钢管混凝土拱桥维修加固过程的监测方法
2011-07-24张宝华
□文/张宝华 邓 鸣
1 工程概况
大桥主桥为168 m+168 m+168 m下承式钢管混凝土系杆拱桥，桥面总宽29 m，横向布置为1.25 m（人行道）+3.0 m（非机动车道）+1.5 m（机非隔离带）+8.5 m（行车道）+0.5 m（中央分隔带）+8.5 m（行车道）+1.5 m（机非隔离带）+3.0 m（非机动车道）+1.25 m（人行道），拱肋矢高32 m，矢跨比1/5，拱轴为悬链线。拱肋截面为哑铃形，上下钢管直径1.5 m，用腹板联结，全高3.75 m，钢管和腹板内压注强度等级C50混凝土。主桥共3跨，每跨上下游各18根吊杆，全桥共计108根吊杆。原桥于1998年建成通车。
主桥横向由24片小纵梁组成。根据检测报告，行车道16片小纵梁存在严重病害，拟对全部行车道小纵梁予以更换。3个拱同时施工，横桥向共更换16片小纵梁，先更换上游侧6片，再更换下游侧6片，最后更换中间4片。更换上游侧小纵梁时，下游侧变位双向2车道运营；更换下游侧及中间小纵梁时，上游侧人行道以及已更换完成的上游侧6片小纵梁为运营车道。
2 桥梁施工监控的目的与方法
2.1 目的
施工监控与施工紧密结合，相辅相成，直接服务于桥梁加固、改造的全过程。施工过程中，一侧换梁，另外一侧运营通车，在桥横向受到较大的不平衡荷载。为了确保全桥在维修加固前后结构受力和变形始终处于安全的范围内且维修加固后全桥的受力和线形满足设计要求，必须在全桥维修加固过程中进行严格的施工监控。
2.2 方法
桥梁维修加固时，结构必然经历一个复杂的过程。对施工过程中每个阶段进行详细的变形计算和受力分析，是施工控制中最基本的内容。首先必须通过施工控制计算来确定桥梁结构施工过程中每个工况在受力和变形方面的理想状态（施工工况理想状态），以此为依据来控制施工过程中每个工况的结构行为，确定每个工况下各结构参数的预警值，使最终桥梁线形和受力状态满足设计要求。
维修加固过程中采取主动控制与被动控制相结合的方式，见图1。主动控制表现为施工程序的制定，结构参数的确定等。被动控制则表现为一个施工—量测—判断—修正—预告—施工的循环过程，为控制桥梁在各施工阶段的状态，首先必须进行一些基本的和必要的量测项目，包括主梁各施工工况的标高、拱肋变形、应力、索力及支座位移等；在每一工况返回结构的量测数据之后，要对这些数据进行综合分析和判断，以了解已存在的误差；在这一基础上，将产生误差的原因予以尽量消除；给出下一个工况的施工控制指令，在现场施工形成良性循环。
图1 主动控制与被动控制相结合
3 监控内容
包括拱肋线形、桥面线形、吊杆索力、系杆索力、结构应力以及支座位移。由于本桥为不对称施工，确保上下游两侧的数据差不超过设计值成为本次监测的重点。为保证测量结果的准确性，监测安排在每个施工状态发生改变的第二天早晨6点进行。
1）拱肋线形。测点分别设于每片拱肋L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8，全桥共计 42个测点。测点采用棱镜布设，布设在拱肋下缘。采用自动化全站仪进行测量。
2）桥面线形。测点纵向设于拱脚和吊杆下吊点与桥面连接处，横向设于非机动车道根部（靠近吊杆侧）。每孔设40个测点，全桥共计120个测点。采用电子水准仪进行测量，见图2。
图2 线形及拱肋测点布置
3）吊杆索力。吊杆索力监测采用动力法进行，对全桥108根索力进行监测。
4）系杆索力。每根系杆预埋有2个传感器，分别位于跨中和端点。全桥共计48根系杆，96个传感器。采用光纤光栅解调仪对这些传感器进行监测。
5）结构应力。包括拱肋和拱脚横梁应力监测。拱肋上将传感器布设在拱脚位置,见图3；拱脚横梁主要监测活动支座端的横梁应力。全桥共计36个应变计。
图3 拱肋应力测点布置
6）支座位移。监测施工过程活动端拱脚支座沿顺桥向的变化情况，共6个支座。
4 监控结果
1）施工过程拱肋线形变化最大值为26 mm，上下游相差最大为15 mm，满足设计要求。
2）施工过程中主梁线形最大变化值为39 mm，上下游相差值最大为32 mm，满足设计要求。
3）施工过程吊杆索力变化最大值为236 kN，上下游相差值最大为233 kN，满足设计要求。
4）施工过程系杆索力变化最大值为-155.9 kN，满足设计要求。
5）施工过程拱肋拱脚应力变化值最大为8.6 MPa（拉应力）和-8.1 MPa（压应力），拱脚横梁应力变化量最大为1.3 MPa（拉应力）和-0.9 MPa（压应力），均满足设计要求。
6）施工过程支座位移最大值为28 mm，上下游相差值最大为10 mm，满足设计要求。
5 结语
由于维修加固工程施工和运营同时进行，必然产生不平衡荷载，必须对施工进行监测。监测结果表明，本次监控是成功的，监控的理论和方法及其组织管理系统是正确的，可以保证施工过程桥梁结构处于安全状态并满足设计要求。
