渭河公路大桥连续梁施工监控关键技术研究

赵 勃，张满平，曾红雄，李 渊

（1.西安市公路工程管理处，陕西 西安 710065；2.西安公路研究院，陕西 西安 710065）

渭河公路大桥连续梁施工监控关键技术研究

赵 勃1，张满平2，曾红雄2，李 渊2

（1.西安市公路工程管理处，陕西 西安 710065；2.西安公路研究院，陕西 西安 710065）

桥梁施工监控是公路施工过程中的重要组成部分，并贯穿于整个桥梁施工过程中，通过论述高陵鹿苑渭河公路大桥施工监控的目的与内容，运用灰色系统理论结合现场监控实测数据，对主桥悬臂施工监控过程中的线形控制、应力监测等关键技术进行了研究分析，为类似桥梁施工的安全控制以及顺利合拢提供了参考。

连续梁桥；施工监控；应力监测；灰色系统理论

0 引 言

桥梁施工质量的好坏直接影响道路的使用性能和安全性能。而桥梁监控的主要内容就是对施工过程中桥梁结构线形与内力状态进行控制［1－2］。

高陵鹿苑渭河公路大桥位于陕西省高陵县马南村以南，跨径为50m＋5×80m＋50m，桥梁全宽16m，采用单箱单室截面。墩顶箱梁高4.58m，跨中箱梁高2.28m，腹板厚度分别为0.4m、0.6m、0.8m，底板为0.28～0.8m。箱梁顶板宽均为16m，底板宽均为8m，翼缘板悬臂长4m。箱梁底曲线按二次抛物线变化，箱梁内除0号块和箱梁端部设横隔板外，其余部位均不设横隔板。主梁采用C50混凝土，三向预应力体系。桥墩为薄壁墩，纵桥向宽3m，横桥向宽9m，墩壁厚度为0.6m，最大墩高25m，最小墩高24m；采用8根钻孔灌注摩擦桩基础，桩径1.7m，桩长约70m。

1 施工监控的内容及方法

1.1 施工监控的内容

针对高陵鹿苑渭河公路大桥桥型及施工方法的特点，对该桥的施工监控主要有以下三个方面的内容。

（1）变形控制。即严格控制每一施工阶段箱梁的竖向挠度及横向偏移，如有偏差就必须立即进行误差分析并调整方案，为下一梁段的施工做好准备工作，使桥梁结构在建成时达到设计要求的几何形状。

（2）应力控制。即控制主梁施工过程及成桥后的应力，使结构达到合理的应力状态。

（3）在施工过程中保证结构的安全，包括全桥整体与局部稳定性。

根据监控内容确定作业步骤如下。

（1）立模阶段。提出立模标高，设置测点，记录标高、温度。

（2）在箱梁控制截面埋设传感器并记录初值（应力、应变、温度）。

（3）混凝土浇注阶段。收集各段尺寸、重量；测量浇注后标高，记录现场温度；采集温度传感器数据；分析两端挠度，判定模板变形和超浇量；第一次参数识别。

（4）前段分析，预报下段预拱度（初报）。

（5）预应力张拉阶段。张拉前测量标高；记录测量日期、大气、温度；采集预应力、温度数据；根据温度场对挠度测量值校正；第二次参数识别。

（6）下阶段预拱度预报（第二次）。

（7）预应力张拉后测量标高；记录测量日期、大气、温度；采集预应力、应变、温度传感的数据；第三次参数识别。

（8）计算下段预拱（第三次）。

（9）综合三次预拱度预报和同步分析结果，再根据变更后的施工计划提出下阶段预拱度修正量。

（10）挂篮移动，准备下阶段施工。

1.2 施工监控的方法

连续梁桥是一个施工—量测—识别—修正—预告—施工的循环过程，其实质就是使施工按照预定的理想设计状态（主要是施工标高）顺利进行［3－4］。

1.2.1 理论计算模型的建立

高陵鹿苑渭河公路大桥利用 Midas Civil 2010软件进行计算，采用平面梁单元进行建模，桥梁约束条件、作用荷载均根据实际情况输入。根据设计图反映的内容，对主桥总体结构建立能反映施工荷载的有限元模型，对该桥进行了正装分析，得到各阶段主梁变形状态。

模型中根据悬臂施工梁段的划分、支点、跨中、截面变化点等控制截面，将全桥划分为221个单元，主桥上部箱梁共划分为168个单元，悬臂浇注梁段单元长度与设计文件一致，边跨现浇段和0号块单元进行细化。桥墩划分为53个单元，底部采用固结约束，桥墩顶与主梁采用刚性连接，合龙后进行体系转换，转换为竖向和横向约束。2个边跨梁端采用竖向和横向约束。

主桥一个T构的计算模型如图1所示。

图1 高陵鹿苑渭河公路大桥计算模型

计算内容包括温度变化、混凝土收缩徐变、施工临时荷载、结构体系转换、二期恒载及活载效应等［5］。计算时采用实际的挂篮及模板自重，而材料容重、弹性模量等都采用规范理论值。在主梁施工开始之前，进行施工控制的初步计算，在施工开始初期根据初步计算结果对梁的线形和内力进行控制。在主梁施工开始后，对主梁进行施工过程中的跟踪计算分析，跟踪计算中的各类参数按照施工中的实际情况考虑。

根据施工特点，将一个T构悬臂浇筑阶段工况划分如表1所示。

表1 悬浇阶段工况划分

1.2.2 灰色系统理论在线形控制中的应用

目前在连续梁桥施工监控中常用的参数识别和误差调整主要方法为：卡尔曼（Kalman）滤波法、灰色系统理论及最小二乘法。其中灰色系统理论是一种研究少数据、贫信息等不确定信息的方法，在连续梁施工监控中主要应用于状态预测，预测连续梁的预抛高值。

（1）理论预拱度计算。根据理论计算和经验，50m边跨设预拱度为30mm，80m跨中设预拱度为50mm，各孔预拱度按二次曲线在孔内其他点分配，图2为主梁一个T构（33～59截面）预拱度示意图。

图2 主桥33～59截面预拱度值

（2）线形监测与立模标高。线形的监控测量主要包含施工支架预压的变形量、主梁挠度、主梁轴线偏移量、主梁结构几何尺寸及墩顶变位。

考虑到箱梁挠度观测和箱梁轴线观测的需要，各梁段测点沿桥梁方向均匀布置于距悬臂端10cm处（0＃、1＃梁为20cm处，另增设墩顶中心线观测点）；横向布置为桥梁中心线处及两侧距离400cm和740cm处。测点采用直径22mm的Ⅱ级钢筋加工制成，测点顶端高出箱梁混凝土顶面2cm，并经磨光后涂红漆。

在监控期间，根据施工进度计划安排，监控、施工单位在连续梁施工全过程中按布置的测点测取已布测点的变形值，经监控分析，对后期变形进行控制；变形控制频率为每块段预应力索张拉前、后和梁段混凝土浇注前、后。变形测取时间为每天上午8点以前完成。0＃、1＃梁段线形监控测点布置如图3所示。

立模标高Hlmi由i节段设计标高Hsji、i节段预抛高值Hypgi以及挂篮变形值fgl组成。

利用灰色系统理论建立GM（1，1）模型。以连续梁桥施工预抛高值的预测作为一个灰色系统。对

图3 0、1＃梁段线形监控测点布置

式中：a、μ为待识别参数列；X为各梁段理论预抛高值序列；X（1）为X（0）的一次累加生成；δ为根据各梁段理论预抛高值序列及实测预抛高值序列建立的误差序列；Z（1）为以δ作为数据序列X进行累加得到的均值。

对比式（2）和式（3），可以求得式（2）的还原值，进而可以求得下一梁段的最优立模标高［6］。

1.2.3 应力监测

应力监测用于判断连续梁在施工过程及成桥以后，整个体系的受力状态是否与设计理论状态一致。若对比结果偏差严重，则说明其不符合要求，更甚者预示结构内力与变形可能已超过理论容许偏差的界限。

箱梁控制截面应力监测包括箱梁控制截面混凝土正应力监测和主应力监测两个方面。

（1）通过对箱梁控制截面混凝土正应力的监测，可以观察施工过程中的箱梁截面混凝土正应力是否符合设计要求，以观察预应力钢束张拉、锚固、恒载、结构体系转换等荷载作用下的箱梁混凝土正该桥而言，其施工工序为从0＃、1＃梁段开始分段悬臂浇注，逐步向前推进。在第i＋1号梁段混凝土浇注前，通过理论计算能得到已浇梁段在理想状态下的竖向位移。在第i梁段浇注混凝土完成后，通过实测可得到前i个梁段实际竖向位移，将理论计算值与实测值建立误差序列δ，然后建立GM（1，1）模型，对下一梁段的预抛高值进行预测。

利用灰色理论建立模型如下应力变化情况等。该桥在悬臂浇筑施工阶段，最不利截面在悬臂根部，故其监测截面选取纵桥向距墩顶中心线4.25m处；在连续梁合龙后，除悬臂根部截面外，跨中合龙截面也是最不利截面，故同时选取小桩号侧距跨中3.5m处（合龙段相邻9＃梁段悬臂边缘）为正应力监测截面。

（2）10号墩顶、11号墩顶、13号墩顶处箱梁的3个顶板埋入ZX－215A型应变计，3个底板埋入ZX－416A型钢筋应力计，以平行结构的应力方向安装在箱梁中心线与两侧腹板（距箱梁中心线4m）处，采用细匝丝将ZX－215A型应变计捆绑在顶板上层纵向普通钢筋上，将ZX－416A型应力计绑于底板下层纵向普通钢筋上，测试导线沿结构钢筋引出混凝土。箱梁控制截面混凝土正应力监测横截面布置如图4所示。

图4 正应力监测横截面布置

9号、12号、14号墩顶处箱梁除安装钢筋应力计、应变计外，同时还安装6个TM－102型温度传感器。其中4个温度传感器分别布置于顶板及底板内，横向两侧距箱梁中心线1.8m，竖向为结构厚度中心处。其余2个温度传感器布置于箱梁腹板内，横向及竖向均位于其结构高度中心处。箱梁控制截面混凝土正应力及温度联合监测横截面布置如图5所示。

监测箱梁混凝土主应力，可以了解桥梁合龙后主应力是否在设计要求的范围内。其监测截面在纵桥向布置于L／4附近（中跨距墩顶中心线21.75m、边跨距墩顶中心线14.75m）。4个ZX－212A型表面混凝土应变计以平行于结构主应力受力方向，成“×”型布置于两侧腹板内侧表面高度中心处。箱梁控制截面混凝土主应力监测横截面布置如图6所示。

T构在施工过程中，两侧悬臂梁体的几何尺寸、比重、施工荷载等随机差异不可避免，而两侧重量不平衡将产生影响结构安全性的倾覆力矩，这种倾覆力矩在进行合龙前的几个梁段施工时尤其令人担心。通过在空心墩顶设置应力观测截面，监测每个梁段悬浇后其应力的变化，以保证倾覆力矩在可控范围以内［7］。若倾覆力矩即将达到报警线时予以报警，以便及时采取调整措施，控制或消除倾覆力矩，确保施工安全和质量。空心墩顶T构倾覆力矩监测横截面布置如图7所示。

图7 T构倾覆力矩监测布置

1.2.4 合龙段锁定及时间确定

温度是影响主梁挠度的主要因素之一，因此，在主桥箱梁合龙之前，结合设计要求以及国内外对连续梁建设的案例，合龙温度应该为一天温度最低的时间。所以，本项目对合龙前悬臂端温度进行24h连续监测并记录，以便确定合龙段锁定及混凝土浇筑时间。根据施工现场测量，合龙时间确定在夜里0时左右，此时温度低，可选择这个时间段进行合龙段混凝土浇注。

2 施工监控的效果

对该桥施工过程中主梁的线形和应力进行重点控制，监控效果如下。

2.1 线形控制效果

施工监控过程中，根据实测结果与计算结果的对比，调整计算模型的混凝土自重、预应力张拉效应、结构收缩徐变效应等，使得各阶段结构的实测位移和计算位移基本接近。

（1）成桥阶段所有节点标高与设计线形的误差均在1.0cm以内，满足控制目标要求；成桥线形平顺，能保证后期铺设桥面系的要求，满足设计及施工规范要求。结果说明本桥在悬臂阶段的立模标高合理，准确地预测了各施工阶段梁体发生的位移。

（2）各施工阶段梁体实际发生的位移与理论位移接近，说明施工监控所采用的计算模型及计算参数能反映桥梁的实际状况。

各工况9号墩小里程侧各梁段顶板顶面中心处标高实测值与理论值对比见图8。由图中可以看出，高程误差最大值出现在4＃块预应力张拉后，其差值为8mm。

图8 标高实测值与理论值对比

2.2 应力控制效果

在连续梁施工中的应力监测中，有传感器误差、混凝土收缩、徐变、温度次应力等非力学应变，且都对测试结果有较大的影响。分析表明，由混凝土的收缩、徐变引起的结构非受力部分应变可占到全部应变的30%～40%。因此在数据采集过程及应力计算时必须将诸多非力学应变剔除。而在除去混凝土的收缩、徐变引起的非受力应变过程中，采用了一些理论公式，如混凝土收缩、徐变模式，使得实际应力与理论计算应力也存在一些误差。由处理后数据发现，在设定初值后的几周内，截面实测压应力大于理论应力，分析原因，可能是由于混凝土在前几周发生的收缩徐变量较理论收缩徐变模式大；而大部分测试的断面成桥状态的压应力小于理论应力，可能是由于实际混凝土收缩徐变的终极值较理论值小，若按照理论收缩徐变量扣除，会造成结果偏小。

3 结 语

经过全体建设者的共同努力，大桥合拢段悬臂高程最大误差为8mm，最小误差为4mm，满足设计规范要求的悬臂合龙段同跨度对称点高程误差在±20mm之内的要求。成桥后桥梁线形美观、顺畅雄伟，桥梁经体系转换并顺利合龙，应力监测正常，结构内力符合设计规范要求。

通过本工程的顺利实施可以得到以下结论。

（1）在大跨径预应力桥梁施工中，线形及应力的测试是监控的重要手段，它可以弥补设计中参数选择不当或者施工中一些复杂因素的影响，进一步完善了桥梁设计理论，同时也能有效的控制桥梁施工与设计中的偏差。

（2）通过对主梁施工监控实测数据与理论数据对比，应用灰色系统理论分析，使诸多不确定因素对悬浇施工的影响处于可控状态，保证成桥后其结构应力及线形满足设计要求。

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［7］于金良，杨东升.高墩大跨连绫刚构桥梁长期健康监测研究［J］.筑路机械与施工机械化，2012，29（8）：72－74.

Research on Key Technologies for Monitoring of Continuous Beam Construction of Weihe Highway Bridge

ZHAO Bo1，ZHANG Man－ping2，ZENG Hong－xiong2，LI Yuan2
（1.Xi'an Highway Management Department，Xi'an 710065，Shaanxi，China；2.Xi'an Highway Institute，Xi'an 710065，Shaanxi，China）

Given that monitoring is a big part of highway and bridge construction，after explaining why the construction of Weihe Highway Bridge in Luyuan Town of Gaoling County should be monitored and what to monitor，the grey system theory was applied to analyze the key technologies of cantilever construction such as geometry control and stress measurement combined with on－site measurement data，which provides reference to safety control of bridge construction.

continuous beam bridge；construction monitoring；stress measurement；grey system theory

U445.446

B

1000－033X（2015）08－0073－05

2015－01－16

［责任编辑：杜敏浩］