預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合體系橋梁施工監(jiān)控研究

劉 剛 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司

1 工程背景

某特大橋的起樁號(hào)為DK239+559.800，訖樁號(hào)為DK242+228.550，中心里程為DK240+894.175，全程長(zhǎng)度為2668.75m。在DK241+391.4～657.1 以1 聯(lián)264.5m 的連續(xù)梁拱跨越收費(fèi)站A、B、C 匝道，采用的施工方案為先梁后拱。主梁的梁高是從3.5m～7m 漸變的，截面的形狀為單箱雙室變高度箱形，拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，一共設(shè)置14 組雙吊桿。在對(duì)橋梁進(jìn)行吊裝拱肋施工之前，應(yīng)該對(duì)吊裝設(shè)備系統(tǒng)實(shí)施負(fù)荷試驗(yàn)。當(dāng)?shù)跹b就位之后，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的校正，使橋梁的穩(wěn)定性達(dá)到要求。

2 施工監(jiān)控體系及過程

在現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)過程中，施工監(jiān)控工作起到了服務(wù)的作用，因此施工監(jiān)控的過程應(yīng)該與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工狀況契合。在對(duì)該特大橋進(jìn)行施工監(jiān)控的過程中，主要有以下幾點(diǎn)內(nèi)容：對(duì)施工過程建模仿真計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制。這三點(diǎn)構(gòu)成了完整的監(jiān)控體系，三者缺一不可。

橋梁的監(jiān)控工作貫穿于整個(gè)施工過程。施工方應(yīng)該對(duì)施工組織設(shè)計(jì)、專項(xiàng)施工方案等進(jìn)行詳細(xì)的編寫，監(jiān)控方在此部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上編制監(jiān)控方案、進(jìn)行橋梁建模計(jì)算，之后再由施工監(jiān)控方使用多種評(píng)估以及量測(cè)方式對(duì)施工中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)（變形、應(yīng)力、軸線偏位、索力等）進(jìn)行判斷以及分析，若實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本一致，則由監(jiān)控單位出具下一階段施工指令；一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)有較大的偏差，或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，監(jiān)控人員應(yīng)該仔細(xì)核查原因，對(duì)誤差進(jìn)行修正，將誤差減少至最小，防止因?yàn)檎`差的積累影響下到工序。有效的監(jiān)控工作能夠在一定程度上保證施工的質(zhì)量。因此，在對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控的時(shí)候，應(yīng)該以理論的設(shè)計(jì)值為基礎(chǔ)，使設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值能夠達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，加強(qiáng)監(jiān)控的協(xié)調(diào)性。

3 施工監(jiān)控的工作內(nèi)容

3.1 仿真計(jì)算的分析

為了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力以及變形進(jìn)行分析，監(jiān)控人員使用有限元軟件（Midas Civil）對(duì)工程進(jìn)行建模計(jì)算。在該軟件中，監(jiān)控人員可以通過建立梁?jiǎn)卧獙?duì)橫撐、拱肋以及節(jié)段等主梁構(gòu)件進(jìn)行模擬，還可以通過建立桁架實(shí)現(xiàn)對(duì)吊桿的模擬，圖1是全橋的有限元模型。

監(jiān)控單位應(yīng)以設(shè)計(jì)規(guī)范、施工方案以及設(shè)計(jì)文件中的參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行理論建模。在對(duì)施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，應(yīng)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)作為最基本的資料，這些參數(shù)主要有溫度、梁體自重、主梁彈性模量、梁長(zhǎng)、外荷載的位置以及重量、混凝土的收縮徐變等。施工監(jiān)控人員應(yīng)該充分的了解施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，對(duì)各項(xiàng)誤差進(jìn)行修正以及計(jì)算，建立最準(zhǔn)確的模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬，達(dá)到監(jiān)控的目的。

通過理論建模并進(jìn)行模擬計(jì)算可以對(duì)以下三個(gè)結(jié)果進(jìn)行讀?。海?）各施工梁端的對(duì)應(yīng)的工序的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、控制截面以及標(biāo)高等相關(guān)理論值；（2）主梁立模標(biāo)高；（3）吊索的調(diào)整索力以及初張力。

在橋梁工程的具體施工過程中，應(yīng)該將以上三項(xiàng)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，再經(jīng)由施工監(jiān)控單位出具相應(yīng)的監(jiān)控指令，施工單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位以及監(jiān)控單位對(duì)所有的指令進(jìn)行簽字確認(rèn)后方可進(jìn)行施工。由于橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工會(huì)與理論模型有一定的差距，所以在對(duì)其進(jìn)行修正的過程中應(yīng)該以實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

圖1 主橋全橋的有限元模型

3.2 現(xiàn)場(chǎng)的量測(cè)

主橋的軸線偏位應(yīng)使用全站儀進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)高使用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。

3.2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)立以及墩頂?shù)臏y(cè)量

應(yīng)將墩頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)作為水準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)墩頂?shù)淖兾贿M(jìn)行測(cè)定，為了防止其在施工中被破壞，應(yīng)在墩頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)處理并做好標(biāo)識(shí)。在設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)的時(shí)候，應(yīng)使用全站儀進(jìn)行定點(diǎn)處理。在后續(xù)的施工過程中，墩頂?shù)淖兾恢导礊楦狞c(diǎn)的變化量，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)月都要對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)及復(fù)測(cè)。

3.2.2 對(duì)主梁撓度及拱肋變形進(jìn)行測(cè)量

（1）測(cè)點(diǎn)布設(shè)：將五根短鋼筋預(yù)埋在每個(gè)施工梁端頂面，并將其作為主梁撓度的觀測(cè)點(diǎn)；在拱肋1/4 與1/2 位置布置棱鏡，作為拱肋變形的觀測(cè)點(diǎn)。

（2）測(cè)量方法：使用電子精密水準(zhǔn)儀測(cè)量主梁撓度，使用全站儀測(cè)量拱肋變形。

（3）測(cè)量頻率：以施工工序?yàn)橹?，測(cè)量每一施工梁段主梁撓度及拱肋變形。

表1 目標(biāo)索力值及實(shí)測(cè)索力值之間的對(duì)比表

（4）測(cè)量時(shí)間：在溫度場(chǎng)比較穩(wěn)定的時(shí)間或者當(dāng)天的8 點(diǎn)之前及18點(diǎn)以后。

3.2.3 對(duì)吊桿索力進(jìn)行測(cè)量

吊桿作為該橋的重要組成部分，吊桿索對(duì)吊桿拱橋的特點(diǎn)進(jìn)行了完美的展現(xiàn)，與此同時(shí)，吊桿傳遞了絕大部分的吊桿拱橋橋面荷載以及橋跨結(jié)構(gòu)的重量。為了使橋梁的結(jié)構(gòu)受力更加的合理，成橋索力應(yīng)較為均勻。

本項(xiàng)目使用振動(dòng)頻率量測(cè)法測(cè)量索力。此方法是將索力動(dòng)測(cè)儀的拾振器固定在待測(cè)吊桿中部，將振動(dòng)環(huán)境下吊桿的振動(dòng)信號(hào)記錄下來(lái)，再通過索力及自振頻率的關(guān)系對(duì)索力進(jìn)行計(jì)算。

式中：

u——橫向位移系數(shù)；

m——吊桿線密度；

t——時(shí)間；

x——縱向坐標(biāo)；

EI——吊桿的抗彎剛度；

T——張拉力。

上述方程在求解的過程中是比較困難的，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。主要如下：

式中：

n——頻率階數(shù)；

E——吊桿彈性模量；

l——吊桿計(jì)算長(zhǎng)度；

I——吊桿截面慣性矩；

fn——吊桿第n階橫向振動(dòng)的頻率為。

3.2.4 對(duì)吊桿施工節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行測(cè)量

對(duì)吊桿施工節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，應(yīng)該先將位移測(cè)點(diǎn)設(shè)置在吊桿拉索的主梁上，在張拉階段結(jié)束的一個(gè)小時(shí)之后，再使用全站儀來(lái)測(cè)量主梁上的位移測(cè)點(diǎn)。在橋梁的施工監(jiān)控過程中，吊桿施工位移節(jié)點(diǎn)的測(cè)量只起到了輔助的作用。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的效果以及監(jiān)控控制的應(yīng)用

（1）對(duì)主梁撓度進(jìn)行監(jiān)控控制：在對(duì)本項(xiàng)目橋梁的主梁撓度進(jìn)行控制的過程中，主要有以下幾點(diǎn)原則：①對(duì)于局部線形，要求相鄰階段之間的相對(duì)標(biāo)高的誤差不超過5mm；②立模的標(biāo)高的誤差應(yīng)該控制在±3mm的范圍內(nèi)；③已經(jīng)澆筑完成的梁段的底板以及頂板的標(biāo)高誤差應(yīng)該小于15mm；④在合攏前，兩個(gè)懸臂端的高度差應(yīng)該不超過15mm且應(yīng)該不超過合攏段長(zhǎng)度的1%。

在對(duì)主橋進(jìn)行施工的過程中，施工人員應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行施工指令，使施工合攏的精度達(dá)到要求，并且合攏后的底板應(yīng)該弧線美觀、線形平順且沒有折線。對(duì)本橋的主橋撓度進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果如下：張拉階段的理論值與實(shí)測(cè)值之間的誤差控制在10mm的范圍內(nèi)；澆筑階段的理論值與實(shí)測(cè)值之間的誤差控制在15mm 的范圍內(nèi)；中跨合攏時(shí)的偏差不大于10mm。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)可以看出，主梁的線形施工過程比較順利。

（2）該項(xiàng)目中橋梁的吊橋索力經(jīng)過初次張拉、二次張拉以及調(diào)索的過程，在進(jìn)行調(diào)索處理的時(shí)候，應(yīng)該以循環(huán)、分次、對(duì)稱以及均勻?yàn)橹饕瓌t。在調(diào)索完成之后，應(yīng)該對(duì)比理論的索力值與實(shí)際索力值之間的差距，表1為理論值與實(shí)際值的對(duì)比表。

從上表中我們可以看出，此橋梁在成橋之后的索力值和設(shè)計(jì)值相差較小，分布均勻，結(jié)構(gòu)受力優(yōu)良。

（3）綜上，在該特大橋的施工過程中，吊橋受力合理，各結(jié)構(gòu)線形平順，在對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中未發(fā)現(xiàn)誤差超過規(guī)范要求的現(xiàn)象，說明該項(xiàng)目的要求和標(biāo)準(zhǔn)都非常高。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，我國(guó)開始加大對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，隨著與日俱增的高效的科技的發(fā)展，高難度、大跨度以及大規(guī)模的橋梁項(xiàng)目數(shù)量也越來(lái)越多，這是我國(guó)橋梁工程建設(shè)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。由于施工中不確定因素的增多，橋梁施工過程中的人員結(jié)構(gòu)配置越來(lái)越重要，為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，施工過程的監(jiān)控顯得尤為重要。本項(xiàng)目中的特大橋的建設(shè)過程，迎合了業(yè)主的全部需求，對(duì)各項(xiàng)誤差進(jìn)行了完美的控制，驗(yàn)證了施工監(jiān)控方案的可能性，為今后該類橋梁的設(shè)計(jì)、施工奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。