊桿力實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值的對(duì)比。 從圖10 可知，每根吊桿初張拉完成后的實(shí)測(cè)索力與張拉錨固目標(biāo)索力的相對(duì)差值基本在±5%以內(nèi)，即張拉時(shí)錨固索力符合設(shè)計(jì)要求。 上游側(cè)拆除支架后相對(duì)差值最大為21# 吊桿，相對(duì)最大差值為-12.98%，終張拉后相對(duì)差值最大為6# 吊桿，相對(duì)最大差值為11.26%。 吊桿終張拉成橋后，最終實(shí)測(cè)索力與目標(biāo)索力的相對(duì)差值基本在±5%左右，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 上游側(cè)吊桿各個(gè)施工階段中索力值對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

以實(shí)際工程為例，探討中承式拱橋施工監(jiān)控技術(shù)，得到以下結(jié)論：（1）拱肋位移與拱肋澆筑程序、拱肋支架預(yù)壓及吊桿張拉等因素有較大關(guān)系。 拱肋澆筑后位移大于理論值，配合拱架卸落及吊桿二次調(diào)索，拱肋的位移符合預(yù)期要求。 對(duì)比成橋階段各截面的實(shí)測(cè)標(biāo)高和設(shè)計(jì)標(biāo)高，實(shí)測(cè)標(biāo)高滿足規(guī)范要求。 （2）主梁和拱肋各測(cè)試截面實(shí)測(cè)應(yīng)力變化趨勢(shì)與理論值吻合良好，主梁結(jié)構(gòu)受力狀況良好，符合規(guī)范要求。 （3）吊桿索力監(jiān)測(cè)需同時(shí)以張拉時(shí)千斤頂油壓表和索力動(dòng)測(cè)儀2 個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)協(xié)同控制。 各吊桿在各個(gè)施工階段中的實(shí)測(cè)索力變化趨勢(shì)和大小都與理論值吻合良好。 各類吊桿力的實(shí)測(cè)值離散性較小。 最終成橋索力與理論值的相對(duì)差值基本在±5%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。