特殊結(jié)構(gòu)橋梁的施工監(jiān)控方案研究

門廣鑫

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

1 工程概述

某橋全長295m，橋?qū)?6m，主梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橫斷面采用單箱多室形式，在橋梁中央分隔帶范圍內(nèi)設(shè)置月亮形斜拉主塔，塔高60m，主塔在橋面以上采用鋼結(jié)構(gòu)，塔腳采用混凝土結(jié)構(gòu)，并設(shè)置鋼混過渡段，內(nèi)外側(cè)斜拉索均采用3根直徑15.2mm的鋼絞線組成，全橋斜拉索共64根，其中外拉索18對(36根)，內(nèi)拉索28根。橋梁總體照片見圖1。

2 施工監(jiān)控的內(nèi)容及目標

2.1 施工監(jiān)控的具體內(nèi)容

(1)在主塔制作時提供無應(yīng)力制造線形及節(jié)段尺寸。

(2)各施工階段下主梁及主塔偏位及變形情況。

(3)提供無應(yīng)力狀態(tài)下的內(nèi)、外斜拉索的長度。

(4)提供索力初始張拉值及各施工階段的索力值。

(5)各施工階段下主梁及主塔各控制截面的控制應(yīng)力。

(6)施工過程中各階段的監(jiān)控仿真計算。

2.2 施工監(jiān)控的目標

施工監(jiān)控有兩方面目標：一是實現(xiàn)設(shè)計文件所規(guī)定的成橋狀態(tài)；另一方面是保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全。主要通過對該橋施工期間的橋梁結(jié)構(gòu)線形、應(yīng)力及索力等參數(shù)進行有效地控制和調(diào)整，保證實際結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力和變形始終處于可控、安全及合理的范圍內(nèi)，并且在成橋后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形均符合設(shè)計要求。

依據(jù)該橋施工監(jiān)控招標文件以及適用的規(guī)范、標準的要求，橋梁施工監(jiān)控參數(shù)的控制目標如下：

(1)線形控制：在各階段施工過程中，給出各構(gòu)件的空間坐標位置以及主梁控制點標高，保證成橋后線形平順。確保橋面系實際成橋標高與目標成橋標高之間的誤差不大于15mm，主梁軸線偏差不超過10mm；索塔結(jié)構(gòu)的累計偏位誤差不應(yīng)大于30mm。

(2)索力監(jiān)測與控制：提出斜拉索的無應(yīng)力索長，提出合理的斜拉索安裝順序及張拉方案，并進行優(yōu)化。隨著施工的進行，對每一根斜拉索的張拉以及橋面鋪裝的施工等相關(guān)工況的索力進行全過程監(jiān)測，結(jié)合索塔的空間位置偏位情況,分析橋梁的實時受力狀況，確保結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全，成橋索力的實測值與理論值的誤差應(yīng)控制在5%的范圍內(nèi)。

(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制：在施工過程中，隨時監(jiān)測主塔及主梁的各控制截面應(yīng)變，確保結(jié)構(gòu)應(yīng)力在容許范圍內(nèi)。

3 橋梁施工階段的模擬分析

3.1 有限元模型的建立

施工過程中各階段的模型采用有限元軟件Midas/Civil進行建立，并進行結(jié)構(gòu)線形、內(nèi)力及索力的分析和控制。主塔鋼結(jié)構(gòu)、鋼混過渡段、主梁等采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元，成橋模型共劃分810個單元，節(jié)點962個，有限元模型如圖2所示。

3.2 施工過程的模擬

該橋施工主要包括基礎(chǔ)、墩柱及系梁、塔腳、主塔鋼結(jié)構(gòu)吊裝、連續(xù)梁澆筑、分批張拉斜拉索、二期恒載施工、調(diào)索等過程。具體施工階段及相應(yīng)的施工監(jiān)控如下：

(1)施工準備，三通一平。

(2)樁基及承臺施工。

(3)主塔墩、中墩及橋臺的施工。

(4)塔腳、鋼混結(jié)合段施工，同時根據(jù)模型計算，提供主塔鋼結(jié)構(gòu)吊裝節(jié)段的加工尺寸(無應(yīng)力長度)。主塔鋼結(jié)構(gòu)劃分共為八個吊裝節(jié)段，其無應(yīng)力尺寸是根據(jù)設(shè)計文件提供的成橋尺寸計算確定，計算溫度與設(shè)計溫度一致，施工單位在鋼結(jié)構(gòu)制作時應(yīng)考慮鋼結(jié)構(gòu)加工溫度與設(shè)計文件提供的成橋拼裝溫度的差異對吊裝節(jié)段無應(yīng)力尺寸的影響。

(5)主塔鋼結(jié)構(gòu)吊裝：搭設(shè)臨時支架，按設(shè)計文件進行主塔分段鋼結(jié)構(gòu)的吊裝、焊接，在這個階段，預(yù)先提供吊裝過程中每一節(jié)段的坐標值，以此作為目標值進行施工控制。

(6)滿堂支架法進行預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁的施工。

(7)安裝并張拉斜拉索：預(yù)先提供斜拉索的無應(yīng)力長度，根據(jù)結(jié)構(gòu)倒拆計算，確定斜拉索分批張拉順序以及張拉力值。在施工過程中，在提供斜拉索的初始張拉力值的同時，給出每一批次張拉后主塔鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的對應(yīng)坐標值，進行施工控制。斜拉索以對稱張拉，并盡量保持內(nèi)外平衡的原則進行。

(8)拆除主塔臨時支架階段：提供該階段索力值及主塔鋼結(jié)構(gòu)分段的坐標值，并進行施工控制。

(9)橋面鋪裝及附屬結(jié)構(gòu)施工：提供該階段索力值及主塔鋼結(jié)構(gòu)分段的坐標值，并進行施工控制。

(10)調(diào)整索力至設(shè)計目標索力，此時，主塔鋼結(jié)構(gòu)線形與設(shè)計目標線形的誤差應(yīng)滿足監(jiān)控目標的要求。

4 橋梁施工監(jiān)控測點布置及測試方法

該橋梁的施工監(jiān)控內(nèi)容主要包括：溫度監(jiān)測、線形監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、索力測試等。

4.1 溫度監(jiān)測

溫度變化，特別是溫差的變化，對于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響是顯著且復(fù)雜的。為修正氣溫和橋梁各部位溫度對各項參數(shù)測量的影響，需在監(jiān)控測量過程中實時對溫度參數(shù)數(shù)據(jù)進行采集。

針對該橋的結(jié)構(gòu)形式及監(jiān)控部位，在主梁、主塔、斜拉索分別布置溫度監(jiān)控測點，總計30個測點，采用熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀進行溫度測量。

4.2 線形監(jiān)測

線形監(jiān)測主要包括主塔和主梁線形監(jiān)測，其中主塔線形采用全站儀、主梁線形采用精密水準儀進行測量。

主塔線形監(jiān)測：在主塔鋼結(jié)構(gòu)每個預(yù)制節(jié)段上、下游側(cè)面的焊縫位置附近各設(shè)置2個線形監(jiān)測點，用以監(jiān)測主塔在各施工階段的空間偏位，全橋共設(shè)68個主塔線形監(jiān)測點，具體布置形式見圖3。

主梁線形監(jiān)測：在全橋所有孔跨的支點、L/4、L/2、3L/4截面布置測量斷面，每一斷面在橫橋向距兩側(cè)路緣30cm位置布置監(jiān)測點，共132個測點，具體布置形式見圖4。

4.3 應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力測試截面一般根據(jù)模型計算的控制截面確定，原則上應(yīng)包含以下幾個方面：主梁成橋狀態(tài)下的最大正、負彎矩截面，主塔及其塔腳的應(yīng)力控制截面以及從設(shè)計角度考慮的其他控制截面。

主塔應(yīng)力監(jiān)測：

(1)在主塔每道焊縫位置上、下游內(nèi)外弧表面豎向跨越焊縫各布置一個應(yīng)力測點，共60個應(yīng)力監(jiān)測點。

(2)主塔根部的鋼混過渡段是整個結(jié)構(gòu)承受彎矩最大的部位，且結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)相對復(fù)雜，因此，在主塔鋼混過渡段內(nèi)部兩側(cè)端板附近，上、下游側(cè)頂面、底面縱向鋼筋上各布置一個鋼筋應(yīng)力測點，上、下游側(cè)中部各布置一個混凝土軸力測點；共12個應(yīng)力監(jiān)測點，用于監(jiān)測鋼混過渡段的受力情況。主塔共72個應(yīng)力監(jiān)測點，應(yīng)力監(jiān)測主要采用振弦傳感器及讀數(shù)儀。

主梁應(yīng)力監(jiān)測：在全橋所有孔現(xiàn)澆箱梁的L/4、L/2、3L/4截面處，箱梁3#、4#箱室腹板中部對應(yīng)底面位置，各布置1個應(yīng)力測點；主梁共96個應(yīng)力監(jiān)測點。

4.4 索力監(jiān)測

斜拉索的索力檢測方法很多，主要包括壓力傳感器法、液壓表法、頻率法和磁通量法，監(jiān)控過程中根據(jù)不同的測試環(huán)境及精度要求提早進行選用。在該橋的施工監(jiān)控過程中計劃采用液壓表法和頻率法對所有斜拉索的索力進行監(jiān)測，其中在斜拉索張拉過程中采用液壓表法，通過千斤頂張拉油缸中的液壓與張拉力的換算關(guān)系，控制索力張拉至階段控制值；在所有斜拉索張拉到位后，進行其他工序及二次調(diào)索時采用頻率法進行檢測，對40m左右的短索檢測時，索的抗彎剛度及邊界條件會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，一般會帶來5%～10%的偏差，為了抵消其影響可取索端錨固點之間的距離與兩端連接器長度之差作為索的計算長度，或在斜拉索加工廠進行索力標定確定拉索的合理計算長度。

5 結(jié)語

特殊結(jié)構(gòu)橋梁雖然具有造型美觀、跨越能力大、受力合理等特點，但由于其屬于受力復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)，且施工難度較大，因此，橋梁施工監(jiān)控是施工過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。列舉實例對特殊結(jié)構(gòu)橋梁監(jiān)控的內(nèi)容、目的以及測試方法進行了全面介紹，并提出了關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)的測點布置等相關(guān)建議，為類似橋梁的施工監(jiān)控方案設(shè)計提供參考。