鋼橋制造與安裝中的變形監(jiān)測(cè)與精確調(diào)整技術(shù)研究

摘要：鋼橋作為跨越河流、海峽等自然障礙的重要交通工具，其建設(shè)質(zhì)量和安全性直接關(guān)系到城市的交通效率和公眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。鋼橋的制造與安裝過程復(fù)雜且技術(shù)要求高，其中變形控制，是確保橋梁結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以青龍門通航孔橋工程為例，深入探討鋼橋制造與安裝中的變形監(jiān)測(cè)與精確調(diào)整技術(shù)，以期為類似工程提供有益參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼橋；制造與安裝；變形監(jiān)測(cè)；精確調(diào)整

0" "引言

鋼橋在制造與安裝過程中，由于材料特性、荷載作用、施工環(huán)境及人為因素等多重影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種變形。若不能得到及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)與調(diào)整，將直接影響橋梁的幾何形態(tài)、受力狀態(tài)及整體穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

因此對(duì)鋼橋制造與安裝過程中的變形進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施精確調(diào)整，對(duì)于提高橋梁建設(shè)質(zhì)量、保障橋梁運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。

1" "青龍門通航孔橋工程概況

青龍門通航孔橋橋跨布置為119m+231m+2×756m+231m+119m三跨鋼箱梁斜拉橋，主橋全長(zhǎng)2212m，邊中跨比0.463，邊跨設(shè)輔助墩；斜拉索采用雙平面索布置，標(biāo)準(zhǔn)索間距15m，邊跨密索區(qū)間距9m，邊塔27對(duì)拉索，中塔21對(duì)拉索。

2" "鋼橋制造與安裝中的變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1" "橋梁墩臺(tái)沉陷觀測(cè)

沉陷監(jiān)測(cè)不僅反映墩臺(tái)的受力狀態(tài)，還能為后續(xù)施工提供重要依據(jù)。監(jiān)測(cè)工作通常采用高精度的測(cè)量?jī)x器，如水準(zhǔn)儀和激光測(cè)距儀。設(shè)置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，定期記錄墩臺(tái)的相對(duì)高度變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)沉陷趨勢(shì)[1]。

沉陷的監(jiān)測(cè)頻率一般與施工進(jìn)度相結(jié)合，施工初期需要更為密集的監(jiān)測(cè)，以便迅速識(shí)別任何異常情況。在青龍門通航孔橋的工程實(shí)例中，施工階段的沉陷監(jiān)測(cè)采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。結(jié)合設(shè)置在墩臺(tái)上的傳感器，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并傳輸至監(jiān)測(cè)中心，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

2.2" "橋面線形與撓度觀測(cè)

橋面線形的穩(wěn)定性，直接影響車輛的行駛舒適度和安全性。撓度則是橋梁在荷載作用下產(chǎn)生的變形，過大的撓度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷甚至失效。在監(jiān)測(cè)橋面線形時(shí)，通常采用高精度的激光測(cè)距儀或全站儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，快速獲取橋面各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理形成三維模型，從而分析橋面的整體線形狀態(tài)[2]。

在青龍門通航孔橋的工程中，設(shè)置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在不同階段對(duì)橋面進(jìn)行測(cè)量，確保在施工過程中橋面線形控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在撓度觀測(cè)方面，使用的設(shè)備包括位移傳感器和傾斜儀，實(shí)時(shí)記錄橋面在施加荷載時(shí)的撓度變化。例如，安裝在橋梁中心位置的位移傳感器，可監(jiān)測(cè)到車輛通行時(shí)引起的瞬時(shí)撓度變化，通過數(shù)據(jù)分析，判斷橋梁在實(shí)際使用中是否存在過度變形的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3" "主梁橫向水平位移觀測(cè)

主梁作為橋梁的主要承載構(gòu)件，其變形直接影響到橋梁的使用性能和安全。監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇，是進(jìn)行橫向水平位移觀測(cè)的關(guān)鍵。常用的監(jiān)測(cè)設(shè)備包括激光測(cè)距儀、位移傳感器和水準(zhǔn)儀等。激光測(cè)距儀常用于高精度的距離測(cè)量，設(shè)置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，可有效獲取主梁在不同工況下的橫向位移信息。位移傳感器則可安裝在主梁的關(guān)鍵部位，實(shí)時(shí)記錄橫向位移的變化。水準(zhǔn)儀則可以用于監(jiān)測(cè)安裝過程中主梁的水平度，確保其符合設(shè)計(jì)要求。

在具體實(shí)施過程中，需制定詳細(xì)的觀測(cè)方案。觀測(cè)點(diǎn)的選擇，應(yīng)根據(jù)主梁的受力情況、連接部位和可能的變形區(qū)域進(jìn)行合理布局。觀測(cè)頻率的設(shè)定，也需結(jié)合施工進(jìn)度和環(huán)境變化，以確保在關(guān)鍵施工階段及時(shí)獲取數(shù)據(jù)。例如，在焊接和拼裝階段，由于溫度變化和焊接應(yīng)力的影響，主梁的橫向位移會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。此時(shí)應(yīng)增加觀測(cè)頻率，及時(shí)調(diào)整施工方案[3]。

2.4" "高塔柱擺動(dòng)觀測(cè)

在高塔柱的擺動(dòng)觀測(cè)中，采用多種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)。激光測(cè)距儀和電子水平儀常被應(yīng)用于高精度的位移測(cè)量。激光測(cè)距儀可提供高精度的位移數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反映高塔柱的擺動(dòng)幅度和頻率。電子水平儀則可用于監(jiān)測(cè)高塔柱的傾斜角度變化，為評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性提供依據(jù)[4]。

在具體實(shí)施過程中，可在高塔柱的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝傳感器，包括加速度計(jì)、傾斜儀和位移傳感器，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，以監(jiān)測(cè)高塔柱在不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可識(shí)別出高塔柱的擺動(dòng)模式，進(jìn)而評(píng)估其對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的影響。

在實(shí)際案例中，某鋼橋高塔柱的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，其在強(qiáng)風(fēng)天氣下的擺動(dòng)幅度達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍。通過數(shù)據(jù)分析，工程師及時(shí)調(diào)整施工方案，增加高塔柱的支撐力度，從而有效降低擺動(dòng)幅度，確保了施工安全。鋼橋制造與安裝中的變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容如圖1所示。

3" "鋼橋制造與安裝中的變形精確調(diào)整

3.1" "制造階段的變形控制

3.1.1" "科學(xué)設(shè)計(jì)焊接節(jié)點(diǎn)

焊接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素，包括材料特性、受力情況、施工工藝及環(huán)境影響等。合理選擇焊接材料與方法，對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是控制變形的關(guān)鍵。在青龍門通航孔橋的焊接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，采用高強(qiáng)度鋼材與適宜的焊接工藝，有效提高了焊接接頭的承載能力，并減少了因溫度變化引起的應(yīng)力集中。

在設(shè)計(jì)焊接節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用有限元分析（FEA）技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)焊接過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，進(jìn)而識(shí)別可能的變形趨勢(shì)。通過調(diào)整焊接順序和焊接參數(shù)，如焊接速度、焊接電流等，在一定程度上控制焊接變形。

3.1.2" "合理選用焊接方法

在選擇焊接方法時(shí)，應(yīng)綜合考慮材料特性、結(jié)構(gòu)形式、焊接工藝以及現(xiàn)場(chǎng)條件等多個(gè)因素。對(duì)于鋼橋結(jié)構(gòu)，常見的焊接方法包括氣體保護(hù)焊、埋弧焊機(jī)和TIG焊等。氣體保護(hù)焊由于其靈活性和適應(yīng)性，適合于各種工件的焊接，尤其是在復(fù)雜的焊接位置上表現(xiàn)出色。埋弧焊則適用于大厚度的焊接，焊接效率高，適合于大規(guī)模生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)焊接，但對(duì)焊接工藝和設(shè)備要求較高。

在青龍門通航孔橋的焊接過程中，采用埋弧焊與氣體保護(hù)焊相結(jié)合的方式，確保焊接接頭的質(zhì)量，同時(shí)有效控制焊接變形。例如，在焊接主梁時(shí)，合理安排焊接順序和焊接工藝參數(shù)，避免因局部加熱造成的結(jié)構(gòu)扭曲。焊接過程中，采用預(yù)熱和后熱處理，降低焊接過程中因溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中，從而減少了焊接變形。

3.1.3" "焊接變形預(yù)測(cè)與預(yù)變形技術(shù)應(yīng)用

在焊接變形的預(yù)測(cè)方面，采用有限元分析（FEA）等數(shù)值模擬技術(shù)，可較為準(zhǔn)確地評(píng)估焊接過程中可能出現(xiàn)的變形情況。通過建立焊接過程的數(shù)值模型，模擬焊接熱輸入、熱傳導(dǎo)、材料流動(dòng)等復(fù)雜物理過程，進(jìn)而預(yù)測(cè)焊接后的變形趨勢(shì)。例如，在青龍門通航孔橋的焊接過程中，對(duì)焊接工序的模擬，發(fā)現(xiàn)主梁在焊接完成后會(huì)出現(xiàn)局部隆起和扭曲。利用這一預(yù)測(cè)結(jié)果，工程團(tuán)隊(duì)在實(shí)際焊接前制定針對(duì)性的預(yù)變形措施。

同時(shí)預(yù)變形技術(shù)也是應(yīng)對(duì)焊接變形的有效手段，對(duì)結(jié)構(gòu)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力筋，調(diào)整構(gòu)件的位置，可抵消焊接過程中產(chǎn)生的變形。例如，在焊接前對(duì)主梁進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械預(yù)彎，在焊接后便可形成較小的殘余變形。具體而言，青龍門通航孔橋的施工團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行主梁焊接前，首先通過調(diào)節(jié)支撐點(diǎn)的位置和高度，對(duì)主梁進(jìn)行預(yù)彎處理，以確保焊接完成后能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的幾何形狀。此外，焊接過程中，采用適當(dāng)?shù)暮附禹樞蚝秃附庸に囈材苡行Ы档秃附幼冃蔚娘L(fēng)險(xiǎn)。

3.1.4" "焊接變形矯正

3.1.4.1" "預(yù)熱與后熱處理

在焊接前對(duì)焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，降低材料的溫度梯度，從而減少焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。此外，焊接后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚兄谙附討?yīng)力和降低變形程度。

3.1.4.2" "焊接順序與工藝優(yōu)化

合理規(guī)劃焊接順序，可有效減少焊接變形。例如，采用對(duì)稱焊接方式，或者分段焊接、交替焊接等工藝，使熱輸入均勻分布，降低局部區(qū)域的熱應(yīng)力，進(jìn)而減少變形。此外，選擇合適的焊接材料和焊接工藝參數(shù)，也是影響焊接變形的重要因素。

3.1.4.3" "采取機(jī)械矯正方法

在焊接完成后，針對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的變形，可使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行矯正。例如，采用液壓千斤頂、矯正機(jī)等設(shè)備，施加一定的力來調(diào)整變形部位，使其恢復(fù)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。這種方法適用于較大的變形量，快速有效地進(jìn)行調(diào)整。

3.2" "安裝階段的變形調(diào)整

3.2.1" "精確測(cè)量與定位

精確測(cè)量與定位是確保橋梁結(jié)構(gòu)整體性和安全性的核心環(huán)節(jié)，旨在確保各構(gòu)件的準(zhǔn)確位置和姿態(tài)，從而有效控制安裝過程中的變形。采用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，如全站儀、激光掃描和全球定位系統(tǒng)（GPS），可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁各部分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。建立三維模型，結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，可以對(duì)橋梁的安裝位置進(jìn)行精確校正。

青龍門通航孔橋的建設(shè)項(xiàng)目采用激光測(cè)量技術(shù)，在安裝過程中應(yīng)用激光設(shè)備，使得每一根鋼梁的定位誤差控制在毫米級(jí)別。測(cè)量人員將激光束投射到待安裝的構(gòu)件上，實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，快速反饋并調(diào)整構(gòu)件位置，不僅提高了安裝精度，同時(shí)也顯著縮短了施工周期。

在定位過程中，還需考慮橋梁各部分的相對(duì)位置關(guān)系。通過建立坐標(biāo)系，確定各構(gòu)件的基準(zhǔn)點(diǎn)，確保各部分在安裝時(shí)遵循設(shè)計(jì)要求。例如，在青龍門通航孔橋的安裝中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，確保每個(gè)構(gòu)件的安裝位置與設(shè)計(jì)一致，有效避免因測(cè)量誤差導(dǎo)致的整體結(jié)構(gòu)偏差。

3.2.2" "水平調(diào)整與垂直調(diào)整

水平調(diào)整主要針對(duì)橋梁的橫向位置進(jìn)行控制。安裝過程中，采用高精度的測(cè)量?jī)x器，如全站儀、激光水平儀等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的水平位置。對(duì)比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正偏差。例如在青龍門通航孔橋的安裝過程中，工作人員在測(cè)量過程中，發(fā)現(xiàn)主橋的某一段偏離了設(shè)計(jì)水平面約2cm。調(diào)整支架的高度和位置，結(jié)合臨時(shí)支撐措施，確保主橋在安裝過程中始終保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不僅有助于提高橋梁的安裝精度，也為后續(xù)的焊接和固定工作奠定了基礎(chǔ)。

垂直調(diào)整則關(guān)注于橋梁的豎向位置控制，確保橋梁各個(gè)部分的垂直度符合設(shè)計(jì)要求。通常采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，確保橋梁的標(biāo)高與設(shè)計(jì)值一致。在實(shí)際操作中，施工人員需根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)支撐架進(jìn)行微調(diào)，確保橋梁在安裝后的狀態(tài)能滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求。例如，在青龍門通航孔橋的某一段安裝中，因地基沉降導(dǎo)致橋梁某一端的標(biāo)高偏低。調(diào)整支撐架的高度，結(jié)合垂直測(cè)量，確保橋梁整體的水平與垂直狀態(tài)都達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，有效避免了因安裝不當(dāng)造成的后續(xù)應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3" "實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)整

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常由多種傳感器組成，如位移傳感器、應(yīng)變計(jì)和加速度計(jì)等。這些傳感器能實(shí)時(shí)收集橋梁結(jié)構(gòu)在安裝過程中的變形、應(yīng)力和位移信息。例如，在青龍門通航孔橋的安裝階段，安裝團(tuán)隊(duì)部署光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，以便在整個(gè)安裝過程中監(jiān)測(cè)主梁的溫度變化和變形情況。這不僅提供了高精度的數(shù)據(jù)，還能在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，確保施工人員能夠迅速采取措施。

在數(shù)據(jù)收集后，利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，生成變形趨勢(shì)圖和應(yīng)力分布圖，可幫助工程師直觀地觀察橋梁的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。例如，在某次安裝過程中，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)主梁的撓度超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程師迅速調(diào)整支撐系統(tǒng)的位置，成功減少主梁的變形，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在青龍門通航孔橋的施工中，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，降低了手動(dòng)檢查的頻率，從而節(jié)省大量的人力資源和時(shí)間。

4" "結(jié)束語

在鋼橋制造與安裝的復(fù)雜過程中，變形監(jiān)測(cè)與精確調(diào)整技術(shù)，作為保障橋梁結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻。鋼橋制造與安裝中的變形監(jiān)測(cè)與精確調(diào)整，是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的工作，在未來的工程實(shí)踐中，需積極探索更多創(chuàng)新性的技術(shù)和方法，推動(dòng)鋼橋建設(shè)事業(yè)不斷發(fā)展。

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