淺析橋梁施工及運(yùn)營中的監(jiān)測與控制

李群紅（駐馬店市宇暢路橋養(yǎng)護(hù)工程有限公司，河南駐馬店　463000）

淺析橋梁施工及運(yùn)營中的監(jiān)測與控制

李群紅
（駐馬店市宇暢路橋養(yǎng)護(hù)工程有限公司，河南駐馬店463000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對于交通依賴程度不斷加大，特別是處于交通工程中的橋梁，地位尤其突出，不論是處于施工中的橋梁還是運(yùn)營使用當(dāng)中的橋梁，其安全性和其它技術(shù)指標(biāo)，直接關(guān)系到國家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以建立一套行之有效的、具有相當(dāng)科技含量的貫穿橋梁施工階段、運(yùn)營管理階段的監(jiān)測和控制方法和手段，就顯得尤為重要，下面筆者就淺談一下橋梁在施工、運(yùn)營當(dāng)中的監(jiān)測與控制的方法及手段。

橋梁施工運(yùn)營監(jiān)測控制

1　橋梁監(jiān)測

橋梁監(jiān)測是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為橋梁在特殊氣候交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控：橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài)；橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如支座）和附屬設(shè)施（如振動(dòng)控制元件）的工作狀態(tài)；結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；橋梁所處環(huán)境條件等。

1.1監(jiān)測范圍

（1）敏感部位監(jiān)測。一般只在橋梁內(nèi)力、應(yīng)變、位移變化和裂紋產(chǎn)生對橋梁影響至關(guān)重要的（敏感）部位進(jìn)行監(jiān)測。（2）總體監(jiān)測。特大橋梁構(gòu)造復(fù)雜，難以做到地毯式人工監(jiān)測。鑒于特大橋梁的重要性，需要適時(shí)地得到橋梁正常工作的總體狀況，通過對可能取得的橋梁工作參數(shù)，采用不同的方法進(jìn)行“識(shí)別”找到橋梁異常的一個(gè)或幾個(gè)可能部位，再由配備檢測設(shè)備的專業(yè)人員到可能異常部位檢測。

1.2監(jiān)測方式

（1）人工監(jiān)測：配備簡單的儀器，用人工作地毯式監(jiān)測，用模糊分級(jí)描述橋梁狀況，一般可作為定期監(jiān)測、突發(fā)性事件后的特別監(jiān)測。（2）自動(dòng)檢測：用固定在橋梁上的專用設(shè)備，實(shí)際地監(jiān)測橋梁的工作參數(shù)，由專用設(shè)備和軟件對工作參數(shù)進(jìn)行識(shí)別加工，得到能反映橋梁工作狀態(tài)的狀態(tài)信息。再用特定的方法分析這些信息并與橋梁的健康檔案相比較，給出橋梁的健康狀況或損傷狀況。一般適用于特大的或重要的橋梁在線監(jiān)測，這種方法自動(dòng)化程度高，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)與發(fā)展方向；但是難度大，目前使用尚少。（3）聯(lián)合監(jiān)測：考慮到前兩種方法的實(shí)際情況，用各種小型的自動(dòng)化程度較高的儀器，配合人工監(jiān)測，是一個(gè)比較可行的方案。

1.3監(jiān)測的狀態(tài)

（1）靜態(tài)：監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的靜態(tài)幾何和力學(xué)參數(shù)，用以分析橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。靜態(tài)監(jiān)測比較困難，一般都是加載檢測。但是靜態(tài)參數(shù)比較直觀地反映了橋梁的工作狀態(tài)。（2）動(dòng)態(tài)：監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)幾何和力學(xué)參數(shù)，用以分析橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測適用于運(yùn)營監(jiān)測。

1.4常規(guī)監(jiān)測的工作參數(shù)及橋梁監(jiān)測系統(tǒng)與手段

（1）常規(guī)監(jiān)測的工作參數(shù)；位移，包括絕對位移和相對位移，靜位移和動(dòng)位移；變形，如靜態(tài)撓度、靜態(tài)應(yīng)變等；力，如索的張拉力；動(dòng)力參數(shù)，如速度、加速度、可轉(zhuǎn)換成頻率、振動(dòng)，再轉(zhuǎn)換成張力、位移；外觀和完整率，如氣蝕、磨損、裂縫、剝落；物理化學(xué)現(xiàn)象，如混凝土堿集料反應(yīng)、混凝土中性化（碳化、酸雨、氯蝕）、鋼材銹蝕；環(huán)境，如風(fēng)速（向）、空氣（或橋體）溫度、地震、交通量（和荷載）。（2）橋梁監(jiān)測系統(tǒng)與手段；橋梁監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器（包括傾角傳感器、加速傳感器、溫度傳感器、應(yīng)力傳感器、拉力傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、濕度傳感器等）、信號(hào)調(diào)理模塊、傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、健康監(jiān)測模型、預(yù)警模塊等組成。主要儀器包括位移（量程）計(jì)、傾斜儀、（高程、方位、距離）測量設(shè)備、GPS、數(shù)字成像機(jī)；位移傳感器、電阻應(yīng)變儀、壓電式應(yīng)變儀、振弦應(yīng)變儀、分布式光纖應(yīng)變計(jì)；壓力環(huán)、磁彈性張力計(jì)、油壓計(jì)、剪力銷等；速度計(jì)、伺服（或壓電）加速度計(jì)算；刻度放大鏡、數(shù)字成像機(jī)、超聲探測儀、地面雷達(dá)等；化學(xué)試劑試驗(yàn)、由外觀特征判斷、鋼筋銹蝕儀；風(fēng)向（速）計(jì)、空氣（或埋入式）溫度計(jì)、當(dāng)?shù)氐牡卣鹩^測數(shù)據(jù)、交通量觀測儀、埋入（或移動(dòng)）式稱重儀、攝像機(jī)等。

首先各種傳感器采集橋梁運(yùn)行過程中的各種形態(tài)變化，經(jīng)過信號(hào)調(diào)整后，通過傳輸模塊傳輸回總控制監(jiān)測室，總控中心有大型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對橋梁總體的各種信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的信息記錄并由健康監(jiān)測模型分析，當(dāng)橋梁變形超差振動(dòng)超差位移超差應(yīng)力超差時(shí)，啟動(dòng)預(yù)警模塊，為橋梁維護(hù)人員提供維修維護(hù)信息，避免橋梁因在非健康狀態(tài)下使用而導(dǎo)致垮塌等引起的財(cái)產(chǎn)損失。

2　橋梁施工控制

橋梁施工控制技術(shù)，就是把現(xiàn)代控制理論應(yīng)用在橋梁施工工程中，確保施工過程中，橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形一直處于允許的安全范圍內(nèi)，確保最終的實(shí)際橋梁變形和內(nèi)力符合設(shè)計(jì)理想的變形控制、應(yīng)力控制、穩(wěn)定控制的綜合體現(xiàn)。

2.1橋梁施工控制方法

橋梁施工控制方法可分為事后控制法、預(yù)測控制法、自適應(yīng)控制法和最大寬容度控制法幾種。

（1）事后控制法是指在施工中，當(dāng)已成結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求不符時(shí)，可通過一定手段對其進(jìn)行調(diào)整，使之達(dá)到要求，這種方法現(xiàn)在已應(yīng)用不多。（2）預(yù)測控制法是在考慮施工方案和影響橋梁狀態(tài)的諸多因素而確定橋梁的應(yīng)變和應(yīng)力的理想狀態(tài)后邊（稱控制理想狀態(tài)），針對施工過程中，由于實(shí)際情況和假定諸因素之間不一致而產(chǎn)生誤差（這些誤差值由監(jiān)測測試系統(tǒng)反饋后），在調(diào)試系統(tǒng)中進(jìn)行修正，再給定下一步的數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)的每一個(gè)施工階段形成的前后的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，使施工實(shí)際沿著預(yù)定的理想狀態(tài)進(jìn)行的控制方法。這種方法是采取糾偏終點(diǎn)控制方法，即在施工過程中，對產(chǎn)生主梁線性偏差的因素跟蹤控制，隨時(shí)糾偏，最終達(dá)到理想線形，這種方法常用卡爾曼（Kalman）濾波法和灰色理論等。（3）自適應(yīng)控制法也稱為參數(shù)識(shí)別修正法，是指在控制開始時(shí)，控制系統(tǒng)的某些設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際情況不完全相符，系統(tǒng)不能按設(shè)計(jì)要求得到符合實(shí)際的輸出結(jié)果，但是在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，通過系統(tǒng)識(shí)別或參數(shù)估算，不斷修正參數(shù)，使設(shè)計(jì)輸出與實(shí)際輸出相符，從而得到控制。這種方法是應(yīng)用現(xiàn)代控制理論中的自適應(yīng)控制法，即對施工過程中的標(biāo)高和內(nèi)力的實(shí)測值與預(yù)計(jì)值（設(shè)計(jì)值）產(chǎn)生偏差的原因，從而對參數(shù)進(jìn)行修正，達(dá)到雙控目的。（4）最大寬容度控制法是是誤差的容許值法，即在設(shè)計(jì)時(shí)給予主梁標(biāo)高和內(nèi)力最大的寬容度，這種方法減少了控制的難度。

2.2各種橋梁的施工控制特點(diǎn)施工控制最基本的要求是保證施工中安全和結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力及結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計(jì)要求。由于橋梁結(jié)構(gòu)形式和施工方法有許多種，對于具體某一座橋梁的施工控制又有它的側(cè)重點(diǎn)。

（1）斜拉橋施工時(shí)，在主梁懸臂澆筑或懸臂拼裝過程中，確保主梁線形和順，正確是第一位的，施工中以標(biāo)高控制為主。所謂以標(biāo)高控制為主，并非只控制主梁的標(biāo)高，而不顧拉索索力的偏差。施工中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特性和施工方法的不同，采取相應(yīng)的控制策略。若主梁剛度較小，斜拉索索力變化了很多，而懸臂端撓度的變化卻非常有限，施工中應(yīng)以拉索張拉噸位進(jìn)行控制，然后根據(jù)標(biāo)高的實(shí)測情況，對索力作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。此時(shí)標(biāo)高、線形的控制主要是通過混凝土澆筑前底模標(biāo)高的調(diào)整（懸臂澆筑方法）或預(yù)制塊件接縫轉(zhuǎn)角的調(diào)整（懸臂澆筑方法）來加以實(shí)現(xiàn)的。（2）懸索橋的主要承重結(jié)構(gòu)是主索，主索在施工中又是懸索吊裝的主要承重結(jié)構(gòu)，主索一經(jīng)架好，它的長度和線形調(diào)整很小，為了確保懸索內(nèi)力和線形符合設(shè)計(jì)要求，主索的無應(yīng)力長度（下料時(shí)的長度）要嚴(yán)格加以控制，尤其對基準(zhǔn)束的尺寸要更加重視。對于加勁梁的拼裝，為了保證符合設(shè)計(jì)線形，吊桿的下料長度（無應(yīng)力長度）將又是一個(gè)控制重點(diǎn)。為了使在無應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)各部分的尺寸準(zhǔn)確無誤，故要有一個(gè)符合結(jié)構(gòu)實(shí)際的計(jì)算程序。在施工過程中除了主索和加勁梁外，對橋塔受力、索鞍偏移、吊桿和主索索股受力均勻性等應(yīng)嚴(yán)加跟蹤控制，以保證應(yīng)力和線形的雙控制實(shí)現(xiàn)。（3）大跨度混凝土拱橋同樣按安全、線形和恒載內(nèi)力的要求進(jìn)行施工控制。由于大跨度混凝土拱橋拱肋截面多采用底板、側(cè)板、頂板分次澆筑完成的組合截面，必然造成結(jié)構(gòu)撓度和內(nèi)力的重分布，為了確保拱肋應(yīng)力和變形符合設(shè)計(jì)要求，要嚴(yán)格進(jìn)行雙控，但拱肋的形成一般要靠勁性骨架進(jìn)行澆筑，其拱肋各段是在工廠放樣加工制作的（無應(yīng)力長度），骨架一經(jīng)和龍，今后無法進(jìn)行大的調(diào)整，所以大跨度混凝土拱橋的施工控制，首先要把好骨架無應(yīng)力長度控制這一關(guān)，然后，做好拱肋混凝土澆筑的跟蹤施工、控制，確保拱肋應(yīng)力和標(biāo)高符合要求。（4）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)相對斜拉橋而言，沒有斜拉索，其施工控制與斜拉橋主梁相同。 凡是以懸臂澆筑或懸臂拼裝施工的橋梁，都是逐節(jié)段向前推進(jìn)的，施工控制中常采用逐節(jié)段跟蹤控制的方法。

3　結(jié)語

綜上所述，不論是處于施工中的橋梁還是運(yùn)營使用當(dāng)中的橋梁，一定要控制好其安全性和其技術(shù)指標(biāo)，并在橋梁施工階段、運(yùn)營管理階段運(yùn)用好監(jiān)測和控制方法和手段，更好的為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

［1］任君震.淺談城市道路工程的質(zhì)量監(jiān)理［J］.技術(shù)和市場，2011.

［2］楊寒莉.城市道路施工質(zhì)量控制和主要質(zhì)量的防治［J］.太原科技，2012.

李群紅（1978—），男，駐馬店人，畢業(yè)于武漢大學(xué)，工程師，目前主要從事公路、市政工程施工工作。