橋梁施工監(jiān)控的必要性和目的

葛海燕

(黑龍江省水利四處工程有限責(zé)任公司，黑龍江牡丹江157000)

1 工程概況

郁江主橋跨度布置為:(36+96+228+96+36)m，全長492 m。本橋為雙索面斜拉鋼桁連續(xù)梁橋，主梁為下承式鋼桁梁，斜拉索采用平行鋼束體系，錨固于主桁上弦節(jié)點，全橋為半漂浮體系，281～286號墩頂設(shè)有豎向支座，主塔與主梁間采用縱向阻尼約束體系，設(shè)置縱向阻尼器。斜拉橋主梁為鋼桁梁，三角形桁架，兩片主桁，桁間距15 m，桁高14 m，節(jié)間長度12 m。下弦平面采用正交異性鋼板的整體道碴橋面結(jié)構(gòu)，鋼橋面板與帶整體節(jié)點的主桁下弦桿通長連接，共同承受主桁內(nèi)力。主塔塔高為102.5 m，其中桁梁以上塔高49.5 m，桁梁以下塔高40 m，采用 C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每邊設(shè)置8對拉索，主塔基礎(chǔ)為20根Φ2.5 m的鉆孔樁，283#、284#主墩位于河水中。

2 施工監(jiān)控的必要性

橋梁施工監(jiān)控不僅是橋梁施工技術(shù)的重要組成部分，也是確保橋梁施工宏觀質(zhì)量控制的關(guān)鍵及橋梁建設(shè)的安全保證，它在施工過程中起著安全預(yù)警、施工指導(dǎo)以及優(yōu)化施工方案的作用。

橋梁在施工(安裝)過程中結(jié)構(gòu)體系將隨施工階段不同而變化，現(xiàn)場施工荷載狀況、外界環(huán)境條件也是不斷變化的，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也隨之發(fā)生變化。而結(jié)構(gòu)的實際內(nèi)力值與設(shè)計的理論內(nèi)力值之間及結(jié)構(gòu)的實際變位值與設(shè)計變位值也存在差異，使得實際橋梁在施工過程中的每一狀態(tài)不可能與設(shè)計狀態(tài)完全一致，造成實際狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)不一致的主要因素有:

1)設(shè)計時設(shè)計參數(shù)的取值不可能與實際結(jié)構(gòu)一致，比如結(jié)構(gòu)自重、截面尺寸、混凝土彈性模量、施工荷載、索力和預(yù)應(yīng)力等均是具有隨機性的幾何和物理常數(shù)，與設(shè)計值相比將或多或少地有所變化;

2)環(huán)境因素諸如溫度、濕度的影響;

3)施工誤差的影響;

4)結(jié)構(gòu)計算模型簡化和計算誤差的影響;

5)量測誤差的影響。

上述這些因素的影響在設(shè)計階段一般沒有也無法完全考慮和計及，只有在施工過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際反應(yīng)予以考慮，并需要在施工過程中對內(nèi)力及變位進行監(jiān)測監(jiān)控，及時掌握結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)，對施工步驟及控制條件作出調(diào)整，防止施工中的誤差積累，保證成橋線形與結(jié)構(gòu)安全。若不在施工過程中實施有效的控制，就有可能由于誤差的積累致使成橋后結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)及線形嚴(yán)重偏離設(shè)計目標(biāo)而影響結(jié)構(gòu)的可靠性。因此，開展本項目的工作將具有重要的意義。

斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點位置的變化都會使施工線形偏離設(shè)計值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分配，使成橋內(nèi)力偏離設(shè)計值。鋼桁梁、索塔和拉索之間剛度相差十分懸殊，受拉索垂度、溫度變化、風(fēng)力、日照的影響、施工臨時荷載等復(fù)雜因素干擾，使力與變形關(guān)系變得十分復(fù)雜，施工中雖可以采用多種計算方法，算出各施工階段或步驟的索力和相應(yīng)的梁體變形，但根據(jù)理論計算所給出的索力、線形指導(dǎo)施工時，構(gòu)的實際變形卻未必能達到預(yù)期效果。斜拉橋在施工中表現(xiàn)出來的這種理論與實際的偏差具有累積性，如不及時加以有效控制和調(diào)整，隨著鋼桁梁懸臂施工長度增加，鋼桁梁標(biāo)高最終會顯著偏離設(shè)計目標(biāo)，造成合龍困難，影響成橋的內(nèi)力和線形。

本項目將以南廣高鐵郁江雙線特大橋為控制對象，對其施工過程中結(jié)構(gòu)的受力和變形進行有效的監(jiān)測和控制，通過施工過程的數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化控制，從而為該橋的成功、順利修建提供卓有成效的技術(shù)支持，為該橋的順利投入運營和長期監(jiān)控提供可靠的依據(jù)。

2.2 施工監(jiān)控的目的

通過施工現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)測試，跟蹤計算分析及成橋狀態(tài)預(yù)測，得出合理的反饋控制措施，為施工過程決策提供技術(shù)依據(jù)，也為結(jié)構(gòu)行為控制提供理論數(shù)據(jù)。

1)確保大橋施工過程結(jié)構(gòu)的安全，實現(xiàn)鋼桁梁高精度合龍。驗證施工工序的可行性，在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上為施工提供更為方便、經(jīng)濟的施工方法。

2)使成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力盡量逼近最優(yōu)狀態(tài)。

3)使成橋線形盡量逼近設(shè)計線形。

2.3 施工監(jiān)控理念

郁江雙線特大橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，是由塔、梁、索三者共同組成的一個平衡體系，任何一方面狀態(tài)的改變都會影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配和主梁線形的變化，且施工中的每個工況的結(jié)構(gòu)體系及荷載條件都不盡相同，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形也隨之不斷變化。同時由于橋梁結(jié)構(gòu)的實際參數(shù)(如材料屬性等)與設(shè)計值存在一些差異，加上現(xiàn)場施工荷載及環(huán)境變化的不確定性，將會使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和線形偏離設(shè)計值，這種偏離不僅影響橋梁的合龍，還會危及施工過程中結(jié)構(gòu)的安全。

對于郁江雙線特大橋這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大跨度鋼桁梁斜拉橋，要實現(xiàn)施工控制的目標(biāo)，必須實施行之有效的測試手段和控制方法。在該橋的施工控制中我們將采用先進的測試元件與儀器，以保證儀器本身的測試精度，并科學(xué)合理的選擇測試時間與測試頻率，以減少或分離日照和氣溫對現(xiàn)場測試與控制的影響，同時采用控制系統(tǒng)進行參數(shù)估計，并進行施工穩(wěn)定性評價，使模擬的計算過程逐漸適應(yīng)該橋的施工狀態(tài)。通過采取以上測試與控制手段，為施工控制目標(biāo)的實現(xiàn)提供了強有力的保障。

在郁江雙線特大橋施工過程中，橋梁的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)必然會存在一定的偏差。施工中結(jié)構(gòu)偏離目標(biāo)的原因涉及的范圍極其廣泛，包括設(shè)計參數(shù)誤差(如材料特性、截面特性、主塔混凝土徐變系數(shù)等)、施工誤差(如制造誤差、索力張拉誤差等)、測量誤差、結(jié)構(gòu)分析模型誤差等。為了分析并減小這些誤差，需要運用現(xiàn)代控制理論，把橋梁施工全過程看作為一個復(fù)雜的動態(tài)過程，根據(jù)結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)、現(xiàn)場實測狀態(tài)和誤差信息狀況進行誤差分析，并制定可調(diào)變量的最佳調(diào)整方案，指導(dǎo)施工現(xiàn)場調(diào)整作業(yè)，使結(jié)構(gòu)施工的實際狀態(tài)趨于預(yù)定理想狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，可根據(jù)當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行正裝計算，預(yù)告今后施工可能出現(xiàn)的應(yīng)力和變形狀態(tài)及提供下一階段的施工控制參數(shù)(索力、線形值等)。這就是施工控制的兩大任務(wù):即結(jié)構(gòu)的前期預(yù)報和后期調(diào)整。由于每步施工都會引入新的誤差，因此前期預(yù)報與后期調(diào)整是一個不斷循環(huán)前進和消除內(nèi)力和線形偏差的過程。

針對郁江雙線特大橋的結(jié)構(gòu)及施工特點，我們采用的控制理念將會融合自適應(yīng)控制和預(yù)測控制優(yōu)點，以使施工偏差最小為目標(biāo)。根據(jù)施工全過程中實際發(fā)生的各項影響橋梁應(yīng)力、變形和索力的參數(shù)，結(jié)合施工過程中測得的各階段索力、應(yīng)力與變形數(shù)據(jù)，及時分析各施工階段中實測值與設(shè)計預(yù)測值的差異并找出原因，提出修正對策，以協(xié)助施工單位安全、優(yōu)質(zhì)、高效地進行施工，并確保在全橋建成以后橋梁的內(nèi)力狀態(tài)、線形狀態(tài)與設(shè)計盡量相符。

［1］中南大學(xué)土木工程檢測中心.南廣高鐵郁江雙線特大橋施工監(jiān)控方案［R］.長沙:中南大學(xué)土木工程檢測中心，2009.