大跨徑鋼桁架上承式拱橋的施工監(jiān)控技術(shù)

柯鵬

本文以某鋼桁架上承式拱橋的建設為例,研究了該橋在整個施工過程中的監(jiān)控技術(shù)。首先，應用有限元計算軟件Midas/Civil，對整個施工過程進行了模擬計算，得到各控制工況下各構(gòu)件的位移和應力等數(shù)據(jù)；其次，對拱橋關(guān)鍵控制截面的線形和應力進行監(jiān)測，并與理論值進行比對分析，總結(jié)了部分施工監(jiān)控的成果,可為同類橋梁施工監(jiān)控提供參考。

鋼桁架上承式拱橋具有橋型美觀、施工周期短、跨越能力強等優(yōu)點，是大跨徑拱橋一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。鋼拱橋結(jié)構(gòu)的施工和計算極為復雜，橋梁成橋后的內(nèi)力和線形狀態(tài)與橋梁的施工方法和施工順序密切相關(guān)，橋梁在施工過程中有很多不確定因素，如果不加以控制，會使結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)和線形偏離設計值，這種偏離不僅影響橋梁合龍，還會危及施工過程中結(jié)構(gòu)的安全。因此，為了減少或消除這些偏差和不確定性帶來的影響，使橋梁的受力和變形狀態(tài)始終處于結(jié)構(gòu)和設計的要求之內(nèi)，同時成橋后的鋼桁梁內(nèi)力和線形達到設計期望值，需要對鋼桁架上承式拱橋進行施工監(jiān)控。

一、工程概況

本文以某鋼桁架上承式拱橋為工程背景，橋梁的凈跨徑100m，凈矢高21m，矢跨比1/5，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m選用2.352；主拱肋采用鋼箱桁架結(jié)構(gòu)，鋼桁高度為等高3.5m，橫向分兩片拱肋，肋間中距8m；拱肋上、下弦桿為等截面鋼箱；拱上立柱墩采用鋼排架結(jié)構(gòu)；拱上橋面行車道采用分離式鋼箱梁，跨徑15m，采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，鋼箱梁梁高1.5m，橋面全寬12.5m，外懸臂1m；拱肋采用支架組拼，鋼箱梁采用架橋機拼裝施工。通過對本橋施工監(jiān)控技術(shù)進行研究，在有限元分析的基礎上，同時監(jiān)測了施工過程中各控制截面的應力以及各控制點的線形，并與理論值進行比對分析，采取相應的調(diào)控手段，確保拱肋順利合龍，使成橋應力、線形等滿足設計和規(guī)范要求。橋梁結(jié)構(gòu)立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

二、施工監(jiān)控方法

鋼桁架上承式拱橋理想的幾何線形及內(nèi)力狀態(tài)，不僅與設計有關(guān)，而且還依賴于科學合理的施工方法。本橋采用自適應控制方法，受施工過程中節(jié)段重量、環(huán)境溫度、施工臨時荷載等的影響，施工監(jiān)控理論計算分析時，假定這些控制參數(shù)為設計值，為了消除因設計參數(shù)取值的不確切所引起的問題，在施工過程中需要對這些參數(shù)進行識別和預測，因此要得到相對準確的控制措施，需要先根據(jù)施工中測到的結(jié)構(gòu)實際反應來對計算模型中的控制參數(shù)值進行修正，使計算模型和實際結(jié)構(gòu)磨合一段時間后，自動適應結(jié)構(gòu)的物理力學規(guī)律。通過閉環(huán)反饋控制和系統(tǒng)識別過程相融合，就形成了自適應控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 自適應控制系統(tǒng)基本原理圖

三、施工監(jiān)控主要內(nèi)容

1.施工模擬計算

模擬計算依據(jù)施工組織設計確定的施工順序和施工荷載，采用盡可能真實的參數(shù)，采用已確定的、不再更改的臨時荷載等，考慮已確定的施工方案、臨時施工荷載及合龍方案等，以反映出設計與施工的差異。施工過程計算的目的是為了得到各施工階段及成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制計算目標數(shù)據(jù)。

橋梁結(jié)構(gòu)分析采用有限元程序Midas/Civil。根據(jù)設計圖紙中的結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)尺寸及結(jié)構(gòu)離散圖等，將全橋結(jié)構(gòu)離散成477個節(jié)點、975個單元。橋梁有限元計算模型見圖3。

圖3 橋梁有限元計算模型

2.拱座沉降觀測

隨著拱肋節(jié)段及主梁節(jié)段的施工，拱座承受的拱肋自重、鋼箱梁自重及施工荷載等作用越來越大，因此，需要對拱座沉降變形進行觀測。

拱座混凝土表面粘有反光片，并用紅色油漆對監(jiān)測點進行標記，在監(jiān)測點標記完成后，進行初始高程的監(jiān)測，在后續(xù)施工中，每個施工工況完成后對拱座進行一次沉降監(jiān)測，時間選在晚上溫度場穩(wěn)定時進行,通過與初始高程數(shù)據(jù)進行比較，來判斷基礎的沉降大小。

3.拱肋線形監(jiān)測

拱肋線形監(jiān)測采用在拱肋上黏貼反射片的形式，測點選擇在拱腳、1/4L、拱頂、3/4L、和拱腳截面，用全站儀進行測量。拱肋每一節(jié)段的端截面上、下弦桿設置平面位置及標高觀測點。用全站儀測定拼裝點的平面位置及高程。白天吊裝施工時，可針對吊裝時的實際溫度對吊裝標高進行適當修正，但標高觀測及調(diào)整的時間，應安排在次日早上太陽出來半小時之前完成，使結(jié)構(gòu)經(jīng)過一晝夜的熱交換后大致處于均勻溫度場的狀態(tài)下進行，待標高觀測及調(diào)整之后，再進行節(jié)段之間的拼接。在拱肋安裝完畢后，需要對平面位置進行仔細核查，在符合設計等要求后，方進行下步工序。

圖4 應力測點布置圖

4.拱肋應力監(jiān)測

拱肋應力測試斷面選擇在拱腳、1/4L、拱頂、3/4L、和拱腳截面，見圖4所示。

由于拱肋采用支架安裝，拱肋安裝過程中的自重主要由支架承擔，拱肋本身應力變化較小，因此，拱肋應力監(jiān)測主要關(guān)注支架拆除后的拱肋應力變化情況。應力監(jiān)測主要工況為支架拆除前、支架拆除后、鋼箱梁安裝后、橋面鋪裝后等關(guān)鍵階段。通過對監(jiān)測拱肋應力，分析在施工過程中，結(jié)構(gòu)控制截面的應力變化情況，并對可能發(fā)生的超出設計規(guī)范要求的情況提出應力調(diào)整措施。

5.橋面線形監(jiān)測

對于橋面線形控制，主要是通過對拱上立柱和橋面鋪裝高程的控制來保證。首先要通過監(jiān)測保證蓋梁精確安裝到位，才能確保后續(xù)橋面板安裝和橋面鋪裝工作。橋面板安裝完成后，根據(jù)實測梁體頂面高程和設計橋面高程數(shù)據(jù)，擬合橋面鋪裝標高，使橋面線形平順并符合設計要求。

四、實測數(shù)據(jù)分析

通過對拱橋整個施工過程監(jiān)控數(shù)據(jù)進行整理分析，得到以下結(jié)果：

（1）本橋拱座沉降量最大為-2mm，總體較小，處于正常狀態(tài)；（2）拱橋線形變化值與監(jiān)控計算值變化規(guī)律基本一致，高程偏差最大為-4mm，橋梁整體線形較為平順；（3）拱肋監(jiān)測截面實測應力值與理論計算應力值基本吻合，成橋后實測最大壓應力為62.4MPa，滿足規(guī)范要求。

五、結(jié)論

本文以某大跨徑鋼桁架上承式拱橋為工程實例，對橋梁施工監(jiān)控技術(shù)進行了研究，得到的主要結(jié)論如下：（1）對大橋進行了施工模擬計算，得到了拱橋施工過程中各構(gòu)件的位移和應力，其結(jié)果均滿足設計和規(guī)范要求，橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，計算所得可用于對指導橋梁施工；（2）通過制定科學合理的橋梁施工監(jiān)控方案，對大橋進行了施工監(jiān)控,從該拱橋的施工監(jiān)控結(jié)果可知：拱座沉降量總體較?。还袄呔€形變化值與監(jiān)控計算值變化規(guī)律基本一致，橋梁整體線形較為平順；各個施工階段的拱肋監(jiān)測截面實測應力值與理論計算應力值基本吻合；相關(guān)結(jié)果均符合設計和規(guī)范要求,達到了橋梁施工監(jiān)控預定的目的，可為同類鋼桁架拱橋施工監(jiān)控提供參考。