特殊结构桥梁的施工监控方案研究

门广鑫

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

1 工程概述

某桥全长295m，桥宽46m，主梁采用现浇预应力混凝土连续箱梁结构，横断面采用单箱多室形式，在桥梁中央分隔带范围内设置月亮形斜拉主塔，塔高60m，主塔在桥面以上采用钢结构，塔脚采用混凝土结构，并设置钢混过渡段，内外侧斜拉索均采用3根直径15.2mm的钢绞线组成，全桥斜拉索共64根，其中外拉索18对(36根)，内拉索28根。桥梁总体照片见图1。

2 施工监控的内容及目标

2.1 施工监控的具体内容

(1)在主塔制作时提供无应力制造线形及节段尺寸。

(2)各施工阶段下主梁及主塔偏位及变形情况。

(3)提供无应力状态下的内、外斜拉索的长度。

(4)提供索力初始张拉值及各施工阶段的索力值。

(5)各施工阶段下主梁及主塔各控制截面的控制应力。

(6)施工过程中各阶段的监控仿真计算。

2.2 施工监控的目标

施工监控有两方面目标：一是实现设计文件所规定的成桥状态；另一方面是保证结构在施工过程中的安全。主要通过对该桥施工期间的桥梁结构线形、应力及索力等参数进行有效地控制和调整，保证实际结构在施工过程中的受力和变形始终处于可控、安全及合理的范围内，并且在成桥后，结构内力和线形均符合设计要求。

依据该桥施工监控招标文件以及适用的规范、标准的要求，桥梁施工监控参数的控制目标如下：

(1)线形控制：在各阶段施工过程中，给出各构件的空间坐标位置以及主梁控制点标高，保证成桥后线形平顺。确保桥面系实际成桥标高与目标成桥标高之间的误差不大于15mm，主梁轴线偏差不超过10mm；索塔结构的累计偏位误差不应大于30mm。

(2)索力监测与控制：提出斜拉索的无应力索长，提出合理的斜拉索安装顺序及张拉方案，并进行优化。随着施工的进行，对每一根斜拉索的张拉以及桥面铺装的施工等相关工况的索力进行全过程监测，结合索塔的空间位置偏位情况,分析桥梁的实时受力状况，确保结构在施工过程中的安全，成桥索力的实测值与理论值的误差应控制在5%的范围内。

(3)结构应力控制：在施工过程中，随时监测主塔及主梁的各控制截面应变，确保结构应力在容许范围内。

3 桥梁施工阶段的模拟分析

3.1 有限元模型的建立

施工过程中各阶段的模型采用有限元软件Midas/Civil进行建立，并进行结构线形、内力及索力的分析和控制。主塔钢结构、钢混过渡段、主梁等采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元，成桥模型共划分810个单元，节点962个，有限元模型如图2所示。

3.2 施工过程的模拟

该桥施工主要包括基础、墩柱及系梁、塔脚、主塔钢结构吊装、连续梁浇筑、分批张拉斜拉索、二期恒载施工、调索等过程。具体施工阶段及相应的施工监控如下：

(1)施工准备，三通一平。

(2)桩基及承台施工。

(3)主塔墩、中墩及桥台的施工。

(4)塔脚、钢混结合段施工，同时根据模型计算，提供主塔钢结构吊装节段的加工尺寸(无应力长度)。主塔钢结构划分共为八个吊装节段，其无应力尺寸是根据设计文件提供的成桥尺寸计算确定，计算温度与设计温度一致，施工单位在钢结构制作时应考虑钢结构加工温度与设计文件提供的成桥拼装温度的差异对吊装节段无应力尺寸的影响。

(5)主塔钢结构吊装：搭设临时支架，按设计文件进行主塔分段钢结构的吊装、焊接，在这个阶段，预先提供吊装过程中每一节段的坐标值，以此作为目标值进行施工控制。

(6)满堂支架法进行预应力混凝土连续现浇箱梁的施工。

(7)安装并张拉斜拉索：预先提供斜拉索的无应力长度，根据结构倒拆计算，确定斜拉索分批张拉顺序以及张拉力值。在施工过程中，在提供斜拉索的初始张拉力值的同时，给出每一批次张拉后主塔钢结构节段的对应坐标值，进行施工控制。斜拉索以对称张拉，并尽量保持内外平衡的原则进行。

(8)拆除主塔临时支架阶段：提供该阶段索力值及主塔钢结构分段的坐标值，并进行施工控制。

(9)桥面铺装及附属结构施工：提供该阶段索力值及主塔钢结构分段的坐标值，并进行施工控制。

(10)调整索力至设计目标索力，此时，主塔钢结构线形与设计目标线形的误差应满足监控目标的要求。

4 桥梁施工监控测点布置及测试方法

该桥梁的施工监控内容主要包括：温度监测、线形监测、应力监测、索力测试等。

4.1 温度监测

温度变化，特别是温差的变化，对于钢结构内力和变形的影响是显著且复杂的。为修正气温和桥梁各部位温度对各项参数测量的影响，需在监控测量过程中实时对温度参数数据进行采集。

针对该桥的结构形式及监控部位，在主梁、主塔、斜拉索分别布置温度监控测点，总计30个测点，采用热电偶和数据采集仪进行温度测量。

4.2 线形监测

线形监测主要包括主塔和主梁线形监测，其中主塔线形采用全站仪、主梁线形采用精密水准仪进行测量。

主塔线形监测：在主塔钢结构每个预制节段上、下游侧面的焊缝位置附近各设置2个线形监测点，用以监测主塔在各施工阶段的空间偏位，全桥共设68个主塔线形监测点，具体布置形式见图3。

主梁线形监测：在全桥所有孔跨的支点、L/4、L/2、3L/4截面布置测量断面，每一断面在横桥向距两侧路缘30cm位置布置监测点，共132个测点，具体布置形式见图4。

4.3 应力监测

应力测试截面一般根据模型计算的控制截面确定，原则上应包含以下几个方面：主梁成桥状态下的最大正、负弯矩截面，主塔及其塔脚的应力控制截面以及从设计角度考虑的其他控制截面。

主塔应力监测：

(1)在主塔每道焊缝位置上、下游内外弧表面竖向跨越焊缝各布置一个应力测点，共60个应力监测点。

(2)主塔根部的钢混过渡段是整个结构承受弯矩最大的部位，且结构及受力状态相对复杂，因此，在主塔钢混过渡段内部两侧端板附近，上、下游侧顶面、底面纵向钢筋上各布置一个钢筋应力测点，上、下游侧中部各布置一个混凝土轴力测点；共12个应力监测点，用于监测钢混过渡段的受力情况。主塔共72个应力监测点，应力监测主要采用振弦传感器及读数仪。

主梁应力监测：在全桥所有孔现浇箱梁的L/4、L/2、3L/4截面处，箱梁3#、4#箱室腹板中部对应底面位置，各布置1个应力测点；主梁共96个应力监测点。

4.4 索力监测

斜拉索的索力检测方法很多，主要包括压力传感器法、液压表法、频率法和磁通量法，监控过程中根据不同的测试环境及精度要求提早进行选用。在该桥的施工监控过程中计划采用液压表法和频率法对所有斜拉索的索力进行监测，其中在斜拉索张拉过程中采用液压表法，通过千斤顶张拉油缸中的液压与张拉力的换算关系，控制索力张拉至阶段控制值；在所有斜拉索张拉到位后，进行其他工序及二次调索时采用频率法进行检测，对40m左右的短索检测时，索的抗弯刚度及边界条件会对测试结果产生一定的影响，一般会带来5%～10%的偏差，为了抵消其影响可取索端锚固点之间的距离与两端连接器长度之差作为索的计算长度，或在斜拉索加工厂进行索力标定确定拉索的合理计算长度。

5 结语

特殊结构桥梁虽然具有造型美观、跨越能力大、受力合理等特点，但由于其属于受力复杂的超静定结构，且施工难度较大，因此，桥梁施工监控是施工过程中必不可少的重要环节。列举实例对特殊结构桥梁监控的内容、目的以及测试方法进行了全面介绍，并提出了关键监控参数的测点布置等相关建议，为类似桥梁的施工监控方案设计提供参考。