预应力混凝土梁拱组合体系桥梁施工监控研究

刘 刚 中设设计集团股份有限公司

1 工程背景

某特大桥的起桩号为DK239+559.800，讫桩号为DK242+228.550，中心里程为DK240+894.175，全程长度为2668.75m。在DK241+391.4～657.1 以1 联264.5m 的连续梁拱跨越收费站A、B、C 匝道，采用的施工方案为先梁后拱。主梁的梁高是从3.5m～7m 渐变的，截面的形状为单箱双室变高度箱形，拱肋为钢管混凝土结构，一共设置14 组双吊杆。在对桥梁进行吊装拱肋施工之前，应该对吊装设备系统实施负荷试验。当吊装就位之后，应该对其进行实时的校正，使桥梁的稳定性达到要求。

2 施工监控体系及过程

在现场的施工作业过程中，施工监控工作起到了服务的作用，因此施工监控的过程应该与现场的实际施工状况契合。在对该特大桥进行施工监控的过程中，主要有以下几点内容：对施工过程建模仿真计算、现场数据监测和现场实时控制。这三点构成了完整的监控体系，三者缺一不可。

桥梁的监控工作贯穿于整个施工过程。施工方应该对施工组织设计、专项施工方案等进行详细的编写，监控方在此部分内容的基础上编制监控方案、进行桥梁建模计算，之后再由施工监控方使用多种评估以及量测方式对施工中的各项数据指标（变形、应力、轴线偏位、索力等）进行判断以及分析，若实测数据与理论数据基本一致，则由监控单位出具下一阶段施工指令；一旦发现实测数据与理论数据有较大的偏差，或监测数据出现异常，监控人员应该仔细核查原因，对误差进行修正，将误差减少至最小，防止因为误差的积累影响下到工序。有效的监控工作能够在一定程度上保证施工的质量。因此，在对施工现场进行监控的时候，应该以理论的设计值为基础，使设计值与实测值能够达到一个动态的平衡，加强监控的协调性。

3 施工监控的工作内容

3.1 仿真计算的分析

为了对桥梁结构的受力以及变形进行分析，监控人员使用有限元软件（Midas Civil）对工程进行建模计算。在该软件中，监控人员可以通过建立梁单元对横撑、拱肋以及节段等主梁构件进行模拟，还可以通过建立桁架实现对吊杆的模拟，图1是全桥的有限元模型。

监控单位应以设计规范、施工方案以及设计文件中的参数为依据进行理论建模。在对施工过程进行模拟计算时，应将现场实际参数作为最基本的资料，这些参数主要有温度、梁体自重、主梁弹性模量、梁长、外荷载的位置以及重量、混凝土的收缩徐变等。施工监控人员应该充分的了解施工现场的具体情况，对各项误差进行修正以及计算，建立最准确的模型对现场进行模拟，达到监控的目的。

通过理论建模并进行模拟计算可以对以下三个结果进行读取：（1）各施工梁端的对应的工序的测点应力、控制截面以及标高等相关理论值；（2）主梁立模标高；（3）吊索的调整索力以及初张力。

在桥梁工程的具体施工过程中，应该将以上三项数据作为依据，再经由施工监控单位出具相应的监控指令，施工单位、监理单位、设计单位以及监控单位对所有的指令进行签字确认后方可进行施工。由于桥梁现场施工会与理论模型有一定的差距，所以在对其进行修正的过程中应该以实际监测数据为准。

图1 主桥全桥的有限元模型

3.2 现场的量测

主桥的轴线偏位应使用全站仪进行测量，标高使用电子水准仪进行测量。

3.2.1 基准点的设立以及墩顶的测量

应将墩顶的测点作为水准点，对墩顶的变位进行测定，为了防止其在施工中被破坏，应在墩顶的测点进行防护处理并做好标识。在设置基准点的时候，应使用全站仪进行定点处理。在后续的施工过程中，墩顶的变位值即为改点的变化量，为了保证数据的准确性，每个月都要对基准点进行联测及复测。

3.2.2 对主梁挠度及拱肋变形进行测量

（1）测点布设：将五根短钢筋预埋在每个施工梁端顶面，并将其作为主梁挠度的观测点；在拱肋1/4 与1/2 位置布置棱镜，作为拱肋变形的观测点。

（2）测量方法：使用电子精密水准仪测量主梁挠度，使用全站仪测量拱肋变形。

（3）测量频率：以施工工序为主，测量每一施工梁段主梁挠度及拱肋变形。

表1 目标索力值及实测索力值之间的对比表

（4）测量时间：在温度场比较稳定的时间或者当天的8 点之前及18点以后。

3.2.3 对吊杆索力进行测量

吊杆作为该桥的重要组成部分，吊杆索对吊杆拱桥的特点进行了完美的展现，与此同时，吊杆传递了绝大部分的吊杆拱桥桥面荷载以及桥跨结构的重量。为了使桥梁的结构受力更加的合理，成桥索力应较为均匀。

本项目使用振动频率量测法测量索力。此方法是将索力动测仪的拾振器固定在待测吊杆中部，将振动环境下吊杆的振动信号记录下来，再通过索力及自振频率的关系对索力进行计算。

式中：

u——横向位移系数；

m——吊杆线密度；

t——时间；

x——纵向坐标；

EI——吊杆的抗弯刚度；

T——张拉力。

上述方程在求解的过程中是比较困难的，应该对其进行简化。主要如下：

式中：

n——频率阶数；

E——吊杆弹性模量；

l——吊杆计算长度；

I——吊杆截面惯性矩；

fn——吊杆第n阶横向振动的频率为。

3.2.4 对吊杆施工节点的位移进行测量

对吊杆施工节点的位移进行测量的时候，应该先将位移测点设置在吊杆拉索的主梁上，在张拉阶段结束的一个小时之后，再使用全站仪来测量主梁上的位移测点。在桥梁的施工监控过程中，吊杆施工位移节点的测量只起到了辅助的作用。

3.3 实测数据的效果以及监控控制的应用

（1）对主梁挠度进行监控控制：在对本项目桥梁的主梁挠度进行控制的过程中，主要有以下几点原则：①对于局部线形，要求相邻阶段之间的相对标高的误差不超过5mm；②立模的标高的误差应该控制在±3mm的范围内；③已经浇筑完成的梁段的底板以及顶板的标高误差应该小于15mm；④在合拢前，两个悬臂端的高度差应该不超过15mm且应该不超过合拢段长度的1%。

在对主桥进行施工的过程中，施工人员应该严格执行施工指令，使施工合拢的精度达到要求，并且合拢后的底板应该弧线美观、线形平顺且没有折线。对本桥的主桥挠度进行实测，结果如下：张拉阶段的理论值与实测值之间的误差控制在10mm的范围内；浇筑阶段的理论值与实测值之间的误差控制在15mm 的范围内；中跨合拢时的偏差不大于10mm。根据以上的数据可以看出，主梁的线形施工过程比较顺利。

（2）该项目中桥梁的吊桥索力经过初次张拉、二次张拉以及调索的过程，在进行调索处理的时候，应该以循环、分次、对称以及均匀为主要原则。在调索完成之后，应该对比理论的索力值与实际索力值之间的差距，表1为理论值与实际值的对比表。

从上表中我们可以看出，此桥梁在成桥之后的索力值和设计值相差较小，分布均匀，结构受力优良。

（3）综上，在该特大桥的施工过程中，吊桥受力合理，各结构线形平顺，在对各个监测点进行监测的过程中未发现误差超过规范要求的现象，说明该项目的要求和标准都非常高。

4 结语

随着现代社会的进一步发展，我国开始加大对基础设施的建设，随着与日俱增的高效的科技的发展，高难度、大跨度以及大规模的桥梁项目数量也越来越多，这是我国桥梁工程建设的挑战和机遇。由于施工中不确定因素的增多，桥梁施工过程中的人员结构配置越来越重要，为了顺应时代的发展，施工过程的监控显得尤为重要。本项目中的特大桥的建设过程，迎合了业主的全部需求，对各项误差进行了完美的控制，验证了施工监控方案的可能性，为今后该类桥梁的设计、施工奠定了实践基础。