大跨度非對(duì)稱不平衡曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁線形監(jiān)控技術(shù)

孫 飛 中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司

鐘小林 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海華東鐵路建設(shè)監(jiān)理有限公司

1 引言

鄭阜高鐵跨泉河（45+75+172+75+45）曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁是國(guó)內(nèi)首座五連跨三折線、非對(duì)稱不平衡、采用漂浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁，并應(yīng)用了溫度限位器和速度阻尼器等多種新技術(shù)。鋼桁采用再分式桁架，結(jié)構(gòu)形式為箱梁+鋼桁架結(jié)構(gòu)形式。主梁在中跨172 m范圍內(nèi)設(shè)置加勁鋼桁，桁高14 m，節(jié)間距16 m。鋼桁結(jié)構(gòu)上弦桿采用箱型截面。腹桿采用工字型截面，再分腹桿采用工字型截面。上平聯(lián)采用X型構(gòu)造，工字型截面。全橋?qū)ΨQ設(shè)置4道橫聯(lián)和橋門架。鋼桁下弦節(jié)點(diǎn)采用埋入式構(gòu)造，埋入梁體495 mm~805 mm，依靠PBL剪力鍵與混凝土梁相連，與梁段砼一起澆筑，采用高強(qiáng)螺栓與鋼桁其他桿件連接，在節(jié)點(diǎn)板范圍內(nèi)設(shè)置凸臺(tái)，外包鋼板，內(nèi)灌混凝土。

橋梁施工控制不僅是橋梁施工技術(shù)的難點(diǎn)，也是施工中實(shí)施的難點(diǎn)，尤其對(duì)于大跨度組合型橋梁。在非對(duì)稱不平衡狀態(tài)下的懸臂施工和合龍，以及預(yù)應(yīng)力混凝土梁體合龍鋼桁的拼裝和合龍過(guò)程中，如何做好施工監(jiān)控，解決有確定因素和非確定因素（如設(shè)計(jì)計(jì)算、材料性能、施工精度、荷載變化，大氣溫度等）引起的設(shè)計(jì)理想狀態(tài)與實(shí)際施工狀態(tài)下的差異，從各種受誤差影響而失真的參數(shù)中篩選出相對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、糾偏和預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)施工監(jiān)控將連續(xù)梁兩邊跨合攏誤差、中跨誤差減少到10 mm，形成偏差小于3%的成果及鋼桁的精確拼裝和合龍。橋梁實(shí)景見(jiàn)圖1所示。

圖1 跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁

2 施工監(jiān)控理論

鋼桁加勁連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控主要是梁體施工、鋼桁架拼裝過(guò)程的監(jiān)控。雖然這些施工過(guò)程中的監(jiān)控較多，但主要的是線形及應(yīng)力、張拉力的監(jiān)測(cè)，后面提到的其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都是圍繞這兩項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行并為之服務(wù)的，或者為了調(diào)整線形或者為了參數(shù)識(shí)別之用。在線形與應(yīng)力兩項(xiàng)內(nèi)容中以線形監(jiān)控為主，應(yīng)力監(jiān)控為輔。應(yīng)力監(jiān)控更多的偏于被動(dòng)測(cè)量后的監(jiān)視，即偏“監(jiān)”弱“控”，它用以防止結(jié)構(gòu)應(yīng)力超限，從而保證橋梁施工的安全；而線形是可以通過(guò)參數(shù)的優(yōu)化重新計(jì)算并能進(jìn)行預(yù)測(cè)調(diào)整進(jìn)而無(wú)限逼近設(shè)計(jì)線形的。因此，該橋施工監(jiān)控的核心內(nèi)容是線形監(jiān)控。本橋監(jiān)控流程如圖2所示。

圖2 施工監(jiān)控框圖

在實(shí)際施工中，由于設(shè)計(jì)參數(shù)誤差、施工誤差、測(cè)量誤差、結(jié)構(gòu)分析誤差等綜合干擾因素，橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)總存在著一定的誤差。施工監(jiān)控所要解決的主要問(wèn)題就是如何調(diào)整這些誤差，使實(shí)際狀態(tài)盡量接近理想狀態(tài)。

設(shè)計(jì)參數(shù)誤差是引起大跨度橋梁施工誤差的主要因素之一。為了調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)誤差，首先要確定引起橋梁結(jié)構(gòu)偏差的主要實(shí)際參數(shù)，其次就是運(yùn)用最小二乘法理論來(lái)識(shí)別這些參數(shù)誤差，最后要得到設(shè)計(jì)參數(shù)的正確估計(jì)值，通過(guò)修正設(shè)計(jì)參數(shù)誤差，使橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)和理想狀態(tài)相一致。

鑒于此，施工監(jiān)控中，需要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)識(shí)別和調(diào)整，通過(guò)在典型施工狀態(tài)下對(duì)狀態(tài)變量實(shí)測(cè)值與理論值的比較，以及設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析，利用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。采用自適應(yīng)方法進(jìn)行施工監(jiān)控，自適應(yīng)控制是在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再加上一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別過(guò)程，是一個(gè)預(yù)告—施工—量測(cè)—計(jì)算—參數(shù)識(shí)別—分析—修正—預(yù)告的循環(huán)過(guò)程（圖3）。即在施工過(guò)程中，比較結(jié)構(gòu)測(cè)量的受力狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果，依據(jù)兩者的誤差進(jìn)行參數(shù)調(diào)整(識(shí)別)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果相一致。利用修正的計(jì)算模型參數(shù)，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)，按反饋控制方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。這樣，經(jīng)過(guò)幾個(gè)工況的反復(fù)識(shí)別后，計(jì)算模型就基本上與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致了，在此基礎(chǔ)上可以對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行更好的控制。

圖3 參數(shù)識(shí)別流程圖

線形調(diào)整的直接手段是調(diào)整立模標(biāo)高，將參數(shù)誤差引起的主梁標(biāo)高的變化通過(guò)立模標(biāo)高的調(diào)整予以修正。對(duì)于桁架的線形和應(yīng)力的調(diào)整，主要通過(guò)調(diào)整拼接縫長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。合龍溫度選擇調(diào)整也是可采用的手段，但應(yīng)與設(shè)計(jì)協(xié)商使之吻合。

3 施工監(jiān)控原則

施工監(jiān)控的最終目標(biāo)是確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設(shè)計(jì)要求，這也是施工監(jiān)控中須遵循的兩個(gè)原則。

（1）受力要求

受力要求包括橋梁及施工支架在施工過(guò)程中的內(nèi)力或應(yīng)力應(yīng)在設(shè)計(jì)容許范圍之內(nèi)，這些內(nèi)力或應(yīng)力狀況反映了該橋的整體受力狀態(tài)。對(duì)于鋼桁加勁連續(xù)梁，主梁應(yīng)力、桁架應(yīng)力是控制的關(guān)鍵。

（2）線形要求

對(duì)鋼桁加勁連續(xù)梁橋而言，線形要求指在施工過(guò)程中通過(guò)設(shè)置合理的預(yù)拱度使成橋后的鋼桁架、橋面標(biāo)高及軸線橫向偏位符合設(shè)計(jì)要求。

4 施工監(jiān)控內(nèi)容

鋼桁加勁連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控工作內(nèi)容主要包括理論分析預(yù)測(cè)、施工監(jiān)測(cè)及施工控制三部分。

4.1 理論分析預(yù)測(cè)

理論分析的主要內(nèi)容就是對(duì)施工過(guò)程中每個(gè)階段包括成橋階段的內(nèi)力和變形在確定的材料參數(shù)、荷載、邊界條件下（即設(shè)計(jì)圖紙上給定的參數(shù)、條件）進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

本橋采用正裝分析法用橋梁空間計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算分析，復(fù)核設(shè)計(jì)圖紙上給定的理論成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)。按照設(shè)計(jì)提供的橋梁基本參數(shù)以及施工工序?qū)κ┕み^(guò)程進(jìn)行正裝計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以得到各施工狀態(tài)以及成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制數(shù)據(jù)。理論分析采用Midas/Civil程序，計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 理論分析預(yù)測(cè)模型（參考模型）

4.2 施工監(jiān)測(cè)

施工監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括以下三個(gè)方面：

（1）梁體及桁架線形，包含兩者的豎向、橫向位移情況；

（2）主墩變形，包含關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵截面的變形情況；

（3）應(yīng)力，包含梁體、桁架應(yīng)力。

4.2.1 連續(xù)梁梁體及桁架線形測(cè)量

（1）測(cè)量方法

梁體及桁架上的關(guān)鍵點(diǎn)均布置有測(cè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量這些測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高變化和偏位并結(jié)合主墩的變形情況，可以得到梁體及桁架各個(gè)施工階段的線形，包括橫向的偏位情況。測(cè)量?jī)x器為全站儀。

（2）測(cè)點(diǎn)布置

①梁體測(cè)點(diǎn)：縱向在距每號(hào)塊梁端10 cm位置處設(shè)置線形觀測(cè)斷面、每個(gè)斷面橫向在三個(gè)腹板上方埋設(shè)沉降觀測(cè)標(biāo)，每個(gè)斷面共3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

②桁架測(cè)點(diǎn)：上弦桿和大腹桿的交點(diǎn)處布置測(cè)點(diǎn)，桁架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱位置測(cè)點(diǎn)一樣，確保在焊接連成整體之前其實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)和設(shè)計(jì)值誤差滿足規(guī)范及圖紙要求，同時(shí)在后續(xù)工況通過(guò)監(jiān)測(cè)其坐標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)桁架的線形變化。

梁體及桁架的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖5 線形測(cè)點(diǎn)布置圖

測(cè)點(diǎn)的具體布置要和施工單位共同協(xié)商確定，以上測(cè)點(diǎn)位置可適當(dāng)變動(dòng)。

③測(cè)量注意事項(xiàng)

由于大氣溫度對(duì)標(biāo)高或桁架的偏位測(cè)量影響較大，測(cè)量控制時(shí)間一般選擇在夜晚22:00至早上7:00日照之前的時(shí)間(溫度較恒定的時(shí)段)內(nèi)，應(yīng)盡快完成，并考慮對(duì)日照、風(fēng)力、大氣壓等影響進(jìn)行適當(dāng)修正。

4.2.2 主墩變形測(cè)量

主墩的變形測(cè)量目的是為了更準(zhǔn)確的分析主梁、桁架在各施工階段的變形情況，其測(cè)量的方法同樣是通過(guò)全站儀測(cè)量相關(guān)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)而得到變形值，測(cè)量的時(shí)間與梁體、桁架的測(cè)量時(shí)間相同，以確保各位置標(biāo)高的相互校核。主墩變形測(cè)點(diǎn)布置于墩頂?shù)膫?cè)面。

4.2.3 應(yīng)力測(cè)量

鋼桁加勁連續(xù)梁橋?qū)儆诙啻纬o定結(jié)構(gòu)，施工工序復(fù)雜，體系轉(zhuǎn)換較多。對(duì)于梁體及桁架關(guān)鍵截面上的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

（1）測(cè)量方法

應(yīng)力測(cè)量采用鎳鏮振弦式應(yīng)力傳感器。對(duì)于梁體采用內(nèi)埋式傳感器，而對(duì)于桁架應(yīng)力的測(cè)量采用外貼式傳感器。

（2）測(cè)點(diǎn)布置

①梁體

主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在主墩根部，沿順橋向設(shè)4個(gè)控制斷面，每個(gè)斷面預(yù)埋若干個(gè)應(yīng)變計(jì)，要求能反映截面的詳細(xì)應(yīng)力分布狀況，連續(xù)梁斷面位置及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

圖6 主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

②桁架

桁架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在上弦桿受壓，大腹桿受壓，大腹桿受拉處,對(duì)稱布置，共12個(gè)截面，兩側(cè)桁架測(cè)點(diǎn)布置相同。截面的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖7、圖8、圖9所示，所有截面桁架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均為外貼式測(cè)溫傳感器。

圖7 鋼桁架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

圖8 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)截面一

圖9 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)截面二

③注意事項(xiàng)

結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的變化與施工進(jìn)程密切相關(guān)，因此應(yīng)在每道施工工序結(jié)束后根據(jù)工序的不同間隔2～3小時(shí)測(cè)量一次，直至數(shù)值穩(wěn)定。

應(yīng)變計(jì)固定后即進(jìn)行測(cè)讀數(shù)，以驗(yàn)證應(yīng)變計(jì)是否良好。

混凝土內(nèi)部應(yīng)變計(jì)的初讀數(shù)應(yīng)以混凝土水化熱釋放基本完畢后的讀數(shù)為準(zhǔn)。這個(gè)讀數(shù)的獲得是以混凝土澆筑完畢后每隔2 h～3 h測(cè)量一次，穩(wěn)定的數(shù)值即為該讀數(shù)。

桁架外貼應(yīng)變計(jì)應(yīng)在桁架無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下黏貼。所謂無(wú)應(yīng)力狀態(tài)是指桁架在地面或臺(tái)座上平放的狀態(tài)，一旦起吊安裝即進(jìn)入有應(yīng)力狀態(tài)。

應(yīng)變計(jì)讀數(shù)應(yīng)在早上氣溫相對(duì)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行，以消除氣溫變化引起的影響。這點(diǎn)對(duì)于桁架外貼應(yīng)變計(jì)尤為引起注意。

應(yīng)力測(cè)量應(yīng)及時(shí)與設(shè)計(jì)理論值進(jìn)行比較，如出現(xiàn)應(yīng)力超出監(jiān)控允許范圍，應(yīng)及時(shí)停工查找原因并處理。

4.3 施工控制

施工控制是整個(gè)橋梁監(jiān)控的核心任務(wù)，遵循以線形調(diào)控為主，應(yīng)力調(diào)控為輔的原則。其目的就是調(diào)整理論計(jì)算和測(cè)試結(jié)果之間的誤差，使結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力盡量符合設(shè)計(jì)要求，它包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容。

4.3.1 誤差分析和原因判斷

（1）掛籃及支架變形誤差分析；

（2）桁架安裝誤差對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析；

（3）預(yù)應(yīng)力張拉誤差對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析；

（4）混凝土彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析；

（5）混凝土徐變對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析；

（6）桁架節(jié)段自重誤差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；

（7）合龍溫度對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析；

（8）水化熱對(duì)應(yīng)力測(cè)量的影響分析等。

4.3.2 修改設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)計(jì)算

按圖3所示的流程，比較結(jié)構(gòu)的測(cè)量狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化識(shí)別，然后采用已識(shí)別出的參數(shù)，用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新分析。

4.3.3 預(yù)告結(jié)構(gòu)下階段標(biāo)高

隨施工階段的進(jìn)行，提前預(yù)告梁體施工立模標(biāo)高或桁架安裝標(biāo)高

立?；虬惭b標(biāo)高計(jì)算公式為：

式中：H立模（安裝）—立模或安裝標(biāo)高；

H設(shè)計(jì)—橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)高；

f掛籃（支架）—支架所發(fā)生的變形；

f后期施工影響—結(jié)構(gòu)某一部分在混凝土澆筑（梁體）或安裝（桁架）之后，由于后續(xù)施工階段的影響使該點(diǎn)產(chǎn)生的變形，這種變形直到成橋竣工時(shí)為止；

f1/2靜活載—橋梁承受1/2靜活載所引起變形；

f后期徐變—橋梁竣工后由于后期混凝土收縮徐變而引起的變形。

這里規(guī)定，正負(fù)號(hào)以變形向上為正向下為負(fù)。

4.3.4 竣工標(biāo)高

我們知道，設(shè)計(jì)標(biāo)高理論上即為橋梁在正常使用情況下的標(biāo)高?？傮w上服從于路線縱斷面的線形設(shè)計(jì)，是橋梁竣工多年(一般為3～5年)以后，混凝土后期收縮徐變大體完成，橋梁不再發(fā)生明顯的后期變形，在承受1/2靜活載情況下的標(biāo)高。

竣工標(biāo)高即為橋梁剛剛竣工時(shí)的成橋標(biāo)高。橋梁在竣工后還要發(fā)生后期收縮徐變變形及活載變形。如果沒(méi)有鋪裝二期恒載，后期還要發(fā)生二期恒載變形。

竣工標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的關(guān)系可以如下公式表述：

式中：H竣工—橋梁竣工標(biāo)高；

H二期恒載—橋梁二期恒載產(chǎn)生的變形。

其余符號(hào)意義及正負(fù)號(hào)規(guī)定同前。

由于橋梁竣工后的收縮徐變是幾年后才完成，所以以橋梁竣工標(biāo)高來(lái)衡量橋梁的線形是比較科學(xué)的。

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算對(duì)比分析

為保證預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和鋼桁的合龍精度，在跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁施工過(guò)程中，采用高精度全站儀和精確的測(cè)量方法對(duì)該橋的測(cè)量控制網(wǎng)進(jìn)行了復(fù)測(cè)。

界臨特大橋跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁557～562號(hào)墩全橋梁面實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論值比較如圖10所示，每次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)除個(gè)別與理論相差稍大（均在可調(diào)范圍之內(nèi)，施工中進(jìn)行了及時(shí)調(diào)整）外，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與線形監(jiān)控理論計(jì)算值的偏差都在10 mm以內(nèi)，為預(yù)應(yīng)力混凝土梁體的合龍?zhí)峁┝肆己玫幕A(chǔ)，為鋼桁的安裝提供了有力的保障。

圖10 跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連梁實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論比較曲線圖

6 成橋后梁體的線形和內(nèi)力狀態(tài)分析

根據(jù)實(shí)測(cè)和理論對(duì)比數(shù)據(jù)可知，在橋梁施工過(guò)程中，每一懸澆節(jié)段高程控制比較理想，全橋?qū)嶋H施工線形變化與采用有限元理論計(jì)算的模型變化值較為吻合，全橋內(nèi)力分布與設(shè)計(jì)相符。全橋合龍精度高，大橋線形及受力狀態(tài)與理論計(jì)算吻合，線形優(yōu)美，符合設(shè)計(jì)要求。