大跨度混凝土斜拉橋拆除過程的施工監(jiān)控

彭 瑋，范 昭，陳 晉，楊允表，董書鳴

（1.上海城投航道建設(shè)有限公司，上海市 200441；2.上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司，上海市 200433；3.上?？坡吠聊竟こ套稍冇邢薰?，上海市 200433）

1 工程概況

泖港大橋老橋位于松江區(qū)泖港鎮(zhèn)葉新公路，跨越大泖港，為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。主橋全長370 m，跨徑布置為85 m+200 m+85 m，在每個邊跨1/3 及2/3 處各設(shè)一錨固墩，橋面寬12 m，其中行車道7 m，人行道各2.5 m。泖港大橋老橋立面如圖1 所示。

圖1 泖港大橋老橋立面圖（單位：m）

大橋橋面結(jié)構(gòu)由分離式雙箱梁及п 形車道板組成，橋面除主墩墩頂40 m 范圍與橋臺頂端17 m為現(xiàn)澆混凝土外，其他為預(yù)制安裝后澆接頭形式。橋面橫向分三塊預(yù)制構(gòu)件—兩只邊箱梁及一塊帶橫梁縱肋的車道板；每只邊箱梁高2.2 m，頂寬2.51 m，底寬1.9 m，長度5.9 m，附帶橫梁及斜拉索錨梁，重量為30～36 t 不等，全橋共計72 件；車道板長5.9 m，高1.64 m，寬4.9 m，每件重23 t，全橋共計36 塊。

大橋主塔為雙柱鋼筋混凝土直塔，縱向直柱形，橫向帶交叉腹桿的雙柱式剛架，柱中心距8.7 m，柱高中心部設(shè)置十字交叉形抗風(fēng)腹桿4 道。橋面以上塔高44 m，離地面52 m 高，主塔外包尺寸3.4 m×1.2 m。斜拉索為豎琴式密索布置，塔柱前后設(shè)置11組斜拉索，全橋共164 根斜拉索，由Ф5 高強鋼絲（光面）經(jīng)手工編制而成的平行鋼絲索，水平索距6.5 m，垂直為3.25 m。拉索兩端分別配裝固定端錨和張拉端錨，錨具為冷鑄鐓頭錨，梁內(nèi)錨固，塔端張拉。

該橋于1982 年6 月竣工通車，是上海第一座斜拉橋，也是當時上?？鐝阶畲蟮臉蛄骸＝?jīng)過近四十年的風(fēng)雨歷程，車輛超載等原因?qū)е聵蛄航Y(jié)構(gòu)劣化，老橋的通行能力已不滿足日益增長的交通需求，加之泖港航道等級提升，老橋的通航凈空不能滿足航道整治提升后的通航凈空需求。經(jīng)多次論證后，決定將老橋拆除重建。

2 老橋拆除監(jiān)控原則的確定

在泖港大橋老橋?qū)⒔氖甑倪\營期間，經(jīng)歷過車輛撞擊斜拉索、船舶撞擊主梁以及車輛超載等各種損傷，結(jié)構(gòu)的強度與剛度等都有不同程度的弱化，雖然老橋拆除原則上是按照橋梁建造的逆順序進行[1]，但拆除過程面臨很多不確定因素，如何確保拆除全過程中結(jié)構(gòu)體系、機械設(shè)備和人員的安全是施工監(jiān)控的目標。

與新建橋梁不同，施工監(jiān)控除了要確保結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全外，還需要確保每一施工步驟中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及索力與設(shè)計預(yù)期一致，這樣才能保證大橋成橋時的標高和索力滿足設(shè)計要求。而拆橋因無運營要求，其拆除過程的監(jiān)控主要還是以預(yù)警為核心來建立安全體系。為此，根據(jù)以建橋逆序進行拆橋為原則而擬定的施工方案進行施工監(jiān)控的前期結(jié)構(gòu)分析，特別關(guān)注正序施工時未出現(xiàn)過的施工工況，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化施工方案，并參考類似橋梁的監(jiān)控經(jīng)驗[2-3]，結(jié)合老橋近期的檢測情況[4-5]，明確拆橋過程的關(guān)鍵控制參數(shù)。在拆橋?qū)嵤┻^程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)針對關(guān)鍵控制參數(shù)所采集的數(shù)據(jù)進行分析并與理論預(yù)測值進行比較，以保證整個拆橋施工過程的安全。

根據(jù)前期的監(jiān)控結(jié)構(gòu)分析并經(jīng)過多次技術(shù)討論與技術(shù)評審，確定了以下老橋拆除監(jiān)控的原則：

（1）老橋拆除施工原則上按建橋時的施工順序逆向進行；

（2）以主梁及塔頂位移控制為主，拉索索力及塔梁應(yīng)力控制為輔；

（3）每個主塔兩側(cè)拉索索力在拆除過程中盡量保持對稱；

（4）因老橋結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀情況與理論分析可能存在較大的差別，針對每個拆橋工況特別是關(guān)鍵工況，應(yīng)加強理論分析結(jié)果與實際結(jié)構(gòu)變化情況（例如每個工況前后主梁、主塔的位移變化量）的對比，如果兩者差別較大，應(yīng)及時進行分析以判斷是否需要調(diào)整局部施工方案；

（5）拆橋過程中應(yīng)避免瞬時沖擊荷載對未拆除部分結(jié)構(gòu)造成的影響。

3 施工監(jiān)控的計算分析

泖港大橋老橋為主跨200 m 雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)，墩梁鉸接，單懸臂加吊梁的豎琴式混凝土斜拉橋，在恒載下結(jié)構(gòu)為三孔外部靜定的懸臂梁，活載作用下為七孔超靜定的連續(xù)懸臂梁。老橋結(jié)構(gòu)的計算分析采用大型結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil 建立三維空間模型，其中塔柱與主梁采用梁單元，拉索采用索單位，計算模型如圖2 所示。

圖2 泖港大橋老橋的計算模型

由于老橋是20 世紀70 年代設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計非常精細而經(jīng)濟，考慮的施工步驟繁多，老橋結(jié)構(gòu)的監(jiān)控計算分析非常復(fù)雜，需要考慮的問題很多，由于文章的篇幅有限，下面簡要地介紹一下計算分析的主要思路與內(nèi)容：

（1）首先需要確定老橋拆除前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在建立計算模型時考慮老橋建橋時候的主要施工階段，調(diào)整斜拉索索力使之與其竣工圖里的設(shè)計索力基本一致，考慮收縮徐變效應(yīng)，得到運營期間結(jié)構(gòu)的自振頻率、索力、主梁位移與檢測報告的結(jié)果[4-5]進行對比，根據(jù)對比結(jié)果，對模型中的成橋索力進行微調(diào)，得到一個相對合理的老橋拆除前的結(jié)構(gòu)基準狀態(tài)。

（2）根據(jù)以建橋逆序進行拆橋為原則而擬定的拆橋施工流程[1]，建立拆橋施工階段的模型。

（3）利用計算模型，詳細分析拆橋過程的施工荷載效應(yīng)（主梁節(jié)段切割時浮吊提升力大小的優(yōu)化）、斜拉索切割順序以及節(jié)段切割長度的優(yōu)化等，確保過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與主梁、主塔以及拉索索力承載力滿足要求，主塔偏位與主梁位移的變化在正常范圍之內(nèi)。

（4）根據(jù)最終的拆橋流程修正模型，提取每個施工階段的索力、主梁位移與主塔偏移的變化值作為預(yù)測值，與施工過程現(xiàn)場監(jiān)測的實測值進行比較，如果兩者相差太大而影響到結(jié)構(gòu)與施工的安全，則進行施工流程的局部調(diào)整。

4 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計是老橋拆除施工監(jiān)控的重要一環(huán)，主要包括主梁豎向變形監(jiān)測、主塔偏位監(jiān)測、斜拉索索力監(jiān)測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測以及自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

4.1 主梁豎向變形與主塔偏位監(jiān)測

主梁豎向變形監(jiān)測主要是監(jiān)控拆橋過程中各階段變形的合理性，避免拆除過程中受力的不對稱。主梁豎向變形監(jiān)測主要分為常規(guī)監(jiān)測與實時監(jiān)測，常規(guī)監(jiān)測采用電子水準儀人工測量，每拆除一個節(jié)段就對余下節(jié)段進行測量。實時監(jiān)測采用高精度靜力水準儀，實現(xiàn)24 h 連續(xù)監(jiān)測，有異常變形情況及時預(yù)警。

主梁共設(shè)置44 個常規(guī)撓度監(jiān)測斷面，每對索布置一個監(jiān)測斷面，每個斷面橫向布置2 個測點，分別位于橋面拉索點位置，橫向主要監(jiān)測橋面扭轉(zhuǎn)情況；同時在每個主塔與主梁相交處布置一套高精度自動監(jiān)測靜力水準儀，每套2 個，位于塔根部的為參考基點，全橋共布置兩套，共4 個靜力水準儀。

主塔在每個斜拉索錨固位置設(shè)置1 個偏位監(jiān)測測點，每塔共設(shè)置11 個斷面，貼反光片，全橋共布置44 個反光片監(jiān)測斷面。為方便塔拆除，在塔上5 號索位置布置測斜儀，每塔布置1 個監(jiān)測點，全橋共布置2 個測斜儀塔偏位監(jiān)測測點。其中反光片測點采用人工測量，監(jiān)測每個節(jié)段拆除后塔的偏位情況。塔上測斜儀采用自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)，24 h 監(jiān)測塔偏位情況，出現(xiàn)異常時隨時報警。

主梁撓度靜力水準儀監(jiān)測測點與主塔測斜儀布置如圖3 所示。

圖3 老橋結(jié)構(gòu)位移測點布置示意圖

4.2 斜拉索索力監(jiān)測

斜拉橋索力監(jiān)測是評估在拆除各節(jié)段過程中對余下節(jié)段影響的重要指標。本橋?qū)λ髁y試采用頻率法。

全橋共拉索82 對（164 根），視情況進行測量。具體測量步驟為：在老橋拆除前，先全橋索力測一遍，在每個節(jié)段拆除后對余下的索索力進行測量，評估索力變化的合理性，直至全部拉索節(jié)段拆除。

4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

為了確保大橋在拆除施工過程中的結(jié)構(gòu)安全，及時掌握結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的受力狀態(tài)，在主梁和塔的多個斷面處安裝應(yīng)變傳感器，以測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變（應(yīng)力）變化值。拆除施工過程中監(jiān)測截面的關(guān)鍵點位采用表面振弦式應(yīng)變計，并接入自動采集系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測與及時預(yù)警。

因是拆除施工，應(yīng)力監(jiān)測點的布置一方面要準確、可靠，另一方面要保證不對施工造成影響。所以老橋主塔應(yīng)力監(jiān)測點僅在塔與梁相交的斷面進行布置，主梁應(yīng)力測點布置于中跨靠近塔處的梁變截面位置。全橋共布置4 個斷面，主梁2 個斷面，每斷面布置4 個測點，主塔2 個斷面，每個斷面布置4 個測點，共16 個測點，具體布置如圖4 所示。

圖4 老橋結(jié)構(gòu)位移測點布置示意圖

此外，由于溫度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較為顯著，需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)溫度測點進行結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場測試，確定溫度測點布置與應(yīng)力測點布置相同，在同一位置上直接利用溫度型應(yīng)變計的溫度讀數(shù)。

4.4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

自動監(jiān)測系統(tǒng)在施工監(jiān)控中已有應(yīng)用[6]，通過在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋測試元件，與采集及傳輸設(shè)備形成系統(tǒng)，全天24 h 對結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力及位移的自動測量及監(jiān)控，形成實測數(shù)據(jù)庫。通過實測數(shù)據(jù)庫測量數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)計算模型分析數(shù)據(jù)的對比分析，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方法的有效性。

系統(tǒng)主要是采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成?，F(xiàn)場應(yīng)變、位移測試儀器通過有線的方式接入現(xiàn)場自動采集機箱，自動采集機箱通過無線的方式將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)存儲及分析服務(wù)器。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

在老橋拆除過程中，理論分析給出預(yù)測值，現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)提供實測值，每個拆橋步驟特別是關(guān)鍵步驟結(jié)束后，如果兩者基本吻合，則理論模擬與實際結(jié)構(gòu)相近，可進行下一步的拆橋步驟，反之，需要仔細分析原因并且評估之后的拆除工序是否對未拆除結(jié)構(gòu)的安全造成較大的風(fēng)險，給出是否需要修正之后的拆除工序，等確保理論分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)是安全后，才能進行下一拆橋步驟的施工。

老橋中間掛孔為30 m T 梁，重約360 t，是整個拆橋過程的第一步，也是關(guān)鍵的步驟之一。中間跨孔拆除后，主梁跨中懸臂端發(fā)生向上的位移，主塔塔頂發(fā)生向岸側(cè)的偏位，其實測值與理論預(yù)測值的對比如表1 所示。

表1 中間跨孔拆除后結(jié)構(gòu)的位移對比 單位：mm

從表1 的數(shù)據(jù)對比可以看出，中間掛孔拆除這一關(guān)鍵工況下，老橋的理論預(yù)測值與實測值非常接近，說明老橋結(jié)構(gòu)還保持良好的彈性工作狀態(tài)。由于老橋拆除過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)較多[7]，文中不能一一列舉，給出以下一些總結(jié)性的分析結(jié)果與結(jié)論：

（1）根據(jù)應(yīng)力實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到，在未進行切索與吊梁施工時，大多數(shù)位置測點應(yīng)力與溫度之間相關(guān)度較高，在不受荷載變化的情況下，應(yīng)力基本上是隨溫度呈規(guī)律變化。拆橋施工過程中應(yīng)力變化比較明顯的部位分別是主塔河跨側(cè)與主梁下緣，特別是掛孔梁拆除后應(yīng)力變化比較明顯，后續(xù)施工過程中應(yīng)力變化有所減小?？偟膩碚f，主梁應(yīng)力變化略小于其理論值，主塔應(yīng)力變化略大于其理論值，拆橋過程中主塔與主梁應(yīng)力變化正常。

（2）根據(jù)主塔偏位實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到，掛孔梁拆除后對塔偏位有比較明顯的影響，主塔5# 索位置順橋向位移主要在-40 mm 與40 mm 之間變化，此工況下理論值為44 mm，實測值與理論值較接近。在切索與切梁過程中，塔偏位隨著河跨側(cè)荷載減小，塔偏位慢慢恢復(fù)。后繼節(jié)段拆除施工中，主塔偏位數(shù)據(jù)呈規(guī)律性變化且變化正常，無異常情況發(fā)生。

（3）從主梁靜力撓度（橋面豎向位移）實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到，大多數(shù)時間段，主梁撓度變化與相應(yīng)溫度變化相關(guān)度較高，在拆橋工況變化時，數(shù)值變化比較明顯，實測值與理論值比較接近，主梁位移變化正常。

（4）從索力的測試數(shù)據(jù)分析得到，各工況下，索力變化值與理論計算值基本接近，最大差值在200 kN左右，相對拆橋工況來說，索力差在控制范圍內(nèi)。

所以，老橋在拆除過程中各項數(shù)據(jù)變化正常。

6 結(jié) 語

在泖港大橋老橋拆除過程中，施工監(jiān)控單位根據(jù)制定的監(jiān)控方案對老橋結(jié)構(gòu)進行了監(jiān)測，在拆除施工過程中采集了大量的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行了有效的分析，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析結(jié)果在拆橋過程中起到了重要的作用。

泖港大橋老橋已成功拆除完畢，拆除過程中所積累的工程經(jīng)驗可為其他類似項目所借鑒。