南水北調(diào)跨渠生產(chǎn)橋施工過程監(jiān)控技術(shù)探討

【摘 要】為保證橋梁施工質(zhì)量，防止事故發(fā)生，監(jiān)控技術(shù)在橋梁建造施工過程中越來越受到重視。文章對南水北調(diào)工程跨渠生產(chǎn)橋梁施工過程中采用的監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行分析與闡述。

【關(guān)鍵詞】橋梁施工; 施工監(jiān)控; 測量

【中圖分類號】U446.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 工程概況

本跨渠生產(chǎn)橋位于南水北調(diào)干渠兩岸兩村之間，是為滿足居民生產(chǎn)和生活的需要，連接附近村莊到總干渠對岸的主要交通通道。根據(jù)總干渠的開挖斷面，干渠管理道路與生產(chǎn)橋立交。根據(jù)橋梁布置原則的要求，結(jié)合干渠管理道路的位置，橋跨布置為4×20 m+90 m+4×20 m。其中主橋90 m跨度的系桿拱橋?yàn)槭┕けO(jiān)控的對象。

2 施工監(jiān)控的目標(biāo)、內(nèi)容和工作重點(diǎn)

2.1 施工監(jiān)控的目標(biāo)

施工監(jiān)控的目標(biāo)就是在施工過程中控制結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形始終處于安全的范圍內(nèi)，成橋后結(jié)構(gòu)的線形與內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)本身又處于最優(yōu)的受力狀態(tài)。

2.2 施工監(jiān)控的內(nèi)容

監(jiān)控工作的主要內(nèi)容包括監(jiān)控計(jì)算、施工監(jiān)測。

監(jiān)控計(jì)算一般取用設(shè)計(jì)部門確定的設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)作為監(jiān)控計(jì)算的初始狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上確定計(jì)算控制參數(shù)，建立計(jì)算模型。檢查驗(yàn)算橋梁結(jié)構(gòu)成橋和施工各階段主要受力部位如拱肋、系梁等的應(yīng)力及位移是否滿足規(guī)范要求。然后結(jié)合具體的施工工況和測量數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移、應(yīng)力分析計(jì)算，得出預(yù)測值。

施工監(jiān)測包括對主拱肋和系梁的應(yīng)力、線形測量;吊桿索力測量;系桿分階段張拉時(shí)的拱腳位移、轉(zhuǎn)動(dòng)測量，和主拱肋及系梁的變形和應(yīng)力測量;溫度場的監(jiān)測;橋面線形測量。

3 監(jiān)控工作內(nèi)容及重點(diǎn)

3.1 施工控制計(jì)算

3.1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算就是利用建立的結(jié)構(gòu)計(jì)算體系對施工過程中每一階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、內(nèi)力和位移狀態(tài)以及施工監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮施工誤差、材料屬性差異等因素的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果為各節(jié)段施工提供施工監(jiān)控目標(biāo)值，保證節(jié)段施工的順利進(jìn)行，從而保證結(jié)構(gòu)最終達(dá)到或接近設(shè)計(jì)要求的成橋狀態(tài)。

本橋監(jiān)控計(jì)算準(zhǔn)備采用多套軟件進(jìn)行。本橋的監(jiān)控計(jì)算采用兩種分析方法。首先通過對設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)倒拆，以獲取各施工節(jié)段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、線形等，即所謂“倒拆計(jì)算法”;然后利用“倒拆法”獲得的各施工階段內(nèi)力、線形按照架設(shè)順序及相應(yīng)工況進(jìn)行正裝計(jì)算，整個(gè)計(jì)算步驟按主橋施工架設(shè)過程進(jìn)行，直至合攏，即所謂“正裝計(jì)算法”。正裝計(jì)算需進(jìn)行多次迭代，逐步逼近，最終達(dá)到理想的符合設(shè)計(jì)要求的成橋內(nèi)力及線形。

首先根據(jù)該橋架設(shè)過程，進(jìn)行施工架設(shè)直至最終成橋全過程的計(jì)算，并計(jì)算該橋在各種荷載作用下橋梁各構(gòu)件的內(nèi)力、變形，與設(shè)計(jì)院進(jìn)行相互校核。然后，在實(shí)際施工過程中結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識別，調(diào)整計(jì)算模型進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算分析。計(jì)算的主要內(nèi)容有：①各階段系梁的內(nèi)力和變形;②各階段拱肋的內(nèi)力和變形;

③吊桿初拉力及各階段吊桿拉力;

④架設(shè)及施工過程中系梁、拱肋的預(yù)拱度設(shè)計(jì)和架設(shè)標(biāo)高;

⑤成橋階段橋面的標(biāo)高。

3.1.2 施工控制方法

施工控制就是對橋梁施工過程實(shí)施控制，確保在施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形始終處于容許的安全范圍內(nèi)，確保成橋狀態(tài)（包括成橋線形和成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力）符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)形式、施工特點(diǎn)及具體控制內(nèi)容，可以采用橋梁施工預(yù)測控制法。

預(yù)測控制法是指在全面考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和施工所要達(dá)到的目標(biāo)后，對結(jié)構(gòu)的每一個(gè)施工階段（節(jié)段）形成前后的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，使施工沿著預(yù)定狀態(tài)進(jìn)行。由于預(yù)測狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)間免不了有誤差存在，某種誤差對施工目標(biāo)的影響則在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測予以考慮，以此循環(huán)，直到施工完成和獲得與設(shè)計(jì)相符合的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在實(shí)際施工中，在每一個(gè)階段完成后，可以對橋梁的實(shí)際信息進(jìn)行測試，測試的結(jié)果又可以反饋給預(yù)測控制。通過反饋得到的實(shí)測值與預(yù)測值進(jìn)行對比，在排除儀器誤差、測試原理等非結(jié)構(gòu)因素引起的誤差以外，就可以判斷實(shí)際施工的誤差狀態(tài)，然后重新調(diào)整計(jì)算，力爭在下個(gè)階段中減小或消除誤差。實(shí)際的施工控制就是重復(fù)預(yù)測-反饋-調(diào)整后預(yù)測過程中，最終保證橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形始終處于容許的安全范圍內(nèi)。

3.1.3 參數(shù)的估計(jì)、預(yù)測和調(diào)整

施工控制是全過程的控制，也就是每個(gè)施工階段都要控制，這樣才能避免誤差的累積和確保施工安全。

在橋梁施工過程各階段及體系各部分相互關(guān)聯(lián)，不論是在施工階段之間還是結(jié)構(gòu)內(nèi)部都相互影響。由于存在各種各樣的誤差以及環(huán)境方面的影響，使得施工過程中實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論狀態(tài)總會存在一定偏差，因此，需要根據(jù)理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)測成果，采用控制理論分析方法來調(diào)節(jié)偏差，使整個(gè)施工過程結(jié)構(gòu)狀態(tài)始終在受控狀態(tài)及結(jié)構(gòu)處于控制范圍內(nèi)，并盡量接近設(shè)計(jì)和計(jì)算理論值。

（1）參數(shù)估計(jì)。首先，根據(jù)影響性分析確定需進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的計(jì)算量（如預(yù)應(yīng)力參數(shù)、砼彈模、主梁重量等）;然后根據(jù)大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，采用最小二乘法確定最優(yōu)估計(jì)值;最后，將最優(yōu)估計(jì)值重新帶入安裝計(jì)算模型重新計(jì)算，得到一套進(jìn)一步精確的理論數(shù)據(jù)。

（2）濾波和預(yù)測。通過參數(shù)估計(jì)，基本上消除了計(jì)算誤差（系統(tǒng)誤差），但實(shí)際施工中由于測量手段、施工工藝的限制，仍然會存在一定的偶然誤差，這就需要進(jìn)行濾波、預(yù)測和調(diào)整。

建立合適的狀態(tài)方程，采用目前較成熟的卡爾曼濾波法進(jìn)行濾波和預(yù)測，可以得到目前結(jié)構(gòu)狀態(tài)的濾波估計(jì)值，和下一步施工參數(shù)的預(yù)測估計(jì)值。根據(jù)合理的預(yù)測值可以及時(shí)采取措施，減小后續(xù)施工過程中結(jié)構(gòu)偏差。

（3）優(yōu)化調(diào)整。對于已存在的偏差，根據(jù)最小二乘法理論，采用適當(dāng)手段（如預(yù)應(yīng)力）進(jìn)行最優(yōu)調(diào)整，做到既能最大化減小結(jié)構(gòu)偏差，又方便施工。

3.2 施工監(jiān)測

3.2.1 應(yīng)力測量

由于設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用的各項(xiàng)物理力學(xué)或時(shí)間參數(shù)和實(shí)際工程中的相應(yīng)參數(shù)值不可能完全一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力未必與設(shè)計(jì)計(jì)算預(yù)期的結(jié)果相一致。因此有必要在施工階段對梁體控制截面進(jìn)行施工應(yīng)力監(jiān)控測試，為設(shè)計(jì)、施工控制提供參考數(shù)據(jù)，以確保大橋安全、優(yōu)質(zhì)建成。

對于混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)力測點(diǎn)采用長期性能穩(wěn)定可靠、抗損傷性能好、設(shè)置定位容易及對施工干擾小的埋入式鋼弦混凝土應(yīng)變計(jì)。影響混凝土應(yīng)力測試的因素很復(fù)雜，除荷載作用引起的彈性應(yīng)力應(yīng)變外，還與收縮、徐變、溫度有關(guān)。目前國內(nèi)外混凝土的應(yīng)力測試一般通過應(yīng)變測量換算應(yīng)力值，即：

σ=E·ε1

式中：σ為荷載作用下混凝土的應(yīng)力;E為混凝土彈性模量;ε1為荷載作用下混凝土的彈性應(yīng)變。

實(shí)際測出的混凝土應(yīng)變則是包含溫度、收縮、徐變變形影響的總應(yīng)變ε。即：

ε=ε1+ε3+ε2（1）

式中：ε1為彈性應(yīng)變;ε2為無應(yīng)力應(yīng)變，包括溫度應(yīng)變和收縮應(yīng)變;ε3為徐變應(yīng)變。

為了補(bǔ)償混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)變并消除溫度、收縮影響，在布置應(yīng)力測點(diǎn)時(shí)同時(shí)埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)，分別測得混凝土應(yīng)變ε和無應(yīng)力應(yīng)變ε2，再通過相應(yīng)的分析和計(jì)算分離出徐變應(yīng)變ε3，按式（1）即可得到彈性應(yīng)變ε1。

應(yīng)力測試與施工同時(shí)進(jìn)行，因而要求測試元件必須具備長期穩(wěn)定性好、抗損傷性能好、設(shè)置定位容易及對施工干擾小等性能。本橋測試元件選用ZX-215A型鋼弦式應(yīng)變計(jì)并配合使用JMZX-300型綜合測試儀進(jìn)行測試?？芍苯訙y出混凝土的實(shí)際應(yīng)變，再根據(jù)各自的彈性模量推算應(yīng)力。其主要指標(biāo)如下：量程：+1500 με;精度為±0.3 με;年漂移量小于±0.5 %，經(jīng)溫度補(bǔ)償后溫度漂移小于±1 %/10 ℃。

對于鋼管拱肋，應(yīng)力測點(diǎn)采用長期性能穩(wěn)定可靠、抗損傷性能好、設(shè)置定位容易表面式鋼弦應(yīng)變計(jì)。本橋測試元件選用智能型ZX-205T型鋼弦式應(yīng)變計(jì)（溫度型），并配合使用JMZX-300X型綜合測試儀進(jìn)行測試。元件采用焊接固定。同混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力測量相同，為盡可能消除不均勻溫度場引起的溫度應(yīng)力影響干擾測量值，測量時(shí)機(jī)選在凌晨至日出前進(jìn)行，并同時(shí)測量各測點(diǎn)溫度。為此，各測點(diǎn)鋼弦應(yīng)變計(jì)均采用溫度型。在測量應(yīng)力的同時(shí)也測量了溫度場。

擬在拱肋上布置拱腳、1/4跨、拱頂5個(gè)應(yīng)力測試截面，拱肋每個(gè)截面上鋼管拱肋應(yīng)力測點(diǎn)各4個(gè)，如圖1所示。T形梁上布置兩個(gè)截面，拱腳處和跨中兩個(gè)截面，具體布置如圖2所示。為補(bǔ)償混凝土內(nèi)部的無應(yīng)力應(yīng)變，在各測試斷面設(shè)置專門的應(yīng)力補(bǔ)償塊，布置一個(gè)無應(yīng)力計(jì)。補(bǔ)償塊與測試部位齡期一致，環(huán)境相同或相近。應(yīng)力測試的工況一般在每個(gè)施工階段前后各測一次。

3.2.2 拱肋線形、拱腳坐標(biāo)及橋面線形測量

線形調(diào)整主要是通過設(shè)置合理的預(yù)拱度來實(shí)現(xiàn)的。因此，線形控制的關(guān)鍵在于分析預(yù)拱度的組成以及確定各組成的取值。對于預(yù)拱度的組成，可根據(jù)規(guī)范要求及混凝土澆注托架的傳力機(jī)理，一般能準(zhǔn)確確定。而對于預(yù)拱度各組成的取值，由于計(jì)算模型、設(shè)計(jì)參數(shù)取值、施工量測等的誤差不可避免，導(dǎo)致其合理取值非常困難。必須在前期施工過程中，通過有目的的大量測量，積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，逐步取得預(yù)拱度各組成部分的合理取值。對于設(shè)計(jì)預(yù)拱度，按規(guī)范要求?。ǔ蓸蚶塾?jì)位移+1/2活載撓度）的反值。

由于理論分析模型、計(jì)算參數(shù)取值等與實(shí)際情況存在一定差異，因此掛籃懸臂施工主梁實(shí)際產(chǎn)生的變形與理論計(jì)算值存在誤差。所以理論計(jì)算變形只能作為預(yù)拱度取值的一個(gè)依據(jù)，預(yù)拱度的合理取值還須通過多個(gè)梁段施工的監(jiān)測，不斷積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，才能正確取得。

拱橋的施工采用先梁后拱的施工方法，系梁采用滿堂支架施工，拱肋鋼管在系梁上搭設(shè)支架安裝。隨著施工過程各階段荷載的增加和系桿預(yù)應(yīng)力、吊桿的張拉，主拱肋的空間線形、拱腳坐標(biāo)及橋面線形都會發(fā)生變化，為了使這種變化保持在可控制范圍內(nèi)同時(shí)為與設(shè)計(jì)值比較，需要系梁澆筑后、拱肋安裝后、每次張拉系梁縱向預(yù)應(yīng)力和吊桿張拉前后對拱肋線形、拱腳坐標(biāo)及橋面線形進(jìn)行測量。通過橋墩處標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀測量系梁和橋面標(biāo)高，并定期復(fù)核基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高。順橋向在每根吊桿處布置標(biāo)高測量斷面，每個(gè)斷面橫橋向布置三個(gè)標(biāo)高測點(diǎn)。

全站儀架設(shè)在岸上一點(diǎn)，后視基準(zhǔn)控制點(diǎn)，再瞄準(zhǔn)拱肋上相應(yīng)測點(diǎn)的棱鏡，測出拱上測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。每一測試工況下的變位為測試值與初始值的差值。初始值為拱肋相應(yīng)測點(diǎn)架設(shè)完成時(shí)在氣溫恒定、無日照影響時(shí)自由狀態(tài)下的測量值。通過全站儀用坐標(biāo)法測量拱肋線形。拱肋安裝完后將棱鏡布置在拱腳、1/4跨徑、1/2跨徑處。測量時(shí)間將選在日出之前溫度較恒定的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行。

在系梁架設(shè)階段，為保證系梁在澆注時(shí)保證線形，且有合適的預(yù)拱度，多次測量支架頂面的標(biāo)高，如有偏差則調(diào)節(jié)支架高度，同時(shí)在系梁澆注前測量立模標(biāo)高。

在拱肋分段拼接時(shí)，應(yīng)保證段與段之間的拼接角度符合拱肋線形需要。在整個(gè)拱肋拼接與合龍階段，對拱肋線形每2 d至少監(jiān)測1次，在拱肋合龍前后應(yīng)對合龍段長度、拱肋前端的空間坐標(biāo)進(jìn)行24 h的連續(xù)觀察，觀察時(shí)間間隔為0.5 h，進(jìn)而確定是否能在規(guī)定合龍溫度下正常合龍。如出現(xiàn)無法在規(guī)定溫度下合龍，則應(yīng)及時(shí)采取措施解決。

3.2.3 吊桿的內(nèi)力測量

吊桿是支撐橋面的主要構(gòu)件，索體采用PES（FO）低應(yīng)力防腐索體，精確測量其拉力十分重要。擬采用頻譜分析法和傳遞函數(shù)法測量本橋吊桿在各個(gè)施工階段的拉力。

頻譜分析法是通過測量索的自振頻率，經(jīng)過計(jì)算并修正來確定索的拉力大小。這種方法特別適合于索數(shù)量多、規(guī)格（長度）種類多，要求快速量測的結(jié)構(gòu)體系。對于跨中部分長度較大的吊桿，EI/l2很小，可以看作兩端鉸接的柔性繩索，其張力與自振頻率的對應(yīng)關(guān)系為：

p=4mlf/k - k π EI/l

式中：l 為吊桿的自由振動(dòng)計(jì)算長度;k為纜索自振頻率的階數(shù);fk為纜索的第 k 階自振頻率。

頻譜分析法通過實(shí)測吊桿的自振頻率，可以計(jì)算出張力值。頻譜分析法對于長細(xì)比較大的吊桿比較精確，對于靠近橋墩的短吊桿，由于長度較短，剛度影響大，且邊界條件與理論模型不符，需要采用傳遞函數(shù)法進(jìn)行測量。傳遞函數(shù)法是通過小型力錘對索進(jìn)行激勵(lì)，并用加速度傳感器測量其響應(yīng)，通過互譜分析獲得索頻率（此法對索無損傷），通過我院對多座拱橋的檢測，證明此法效果非常好。

用高靈敏的壓電加速度計(jì)測量吊桿的振動(dòng)信號，振動(dòng)信號經(jīng)電荷放大器放大和濾波處理后，由動(dòng)態(tài)信號采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作分析處理。

吊桿內(nèi)力的測量在以下階段進(jìn)行：

①吊桿初拉過程及完成;

②每次橋面板標(biāo)高調(diào)節(jié);

③鋪設(shè)完二期恒載。

3.2.4 溫度場測量

溫差對橋梁結(jié)構(gòu)有重要影響，主要體現(xiàn)在對拱肋、系桿和吊桿上，為精確計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，因此需要對拱肋、系梁和吊桿等的溫度場進(jìn)行測試。拱肋和系梁內(nèi)部的溫度場通過預(yù)埋的傳感器進(jìn)行測試，為了檢測方便，選用溫度型的鋼弦應(yīng)變計(jì)在測試應(yīng)力的同時(shí)對溫度場進(jìn)行測試。對拱肋、系梁、吊桿、端橫梁的表面溫度和大氣溫度，采用點(diǎn)溫計(jì)進(jìn)行溫度測試。

拱肋和主梁上的溫度場的測點(diǎn)布置如圖3、圖4所示。

3.2.5 預(yù)應(yīng)力孔道摩阻測試

本橋選擇2根預(yù)應(yīng)力束作預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)。

根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算預(yù)應(yīng)力索與孔道壁的摩阻系數(shù)μ與孔道對設(shè)計(jì)位置的偏差系數(shù)k。

孔道摩阻試驗(yàn)方案如圖5所示。鋼束兩端安裝壓力傳感器測試張拉噸位，首先張拉至0.1倍的控制拉力，以此作為初始狀態(tài)，然后分級張拉至控制拉力。一端主動(dòng)，一端被動(dòng)，主被動(dòng)端荷載傳感器的差值即為孔道摩阻損失，然后可用最小二乘法計(jì)算孔道的摩阻系數(shù)及孔道偏差系數(shù)。預(yù)應(yīng)力張拉過程中，同時(shí)測試鋼絲的伸長量，并與計(jì)算伸長量對比，用以指導(dǎo)施工。用于孔道摩阻試驗(yàn)的鋼絞線下料長度應(yīng)加長兩個(gè)傳感器的長度。

檢算鋼束伸長量、錨下應(yīng)力、錨口損失值、錨具壓縮量及鋼束內(nèi)縮值、孔道壓漿密實(shí)度。

4 施工監(jiān)控精度

根據(jù)公路橋涵施工規(guī)范相關(guān)規(guī)范，結(jié)合目前測試儀器的精度范圍和結(jié)構(gòu)的分析水平，參照國內(nèi)其他一些大跨度鋼管拱橋的施工控制情況，本橋施工監(jiān)控精度指標(biāo)見表1。

5 施工監(jiān)控效果

經(jīng)過對施工過程的監(jiān)控，本橋在施工過程中控制結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形始終處于安全的范圍內(nèi)，成橋后結(jié)構(gòu)的線形與內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保了結(jié)構(gòu)本身處于最優(yōu)的受力狀態(tài)，確保了結(jié)構(gòu)的安全、主拱和橋面的合理線形。

6 結(jié)束語

做好橋梁工程施工監(jiān)控工作需要從多方面入手，在進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃及方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，應(yīng)積極引進(jìn)和吸收先進(jìn)的監(jiān)控方法和監(jiān)控技術(shù)，此外，在具體實(shí)踐中，要積極總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷研究新技術(shù)，新方法，以便推動(dòng)我國在橋梁施工監(jiān)控技術(shù)中的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]陶文景. 監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用[J]. 交通世界，2016（z2）：174-175.

[2]楊曉強(qiáng). 監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)在橋梁施工中的作用[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016 （14）.

[定稿日期]2021-05-25

[作者簡介]甘露（1980～），男，碩士，高級工程師，從事水利水電工程管理工作。