黃春華

（上海浦東城市建設(shè)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司,上海市　200136）

0　引言

斜拉橋?yàn)楦叽纬o定的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，其成橋后合理的線形和內(nèi)力不僅在于優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還在于精湛的施工技術(shù)。在斜拉橋施工建設(shè)過(guò)程中，受外界各種自然條件影響以及材料特性的差異，使得斜拉橋結(jié)構(gòu)的受力與變形的關(guān)系異常復(fù)雜。雖然，在施工計(jì)算中可以采用多種計(jì)算方法，得到橋梁在各施工階段的索力和主梁變形，但是，按理論計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行施工，受拉索垂度、溫度變化、日照、施工臨時(shí)荷載以及混凝土收縮徐變等因素影響，結(jié)構(gòu)卻不一定達(dá)到期望的內(nèi)力和變形。動(dòng)態(tài)的監(jiān)控技術(shù)能夠及時(shí)對(duì)橋梁施工計(jì)算模型進(jìn)行修正，以使成橋受力狀態(tài)和線形更趨于合理，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

隨著斜拉橋設(shè)計(jì)和建造技術(shù)的不斷提升，斜拉橋的施工監(jiān)控技術(shù)也不斷改進(jìn)。胥潤(rùn)東等為解決斜拉橋施工監(jiān)控過(guò)程中數(shù)據(jù)量龐大、管理和分析任務(wù)繁重而易出錯(cuò)的技術(shù)難題，基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，以Vi sualst udi o 2008編程環(huán)境為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出斜拉橋施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)[1]，將橋梁施工監(jiān)控與健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施工的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和指令發(fā)送，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析、處理、存儲(chǔ)和管理，為橋梁結(jié)構(gòu)后續(xù)的健康監(jiān)測(cè)提供可靠的原始數(shù)據(jù)。

結(jié)合具體工程，對(duì)混凝土斜拉橋的施工監(jiān)控中的線形及內(nèi)力控制技術(shù)進(jìn)行探討，以期為同類(lèi)工程提供技術(shù)借鑒。

1　工程概況

某工程主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面混凝土斜拉橋,塔、梁、墩固結(jié)體系，無(wú)輔助墩，跨徑布置為91 m+123 m。索塔為“H”型平行直立塔柱,高72.986 m。主梁為分離式混凝土主梁，中心梁高2.8 m。主梁頂板寬38.1 m，厚0.28 m，設(shè)雙向橫坡。主梁在每對(duì)拉索錨固處對(duì)應(yīng)設(shè)置一道橫梁，橫梁順橋向間距6 m，高度2.5 m，厚度0.3 m。錨跨尾部節(jié)段做成箱形，采用生鐵錠+鐵屑混凝土進(jìn)行壓重。主梁內(nèi)配置的預(yù)應(yīng)力鋼束（筋）分為施工階段預(yù)應(yīng)力鋼筋、合攏預(yù)應(yīng)力鋼束、橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束和橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束4種。斜拉索采用平行扇形雙索面布置，為平行鋼絲成品索，梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為6.0 m，密索區(qū)為2.5 m，塔軸線處的拉索布置為9×1.8 m+2.5 m+2.3 m+6×2.0 m。橋梁立面見(jiàn)圖1。

圖1　橋梁立面圖（單位：m）

2　監(jiān)控內(nèi)容

2.1　索塔預(yù)高量控制

混凝土橋塔在成橋后受索力和自重影響，以及混凝土材料自身的收縮和徐變，使得索塔在施工的過(guò)程中需要有一定的預(yù)高量，以確保在成橋后橋塔內(nèi)力與設(shè)計(jì)一致。在施工過(guò)程中進(jìn)行與橋塔施工材料一致的混凝土材料試驗(yàn)，包括彈性模量和徐變測(cè)試，獲取混凝土材料的收縮徐變的時(shí)變曲線，用于獲取橋塔在每個(gè)施工階段以及成橋后標(biāo)高。

2.2　線形控制

該橋線形控制主要是主梁的線形控制。主梁線形平順，不僅關(guān)系到主梁的順利合攏，而且關(guān)系到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是否合理。該橋采用懸臂施工，主梁立模標(biāo)高的控制是獲取成橋后合理內(nèi)力的關(guān)鍵。在監(jiān)控中，綜合考慮包括施工荷載、后續(xù)節(jié)段、混凝土收縮、徐變的影響，給出每個(gè)懸臂節(jié)段的立模標(biāo)高。

2.3　內(nèi)力控制

內(nèi)力控制主要包括對(duì)主梁和索塔的內(nèi)力控制以及對(duì)拉索索力的控制。主梁和索塔的合理內(nèi)力主要通過(guò)立模標(biāo)高確定以及合理的索塔預(yù)高量實(shí)現(xiàn)。斜拉索的內(nèi)力控制主要采用通過(guò)對(duì)索力的精確測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)。在施工中考慮對(duì)測(cè)試方法所得結(jié)果的校核，在最短拉索和最長(zhǎng)拉索的錨固端安裝錨索計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索索力的精確測(cè)量。

2.4　結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)控制

受日照影響，結(jié)構(gòu)中會(huì)形成梯度溫度，采用兩種方法來(lái)避免受該溫度場(chǎng)產(chǎn)生的溫度內(nèi)力。通過(guò)建立全橋的有限元數(shù)值模型，模擬不同溫度場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)的變形。在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置安裝溫度傳感器，獲取日照情況下結(jié)構(gòu)在24 h內(nèi)的溫度-變形曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)變形測(cè)量數(shù)據(jù)的修正。

3　施工監(jiān)控計(jì)算

斜拉橋的施工過(guò)程異常復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法較難解決結(jié)構(gòu)的非線性以及混凝土的收縮徐變問(wèn)題，采用成熟的大型結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件對(duì)該橋進(jìn)行建模，利用空間桿系模型，分析橋梁在各施工階段結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。

建模時(shí)，對(duì)主塔和主梁均采用精確的梁?jiǎn)卧M。其中，由于主梁為雙主梁形式，為真實(shí)模擬橋梁結(jié)構(gòu)，建立雙縱梁，將主梁截面剛度平均分配給兩根縱梁，并采用剛性橫梁進(jìn)行連接。橋面板采用板單元進(jìn)行模擬。斜拉索采用桁架單元模擬，考慮拉索垂度的影響，采用ernst公式計(jì)算等效的彈性模量。預(yù)應(yīng)力筋采用預(yù)應(yīng)力鋼束模擬，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)轉(zhuǎn)化為等效荷載進(jìn)行施加。

在進(jìn)行施工過(guò)程計(jì)算時(shí)，避免正裝分析與倒裝分析的不足，采用正裝分析和倒裝分析相結(jié)合的分析方法進(jìn)行分析。首先進(jìn)行倒裝分析，然后以倒裝分析的結(jié)果進(jìn)行正裝分析，考慮混凝土收縮徐變的影響，反復(fù)迭代，獲取正確的各施工階段參數(shù)。圖2為全橋Midas模型。

圖2　全橋Midas模型

4　現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)試方法

橋梁施工監(jiān)控是依托于結(jié)構(gòu)施工的動(dòng)態(tài)過(guò)程，良好的測(cè)試技術(shù)是獲取精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)的保證，同時(shí)也是準(zhǔn)確發(fā)出監(jiān)控指令的前提。

在整個(gè)監(jiān)控中需要對(duì)該橋進(jìn)行測(cè)試的參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵斷面應(yīng)力、拉索索力、結(jié)構(gòu)溫度等。其中，結(jié)構(gòu)變形測(cè)試主要包括主梁軸線和線形測(cè)試，塔頂水平位移監(jiān)測(cè)以及橋墩的沉降觀測(cè)。結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試主要包括主梁關(guān)鍵斷面應(yīng)力測(cè)試、索塔關(guān)鍵斷面應(yīng)力測(cè)試。溫度測(cè)試主要包括主梁關(guān)鍵斷面溫度測(cè)試、索塔關(guān)鍵斷面溫度測(cè)試以及斜拉索的溫度測(cè)試。監(jiān)控過(guò)程中監(jiān)控參數(shù)的獲取過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3　施工監(jiān)控參數(shù)獲取流程

在索塔承臺(tái)頂面布設(shè)基礎(chǔ)標(biāo)高的永久觀測(cè)點(diǎn)，在塔頂布設(shè)塔頂標(biāo)高的永久測(cè)點(diǎn)。分別在塔頂、塔梁結(jié)合處以及最短索與塔柱相交處布設(shè)橋塔水平位移測(cè)點(diǎn)。對(duì)索塔基礎(chǔ)沉降、索塔豎向位移與塔頂水平位移均采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，精度不低于1 mm。

主梁位移測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)于塔梁結(jié)合處、每跨跨中、4分點(diǎn)以及拉索錨固端斷面。每斷面布設(shè)3點(diǎn)，中點(diǎn)處用于測(cè)試主梁軸線的偏移量（見(jiàn)圖4）。主梁標(biāo)高采用精密三角高程測(cè)量方法，精度為±1 mm。

圖4　主梁斷面位移測(cè)點(diǎn)

索塔應(yīng)力測(cè)試斷面主要布設(shè)于最短索與索塔交叉點(diǎn)處以及塔梁結(jié)合處,每塔柱各布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖5）。布設(shè)時(shí)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)因素，選用質(zhì)量?jī)?yōu)良的振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)獲取相應(yīng)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖5　橋塔斷面測(cè)點(diǎn)布置

主梁應(yīng)力測(cè)試斷面主要選取塔梁結(jié)合處主梁根部，錨跨跨中，壓重處，主跨四分點(diǎn)和二分點(diǎn)斷面，每個(gè)斷面在雙側(cè)梁頂和梁底各布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖6）,并布設(shè)振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)獲取相應(yīng)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖6　主梁斷面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

索力測(cè)試除在最短索和最長(zhǎng)索的錨固端處布設(shè)錨索計(jì)進(jìn)行測(cè)試，其余拉索索力均采用頻率法獲取。測(cè)試時(shí)采用臨時(shí)安裝在斜拉索的拾振器（見(jiàn)圖7）進(jìn)行信息采集，在環(huán)境激勵(lì)下，根據(jù)對(duì)采集的加速度信號(hào)分析，計(jì)算當(dāng)前索力。斜拉索與其自振頻率有以下關(guān)系（以?xún)啥算q接的柔性索為例）：

式中：T為吊桿的索力，kN；W為單位長(zhǎng)度吊桿重量,kN；L為吊桿的計(jì)算長(zhǎng)度,m；fn為第n階自振頻率，H z；n為振動(dòng)階數(shù)；g為重力加速度,s2/m。

圖7　索力測(cè)試用拾振器

5　結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某混凝土斜拉橋施工監(jiān)控，從索塔預(yù)高量、線形控制、內(nèi)力控制以及結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)控制等方面對(duì)混凝土斜拉橋施工控制與監(jiān)測(cè)的過(guò)程和方法進(jìn)行探討,給出混凝土斜拉橋現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)的獲取流程，并對(duì)各測(cè)試參數(shù)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)、測(cè)試方法以及測(cè)試儀器進(jìn)行比選和研究，為同類(lèi)項(xiàng)目的施工監(jiān)控提供借鑒。