鋼管混凝土勁性骨架拱橋施工安全監(jiān)控

鄧中偉

（中鐵十六局第二工程有限公司，天津市 300162）

1 概述

施工控制的目的是保障橋梁施工順利，確保成橋后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線(xiàn)形與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)相一致，其誤差控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。是對(duì)施工過(guò)程中的各重點(diǎn)階段及過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，保證橋梁順利施工，且在施工過(guò)程中利用各種測(cè)試手段（應(yīng)力、應(yīng)變、三維坐標(biāo)等）獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的數(shù)據(jù)，并對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出各施工階段的線(xiàn)形及內(nèi)力控制數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)和控制施工，防止施工中的誤差積累，保證成橋后的線(xiàn)形及內(nèi)力處于安全合理的范圍內(nèi)。施工監(jiān)控的任務(wù)是：在施工中應(yīng)用大跨度橋梁的控制理論方法，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的主拱圈在各階段（勁性骨架安裝、管內(nèi)混凝土灌注、外包混凝土澆筑、拱上墩柱施工、箱梁架設(shè)等）的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)，考慮溫度影響，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將分析結(jié)果及時(shí)反饋到施工過(guò)程中，從而保證橋梁的施工安全及施工質(zhì)量[1]。

2 監(jiān)測(cè)工作內(nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)校核

在控制工作開(kāi)展初期，按照設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方法，對(duì)橋梁進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。這些計(jì)算工作主要包括：在空鋼管節(jié)段吊裝、合龍、松扣各施工階段，鋼管桁構(gòu)的應(yīng)力（內(nèi)力）、撓度及安裝高程計(jì)算；在灌注管內(nèi)混凝土各施工階段，鋼管桁構(gòu)的應(yīng)力（內(nèi)力）、撓度及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計(jì)算；在施工立柱、橋面系等各階段，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、撓度計(jì)算；在空鋼管桁構(gòu)合龍前（最大懸臂狀態(tài)），其在橫向風(fēng)力影響下的面內(nèi)外穩(wěn)定安全性分析。在上述計(jì)算分析中，需考慮溫度的影響。

在驗(yàn)算方法上，當(dāng)鋼管內(nèi)混凝土達(dá)到強(qiáng)度前，應(yīng)按應(yīng)力疊加法計(jì)算鋼管桁構(gòu)的應(yīng)力和穩(wěn)定性；當(dāng)鋼管內(nèi)混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，擬按內(nèi)力疊加法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的參數(shù)

2.2.1 材料的物理力學(xué)性能參數(shù)

對(duì)理論計(jì)算影響較大的材料力學(xué)性能指標(biāo)主要有混凝土的實(shí)際容重、混凝土的實(shí)際強(qiáng)度、混凝土的彈性模量等[2]。

（1）混凝土的實(shí)際容重。由于拱圈混凝土另行選擇材料，混凝土容重與其他標(biāo)號(hào)混凝土?xí)忻黠@差異，故對(duì)拱圈混凝土的容重由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)。

（2）混凝土的實(shí)際強(qiáng)度。計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（3）混凝土的彈性模量。在單向壓縮（有側(cè)向變形）條件下，壓縮應(yīng)力與應(yīng)變之比。由于現(xiàn)場(chǎng)施工差異，每次試驗(yàn)取樣時(shí)多做幾組試件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土彈性模量進(jìn)行測(cè)試，統(tǒng)計(jì)后作為現(xiàn)場(chǎng)彈性模量的實(shí)測(cè)值，作為后續(xù)計(jì)算的依據(jù)。

2.2.2 荷載參數(shù)

2.2.2.1 恒載

（1）結(jié)構(gòu)自重。設(shè)計(jì)資料的鋼管骨架、管內(nèi)混凝土、平聯(lián)板、拱上立柱、簡(jiǎn)支梁等的自重（一期恒載）并考慮實(shí)測(cè)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的偏差。在特殊情況下，對(duì)構(gòu)件自重進(jìn)行實(shí)測(cè)。

（2）二期恒載。主拱的二期恒載是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙與施工現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的材料參數(shù)加以計(jì)算。

2.2.2.2 施工荷載

主要包括為施工方便搭設(shè)的臨時(shí)設(shè)備、堆放的施工材料、實(shí)際截面幾何參數(shù)、主拱和其他構(gòu)件斷面的實(shí)際測(cè)定幾何尺寸[3]。

3 位移監(jiān)測(cè)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，測(cè)點(diǎn)布置如下：

（1）主拱標(biāo)高監(jiān)控測(cè)點(diǎn)分別布置在拱肋上下游側(cè)面，各布置9個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)；分別布置在3#墩拱腳、1/8拱、1/4拱、3/8拱、拱頂、5/8拱、3/4拱、7/8拱以及4#墩拱腳。主拱軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn)在拱肋中布置7個(gè)，分別布置在1/8拱、1/4拱、3/8拱、拱頂、5/8拱、3/4拱、7/8拱。

（2）在5#橋臺(tái)索塔塔頂上設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)其3個(gè)方向的位移（主要是沿順橋向的水平位移），索塔塔底設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)塔頂測(cè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，并快速測(cè)量塔頂塔底的位移差。

（3）在0#臺(tái)側(cè)對(duì)錨梁位置用千分表進(jìn)行位移觀測(cè)。

3.2 具體的監(jiān)測(cè)方法

（1）塔架的受力、位移進(jìn)行監(jiān)控驗(yàn)算。交界墩長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)，有必要對(duì)索塔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

（2）索塔在拱肋安裝中的偏移控制。

a.索塔垂直于橋軸線(xiàn)方向設(shè)一測(cè)站，在索塔底部設(shè)置一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，在索塔頂部上下游及其中間貼3個(gè)反光膜，在中間反光膜上側(cè)貼20 min鋼尺（10 min讀數(shù)對(duì)準(zhǔn)索塔底部標(biāo)志點(diǎn)）。

b.在適當(dāng)位置選取索塔觀測(cè)站（以保證足夠的仰角與精度為宜）。

c.吊裝前讀取索塔原始數(shù)據(jù)3個(gè)反光膜的坐標(biāo)值。

d.節(jié)段吊裝過(guò)程中讀取變形后的坐標(biāo)值[4]。

e.與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，坐標(biāo)計(jì)算得出差值，并根據(jù)規(guī)范比較差值是否在允許值內(nèi)。

3.3 拱肋線(xiàn)形監(jiān)測(cè)

拱橋結(jié)構(gòu)變形由三個(gè)方面組成：軸線(xiàn)（橫向）、撓度（豎向）和橋縱向位移。其中，豎向位移（撓度）是最大的位移，也是變形控制中最主要的內(nèi)容，其調(diào)整也比其他兩個(gè)要容易些；橫向位移（軸線(xiàn)偏移）是對(duì)主拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響最大的變形；拱橋基礎(chǔ)或承臺(tái)的縱向位移引起主拱構(gòu)件的附加內(nèi)力是十分巨大的，很小的相對(duì)位移都可能產(chǎn)生十分可怕的結(jié)果。因此對(duì)這三者不可厚此薄彼，都應(yīng)引起足夠重視。

為觀測(cè)主拱結(jié)構(gòu)的變形，可根據(jù)橋址附近的水準(zhǔn)點(diǎn)，在橋梁兩岸的適當(dāng)高度建多個(gè)觀測(cè)站，橋下建兩個(gè)以上觀測(cè)站，所建觀測(cè)站最好能兼顧各項(xiàng)位移的觀測(cè)。結(jié)構(gòu)變形觀測(cè)主要采用全站儀。

3.4 主拱軸線(xiàn)控制

纜索進(jìn)行勁性骨架吊裝焊接及扣索的控制，其微小變化直接影響勁性骨架合龍后的線(xiàn)形。該橋勁性骨架安裝拱頂預(yù)拱度0.45 m，其他位置按二次拋物線(xiàn)進(jìn)行分配。在設(shè)計(jì)拱軸線(xiàn)上加上預(yù)拱度后得到加工制作的制造軸線(xiàn)。預(yù)制吊裝成拱后的理想線(xiàn)形應(yīng)該是制造軸線(xiàn)減去吊裝一次成拱的自重?fù)隙龋―Y），以此作為纜索吊裝控制的目標(biāo)[5]。

利用全站儀進(jìn)行勁性骨架各扣點(diǎn)在各階段的軸線(xiàn)高程控制測(cè)量，具體方法如下：

（1）在預(yù)先設(shè)置的觀測(cè)站對(duì)勁性骨架進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，從而反算施工坐標(biāo)，對(duì)軸線(xiàn)進(jìn)行控制。

（2）勁性骨架吊裝前，在勁性骨架端頭位置用尺量出骨架中點(diǎn)位置，并焊接鋼筋頭，貼好免棱鏡測(cè)量專(zhuān)用反光片。

（3）測(cè)量方法。利用全站儀觀測(cè)骨架軸線(xiàn)與放樣軸線(xiàn)的平距差值。偏位過(guò)大時(shí)則利用兩側(cè)風(fēng)纜進(jìn)行調(diào)整。

3.5 錨梁和墩頂位移監(jiān)測(cè)

在錨碇影響范圍外固定一根鋼筋并在鋼筋上貼鋼尺，采用在錨碇后側(cè)設(shè)置固定標(biāo)尺，用鋼尺測(cè)量位移值即可。

墩頂位移監(jiān)測(cè)包括左右偏移監(jiān)測(cè)和前后位移監(jiān)測(cè)：

（1）吊裝前，在墩頂蓋梁兩側(cè)貼反光膜，并在墩底設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)，在中間反光膜處貼20 min，并使10 min數(shù)值對(duì)準(zhǔn)墩底標(biāo)志點(diǎn)。讀取原始坐標(biāo)值。

（2）扣索（松索）后，全站儀讀取變形后的坐標(biāo)值，觀察此時(shí)墩底標(biāo)志點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鋼尺讀數(shù)并記錄。

（3）與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得其位移。

4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

4.1 測(cè)試儀器的選擇

鋼弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)值可靠、精度與分辨率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，其輸出為頻率信號(hào)，能接長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)，便于遠(yuǎn)距離傳輸，可直接與微機(jī)接口。在該橋的應(yīng)力監(jiān)測(cè)中采用鋼弦式傳感器。

4.2 測(cè)試原理

鋼弦應(yīng)變計(jì)是利用鋼弦的自振頻率特性制成的應(yīng)變計(jì)，通過(guò)把構(gòu)件表面或內(nèi)部的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為鋼弦的工作頻率變化而進(jìn)行測(cè)量。其有兩個(gè)支點(diǎn)固定鋼弦，在電流通過(guò)電磁線(xiàn)圈所產(chǎn)生的短脈沖作用下，沿磁場(chǎng)方向發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)支點(diǎn)間的距離發(fā)生改變時(shí)，鋼弦的張力與振動(dòng)頻率也隨之變化。其基本原理是由鋼弦內(nèi)應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殇撓艺駝?dòng)頻率的變化。根據(jù)《數(shù)學(xué)物理方程》中有關(guān)弦的振動(dòng)的微分方程可推導(dǎo)出鋼弦應(yīng)力與振動(dòng)頻率的關(guān)系，見(jiàn)式（1）：

式中：f為鋼弦振動(dòng)頻率；L為鋼弦長(zhǎng)度；ρ為鋼弦的密度；σ為鋼弦所受的張拉應(yīng)力。

4.3 監(jiān)測(cè)斷面及儀器布置

在拱腳位置、1/4拱、1/2拱（左）、1/2拱（右）共計(jì)5個(gè)斷面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。對(duì)勁性骨架的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，每個(gè)斷面共設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別焊接在勁性骨架上下弦8根鋼管上，用以監(jiān)測(cè)勁性骨架的受力情況。對(duì)外包混凝土的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，每個(gè)斷面設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，在底板腹板和頂板上各2個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器在每澆筑段的中間，由于拱腳位置應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，增加傳感器數(shù)量，便于真實(shí)地反映受力情況。

（1）應(yīng)力傳感器采用兩種方式進(jìn)行預(yù)埋：

a.直接焊接在勁性骨架上。

b.綁扎固定在受力鋼筋上，測(cè)力方向與主筋受力方向一致。

將傳感器導(dǎo)線(xiàn)引至混凝土表面并做好標(biāo)記，對(duì)傳感器導(dǎo)線(xiàn)及傳感器接頭進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)。在每一節(jié)段的施工過(guò)程中都要進(jìn)行應(yīng)力觀測(cè)。由于該橋位置處于高原，早中晚溫差較大，為消除溫度的影響，測(cè)量選擇在上午10點(diǎn)前完成。

（2）拱圈應(yīng)力監(jiān)測(cè)分環(huán)分段分次澆筑外包混凝土?xí)r，對(duì)每個(gè)工作面的每3次全環(huán)澆筑完成后監(jiān)測(cè)一次拱圈應(yīng)力，澆筑拱上立柱時(shí)，每澆筑一段拱上立柱進(jìn)行一次拱圈應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

（3）在勁性骨架吊裝過(guò)程中，扣索承擔(dān)骨架的全部受力，對(duì)扣索索力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為重要，以免因風(fēng)荷載原因或施工震動(dòng)荷載因素，使扣索索力突變，造成安全事故。在該橋監(jiān)測(cè)過(guò)程中，采用JMM268型索力儀對(duì)扣索進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。索力可根據(jù)式（2）計(jì)算得出：

式中：T為索力，kN；W為扣索或吊桿單位長(zhǎng)度重量，kN/m；n為頻率階數(shù)；fn為對(duì)應(yīng) n階的頻率，Hz；L為扣索及吊桿計(jì)算長(zhǎng)度，m；g為重力加速度9.8 m/s2。

（4）由于該工程所處高海拔山區(qū)（海拔2 850 m），紫外線(xiàn)強(qiáng)，晝夜溫差大，結(jié)構(gòu)物溫差較大，影響到結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布，溫度變形還將影響測(cè)量精度。測(cè)量數(shù)據(jù)用于施工監(jiān)控分析中時(shí)，必須對(duì)溫度進(jìn)行修正。擬采用紅外線(xiàn)溫度檢測(cè)儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)。同時(shí)應(yīng)變傳感器自帶溫度測(cè)試功能，采用應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度。

（5）動(dòng)態(tài)控制根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行參數(shù)識(shí)別與修正，并詳細(xì)模擬施工過(guò)程，形成施工控制依據(jù)。在實(shí)際施工過(guò)程中，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量反饋的數(shù)據(jù)，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整控制。

勁性骨架的拱軸線(xiàn)和應(yīng)力是施工控制的根本目標(biāo)。勁性骨架安裝控制的目標(biāo)是：理想成拱軸線(xiàn)=制造軸線(xiàn)（設(shè)計(jì)拱軸線(xiàn)+預(yù)拱度）-拱肋一次成拱的自重（包括管內(nèi)混凝土）撓度曲線(xiàn)。鋼管桁構(gòu)的應(yīng)力控制目標(biāo)是：空鋼管無(wú)鉸拱（主要是上、下弦鋼管構(gòu)件）自重作用下的應(yīng)力在容許范圍內(nèi)。

各施工階段的控制高程按式（3）確定：

式中：H為節(jié)點(diǎn)的施工控制高程；Ha為計(jì)算安裝軸線(xiàn)高程；fi為節(jié)點(diǎn)累計(jì)撓度（包括節(jié)段重力、扣索索力、后續(xù)施工下當(dāng)前節(jié)點(diǎn)撓度的影響）；Δ為考慮施工誤差及溫度影響的安裝修正值。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)鋼管混凝土勁性骨架拱橋的某種監(jiān)控方法做了詳細(xì)的介紹，并分析了其理論性。同時(shí)以某實(shí)際鋼管混凝土勁性骨架為背景，以實(shí)際施工工況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為支撐，對(duì)主拱圈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，對(duì)每一施工階段提出指導(dǎo)性意見(jiàn)，分析誤差產(chǎn)生的原因，對(duì)每一工況進(jìn)行安全控制，希望可為同類(lèi)型橋梁施工監(jiān)控提供一些參考性意見(jiàn)。