仙神河大橋的施工監(jiān)控組織與實(shí)施

劉一鳴，孫紅斌

（1.晉城高速公路有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；2.中國(guó)中鐵航空港建設(shè)集團(tuán)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

1 工程概況

仙神河大橋位于晉濟(jì)高速公路后半段接近省界處，是晉濟(jì)高速公路晉城省界段的控制性工程，此橋橋位地形條件復(fù)雜，大橋兩端均連接于隧道口，而兩端隧道口則位于太行山的懸崖絕壁之上。仙神河斜拉橋?yàn)閮煽绺叨摘?dú)塔單索面（雙股）鋼筋混凝土部分斜拉橋，墩高，是目前同類(lèi)橋型中“亞洲第一高墩”；橋全長(zhǎng)，跨徑布置為（引橋），橋總體布置如圖所示。

圖1 仙神河大橋總體布置圖

仙神河大橋?qū)儆诟叨瞻叫崩瓨?，為高次超靜定式結(jié)構(gòu)，此橋的結(jié)構(gòu)恒載力與梁部線性及相關(guān)施工方法聯(lián)系比較密切，通俗來(lái)講就是不同施工方法對(duì)結(jié)構(gòu)線形與內(nèi)力產(chǎn)生不同的結(jié)果。從另一角度來(lái)看，由于仙神河大橋施工中受到了來(lái)自各方面因素的影響，比如混凝土的收縮徐變、施工荷載、材料的彈性模量、自重及溫度等方面的影響，加上在具體的測(cè)量工作中也會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤差，難以保證實(shí)際的測(cè)量值與理論設(shè)計(jì)值相符合，難免會(huì)在二者之間出現(xiàn)偏差。但是這一過(guò)程中需要注意到某些偏差累積的特點(diǎn)，比如橋體中主梁豎向撓度誤差就具有這種性質(zhì)，如果不能合理及時(shí)的對(duì)此偏差進(jìn)行科學(xué)的處理，那么在下一步的施工中，尤其是在主梁的懸臂長(zhǎng)度增長(zhǎng)中會(huì)導(dǎo)致其標(biāo)高偏離理論設(shè)計(jì)值擴(kuò)大的問(wèn)題，從而影響到成橋的線形與內(nèi)力，甚至導(dǎo)致合龍困難的現(xiàn)象。

加上本橋所處地理位置以及高墩的特點(diǎn)，所以對(duì)該橋整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控工作十分必要。

2 施工監(jiān)控、監(jiān)測(cè)的組織工作

2.1 技術(shù)體系

眾所周知，橋梁設(shè)計(jì)、施工和建立與橋梁的具體施工監(jiān)控檢測(cè)是緊密聯(lián)系的。而且根據(jù)信息論的相關(guān)觀點(diǎn)來(lái)看，橋梁施工中的監(jiān)控檢測(cè)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)信息采集、分析處理和反饋的一個(gè)過(guò)程。通過(guò)對(duì)施工進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控監(jiān)測(cè)，能夠有效獲取橋梁具體的施工過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)橋梁施工當(dāng)中相關(guān)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，可以對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)的分析，特別是對(duì)于橋梁施工中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)有著良好的效果，例如通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)形變、內(nèi)應(yīng)力、索力等方面的分析，可以準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)施工誤差，在此基礎(chǔ)上充分結(jié)合橋梁施工環(huán)境和情況，能夠科學(xué)合理的制定出誤差調(diào)整及精度控制的有效措施。并在具體的監(jiān)控監(jiān)測(cè)過(guò)程中用指令的形式為橋梁的施工提供一些有效的信息。

2.2 組織體系

在充分考察了仙神河橋梁的實(shí)際施工情況后，并結(jié)合其施工過(guò)程中的相關(guān)監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)內(nèi)容設(shè)立了“仙神河大橋施工監(jiān)控、監(jiān)測(cè)領(lǐng)導(dǎo)小組”。這個(gè)小組主要是由橋梁的施工單位、建設(shè)單位、監(jiān)理方和監(jiān)控單位構(gòu)成的，其主要負(fù)責(zé)仙神河大橋施工中的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和具體的協(xié)調(diào)任務(wù)。不僅如此，領(lǐng)導(dǎo)小組還成立了工作小組來(lái)負(fù)責(zé)橋梁的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)任務(wù)，工作小組都是參與大橋施工建設(shè)且具有施工監(jiān)控、監(jiān)測(cè)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員。仙神和大橋施工監(jiān)控、監(jiān)測(cè)工作組的具體組成見(jiàn)圖2說(shuō)明。

圖2 施工監(jiān)控、監(jiān)測(cè)工作組的組織體系

3 施工監(jiān)控計(jì)算

3.1 監(jiān)控計(jì)算分析方法

仙神河大橋的施工控制分析應(yīng)使用正裝迭代方法反復(fù)的進(jìn)行迭代計(jì)算，直到所計(jì)算的成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)相一致。結(jié)構(gòu)總體分析應(yīng)采用非線性理論進(jìn)行計(jì)算。其中需要注意的是掛籃應(yīng)當(dāng)做一個(gè)結(jié)構(gòu)單元來(lái)拆裝并加以計(jì)算。在施工過(guò)程當(dāng)中應(yīng)嚴(yán)格的按照施工循環(huán)周期分階段進(jìn)行，一般每個(gè)階段以四個(gè)工況為宜，分別是空掛籃就位、節(jié)段混凝土澆筑完成、預(yù)應(yīng)力鋼筋和斜拉索的張拉施工。

3.2 結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析

在充分結(jié)合仙神河大橋施工方案和流程的基礎(chǔ)上，劃分出施工階段121個(gè)。并利用專(zhuān)業(yè)的橋梁計(jì)算程序BSAS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，本次計(jì)算共劃分節(jié)點(diǎn)109個(gè)，單元131個(gè)，其中單元1－74為梁?jiǎn)卧?，單?5－90為橋塔單元，單元91－112為斜拉索單元，單元113－125為橋墩墩身單元，單元126－131為模擬的樁基礎(chǔ)單元。需要注意的是，在張拉斜拉索的過(guò)程中必須要保證施工過(guò)程的安全和橋梁結(jié)構(gòu)安全，在這一環(huán)節(jié)得到保障的原則下方可利用迭代優(yōu)化等方法加以確定。單元離散圖具體見(jiàn)圖3。

圖3 仙神河大橋結(jié)構(gòu)離散圖

4 施工監(jiān)測(cè)實(shí)施

4.1 索力測(cè)試

對(duì)于索力的測(cè)試可以通過(guò)頻率震動(dòng)法和千斤頂油壓表兩種方法機(jī)械牛，但是采用千斤頂油壓表示一定要利用精準(zhǔn)的壓力表來(lái)加以標(biāo)定，從而得出張拉力與壓力表液壓之間的關(guān)系，這種方法的精度可以達(dá)到1%－2%左右。而頻率震動(dòng)法則主要是根據(jù)拉索索力與震動(dòng)頻率之間的相關(guān)關(guān)系得到較為可信的測(cè)試結(jié)果，但是利用此法一定要選擇好時(shí)間，以下拉索張拉完畢為宜。

在具體的施工監(jiān)測(cè)過(guò)程中嚴(yán)格按照以下四個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)控制索力：

①每根斜拉索中各鋼絞線的離散誤差要控制在理論值3%左右。

②斜拉索的理論值同實(shí)測(cè)值的誤差應(yīng)該控制在2%左右。

③每一對(duì)斜拉索的索力值應(yīng)該控制在理論值的1%之內(nèi)。

④ 按照矮塔斜拉橋的設(shè)計(jì)原則，當(dāng)索力張拉完畢之后不應(yīng)再次調(diào)整，從而防止結(jié)構(gòu)線形與應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生異常現(xiàn)象。

4.2 線形測(cè)量

在線形測(cè)量環(huán)節(jié)中，對(duì)于主梁現(xiàn)行的測(cè)量應(yīng)該使用精密的水準(zhǔn)儀來(lái)進(jìn)行，在此過(guò)程中必須要在橋縱向從懸臂端往塔根部方向?qū)θ齻€(gè)主梁的節(jié)段斷面標(biāo)高進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，并在所測(cè)量的斷面上設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。之后再每一個(gè)階段中測(cè)試其標(biāo)高，但是測(cè)量時(shí)間一定要選好，一般在溫度變化最小的時(shí)候進(jìn)行，以凌晨為宜。

4.3 主梁應(yīng)力、索塔應(yīng)力測(cè)試

測(cè)試方法采用鋼弦式應(yīng)變計(jì)。主梁測(cè)試截面位于塔根部附近的0號(hào)塊內(nèi)及1／4跨徑、跨中的地方。索塔測(cè)試的一個(gè)截面位于其根部。關(guān)于測(cè)點(diǎn)的布設(shè)見(jiàn)圖4。另外，對(duì)于測(cè)試的時(shí)間應(yīng)一輛選擇在混凝土澆筑完畢、斜拉索和鋼絞線張拉完畢之后。

5 施工控制的實(shí)施

5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的識(shí)別及誤差消除

1）參數(shù)識(shí)別

考慮到實(shí)際的實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定的誤差，加上計(jì)算模型設(shè)計(jì)和選區(qū)中存在較小的誤差，因此要想得到更加精確的測(cè)算結(jié)果，必須要對(duì)計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)加以參數(shù)識(shí)別。具體的操作中可以通過(guò)最小二乘法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）誤差判斷

提高參數(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確性，提供科學(xué)的參考信息，可以采用以下六種方法來(lái)進(jìn)行誤差的判斷：

結(jié)合斜拉索張拉前后的主梁標(biāo)高變化情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度的計(jì)算，并對(duì)混凝土的彈性模量加以反算。

根據(jù)混凝土澆筑時(shí)的索力和主梁標(biāo)高變化來(lái)進(jìn)行混凝土重量的判斷。

結(jié)合實(shí)測(cè)定位標(biāo)高、實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算標(biāo)高的差值可以進(jìn)行掛籃定位誤差的判斷。

受到溫度影響的情況下，可以通過(guò)全天候監(jiān)測(cè)索力和主梁標(biāo)高的變化情況對(duì)溫度影響進(jìn)行判斷。

反復(fù)進(jìn)行測(cè)量工作，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的變化和變化趨勢(shì)可以對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行較為準(zhǔn)確的判斷。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力束張拉力誤差的判斷可以利用鋼絞線伸長(zhǎng)及油表度數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行判斷。

5.2 施工控制原則

由于仙神河大橋主梁的結(jié)構(gòu)剛度較大，屬于預(yù)應(yīng)力混凝土單箱三室箱梁結(jié)構(gòu)，因此即使斜拉索索力初夏你叫大的變化，幾乎不會(huì)引起梁體撓度的變化，但是為了保證主梁結(jié)構(gòu)的安全，保障線形的平滑、合理，因此在具體的施工過(guò)程當(dāng)中必須要把控制主梁標(biāo)高作為重點(diǎn)，同時(shí)也要注意控制索力，確保主梁彎矩在合理范圍內(nèi)。但是，在對(duì)拉索索力的調(diào)整當(dāng)中必須把控制索力作為主要環(huán)節(jié)，并在此過(guò)程中要嚴(yán)格控制主塔彎矩和主梁的應(yīng)力水平，從而確保成橋內(nèi)力狀態(tài)達(dá)到合理效果。

6 施工控制成果及結(jié)論

（1）仙神河大橋主梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)結(jié)果充分的證明了其結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布符合施工控制理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論所測(cè)算出的結(jié)果，而且整個(gè)大橋各個(gè)斷面所測(cè)量得出的應(yīng)力平均值與理論值相符，主梁最大壓應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果為19．23 MPa，基本沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。

（2）索力的測(cè)量結(jié)果基本符合理論計(jì)算結(jié)果，張拉力的控制和索力的均勻性都嚴(yán)格的控制在了誤差范圍之內(nèi)。

（3）本橋梁的實(shí)測(cè)線形狀與設(shè)計(jì)線形目標(biāo)值差異不大，而且所有梁段的實(shí)測(cè)標(biāo)高通理論計(jì)算值偏差不超過(guò)2公分，這從某種程度上也說(shuō)明了橋梁施工控制取得了成效，同時(shí)也表明了以標(biāo)高控制為主、索力控制二者兼顧的方法是有效的。

總而言之，不論是從成橋之后的實(shí)測(cè)線形來(lái)看，還是從索力、應(yīng)力的角度來(lái)看，仙神河大橋的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且符合現(xiàn)相關(guān)規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，從整體看來(lái)，整個(gè)橋梁的受力狀態(tài)十分合理。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)仙神河大橋應(yīng)力、變形、索力等測(cè)試結(jié)果和有限元理論計(jì)算結(jié)果的分析，可以看出：實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值有很好的吻合性，橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況處于彈性范圍，強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，橋梁工作性能良好。自適應(yīng)控制方法在高墩矮塔斜拉橋的應(yīng)用是成功的。

1.唐玨向，王建民等.千島湖大橋的施工監(jiān)控與組織管理，浙江交通科技，2007（1）

2.何祖發(fā).七塔部分斜拉橋的施工監(jiān)控，世界橋梁，2008