大跨径连续梁桥施工过程中的监测与控制

摘要：对于大跨径连续梁桥的大面积使用，此类桥梁的施工过程相当复杂，施工方法及工艺不但影响施工时结构应力,而且决定最终成桥线形和内力。因此，在施工过程中对此类桥梁进行实时的监测与控制显得尤为重要。本文以盱眙淮河三桥第九联主桥（50m+85m+50m）为例，分析及探讨如何在桥梁施工过程中进行监测及控制。

关键词：大跨径连续梁施工监测施工控制理论分析

中图分类号：U445 文献标识码：A

一、本桥的概况及特点分析

本桥上部结构为（50+85+50）m预应力混凝土变截面连续箱梁，主梁按后置式挂篮悬臂浇筑法施工设计，箱梁为双向预应力结构，分别为纵向预应力束和竖向预应力束钢筋。其施工要经历“T”形悬臂浇筑节段形成主梁的过程，主跨达85m，悬臂较长，而且要经历体系转换的过程（由对称的单“T”静定结构转变为超静定结构），主梁的内力和线形都会随施工的进展而不断变化。

二、施工监测及监控的目的与思路

2.1监控的目的

通过对桥梁理论分析，可以得到各施工阶段的理想标高和内力值，但实际施工中受各种因素的干扰，可能导致成桥线形与内力状态偏离设计要求，甚至合拢困难，给桥梁施工安全、外形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不同程度的影响。因此，有必要对施工全过程实施有效的施工监控，确保成桥线形、内力最大程度符合设计要求。从某种意义上讲，施工监控成了该桥修建必不可少的保证措施。因此，对于本桥在施工过程中的监测与控制的主要目的就是要确保施工过程安全，同时保证成桥后各构件的线形和内力状态符合设计要求。

2.2 监控的总体思路

桥梁的施工监控是一个预告量测识别修正预告的循环过程。施工监控最重要的目的是确保施工中结构的安全和成桥线形满足设计要求，概括表现为：结构的内力合理，变形控制在误差允许范围内，并保证结构有足够的稳定性。

（1）稳定要求

桥梁结构的稳定关系到桥梁的安全，它与桥梁的强度有着同等重要的意义。本桥在悬臂施工阶段，不仅要严格控制变形和应力，更要严格控制结构的整体稳定。

（2）内力要求

确保梁体混凝土控制截面的应力符合设计的要求。

（3）线形要求

线形要求包括两个方面：一是主梁的标高，二是主梁平面线形。

三、施工监测的内容与方法

3.1 支架预压监测

在主梁浇筑施工前，施工单位需根据规范要求对支架进行堆载预压，以消除其非弹性沉降及变形。监控单位分别对支架预压前、预压完成后（卸载前）和卸载后三个工况的沉降进行观测，并由此得到支架的弹性变形值，用于主梁立模标高的计算。

3.2挂篮预压监测

在挂篮安装之前，施工单位应对挂篮的强度、刚度和抗倾覆性进行理论计算，监控单位进行复核。在主梁悬浇施工前，施工单位应根据规范对挂篮进行堆载预压试验，以检验其强度及刚度是否满足要求并消除其非弹性变形。监控单位分别对挂篮预压前、预压完成后（卸载前）和卸载后三个工况的变形进行观测，并由此得到挂篮的弹性变形值，用于主梁立模标高的计算。

3.3结构变位、应力和温度观测

施工一个梁段为一个阶段，每阶段分成3个工况：

挂篮前移并定位立模；

浇筑全部混凝土；

预应力张拉。

在各个工况中，主要测试内容如下：

（1）主梁挠度监测

①测点布置：绑扎钢筋期间，在墩顶现浇段（0#块）和各悬浇段端部截面设置8个标高观测点，如图3.1所示，测点同时也作为坐标观测点。箱梁顶板测点（编号1~5）用短钢筋预埋设置并用红漆表明编号，当前现浇梁段悬臂端截面同时设立临时标高观测点（6、7、8），作为当前梁段控制截面梁底标高用（控制立模标高以及监测浇筑混凝土后的变形）。

②测试方法：用精密水准仪测量测点标高。临时水准点设在主墩顶0#块临时固结处。

a)全桥挠度测点立面图

b)悬臂箱梁端位移测点布置

图3.1标高测点布置示意图（单位：cm）

（2）轴线偏位监测

利用全站仪对轴线偏位进行测量，测点利用主梁标高的观测点。

（3）截面混凝土应力监测

①测试方法

应变计采用振弦式应变计，通过相应的专用仪器测试。

②测点布置

应力监测断面主要选施工过程中应力响应较大的主墩墩顶、中跨跨中等，其中主墩墩顶附近为A1~A4截面，中跨合拢前块段截面为Z1截面，边跨合拢前块段截面为B1和B2截面，具体布置如图3.2所示。

由于实际施工中受结构自重、挂篮和支架刚度、施工荷载等复杂因素的影响，可能还需要根据结构的实际状况，对某些截面进行适当的调整。

各截面的测点布置见图3.3所示。

图3.2 主桥应力测点截面位置（单位：cm）

a）A1~A4、B1、B2截面

b）Z1截面

图3.3应力测点布置图

A1～A4截面主要监测主墩附近截面箱梁顶面和底面的正应力情况；B1、B2截面主要监测边跨合拢段箱梁顶面和底面的最大正应力，以判断桥梁实际内力是否与设计相符；Z1截面主要为加强中跨合拢段的监测而设，主要监测中跨合拢段预应力张拉后主跨跨中附近截面的应力情况。

③测试误差分析处理

由于环境温度变化、混凝土收缩徐变作用等的影响，使得应力实测值和理论值存在一定差异，本次监控主要从以下几个方面进行分析、处理：

a．测试时间选在日照温差影响较小的清晨，并通过温度修正以消除温度变化对实测应变的影响；

b．测试时间选在每一施工工况的前后进行（如预应力筋张拉前后），且两次测试时间间隔尽量缩短，以消除混凝土收缩、徐变作用的影响；

c．根据试验所得的混凝土弹性模量进行应力计算。

（4）温度观测

温度作用（包括日照温差、梁体均匀升降温等）对主梁的线形及受力都会产生很大影响，为了更准确地分析应变及标高测试数据，本次监控工作将对主梁的温度场进行监测。

温度观测主要利用应变传感器自带的温度测试功能，温度监测结果仅供监控分析修正数据使用。

（5）主墩沉降观测

①测点布置：主墩顶上下游各设1～2个测点，测点位置选在墩顶便于观测的可靠位置处。

②测试方法：每施工4个块件用精密水准仪观测一次，观察主墩是否沉降。

测点布置如图4.4所示。

③测试时间：

a：0＃块施工完毕后（作为基准）；

b：每施工3个悬浇段后；

c：结构体系转换前、后；

d：每孔合龙前、后。

图3.4 基础沉降及水平位移测点布置示意图（单位：cm）

四、施工控制的内容与方法

4.1 施工仿真分析

仿真计算包括以下两方面的内容：

首先对施工图设计文件进行全面复核计算，包括桥梁上部结构尺寸的拟定、配筋设计等，根据设计资料及有关规范的理想参数，对成桥阶段及各施工阶段的设计变位、内力及预拱度等进行计算，并与设计计算资料进行校核比较。

其次，对施工各阶段进行跟踪计算。由于理论设计参数与实际参数存在差异，同时，施工荷载、实际混凝土容重及施加的预应力等不可能与理论计算完全一致，因此应按照施工和设计所确定的施工工艺，以及实际收集的参数，对施工过程进行反复计算，按最小二乘法拟合桥梁控制参数值，使计算值与实测值之间的差异最小，再根据本阶段所拟合的参数值及实测变形、应变等计算下一阶段的合理调整量。

4.2设计参数误差分析和识别

通过量测施工过程中实际结构的行为，分析结构的实际状态与理想状态的偏差，用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的主要设计参数，经过修正设计参数，来达到控制桥梁结构的实际状态与理想状态的偏差的目的。为了明确需要调整的设计参数，分别对以下参数进行敏感性分析：

挂篮刚度对标高的影响；

梁段自重误差对结构的影响；

主梁刚度误差对结构的影响；

混凝土收缩徐变对结构的影响；

施工荷载变动对结构的影响；

温度的影响；

预应力误差的影响。

明确了所需调整的设计参数后，根据以往监控经验并结合本桥的特点，在监控中根据最小二乘法原理对设计参数进行误差估计与调整。

4.3预告主梁下阶段立模标高

通过一系列的现场试验实测和设计参数的误差识别，确定影响桥梁施工监控的主要参数并对其进行修正，使得计算的理想状态尽量与实际状态吻合，并藉此修正后的理想状态预告后期施工的各梁段的理论值。通过前期预报与后期调整，实现对桥梁的施工监控。

经过调整的节段立模高程计算公式为：

式中：——i节段立模高程；

——i节段设计高程；

——由各梁段自重在i节段产生的挠度总和；

——由张拉各节段预应力在i节段产生的挠度总和；

——混凝土收缩、徐变在i节段引起的挠度；

——施工临时荷载在i节段引起的挠度；

——使用荷载在i节段引起的挠度；

——挂篮变形值；

——（i-1）梁段实测高程与设计高程施工累积误差的调整值。

4.4施工监控预警系统

施工监测过程中若发现应力、位移变化超标或与计算值相差过大等情况，将及时预警，并由施工监控领导小组组织设计、监理和施工各方，必要时聘请专家，召开专题会议，共同商议解决。

五、计算分析内容

采用桥梁结构计算分析专用程序MIDAS\Civil2012对盱眙淮河三桥第九联主桥上部结构按照具体的施工工艺建立仿真模型，共划分了60个单元，61个节点，通过计算的内容对实际施工进行指导。计算几何模型如下图所示：

结构计算模型图

分析结果如下：

5.1 持久状况正常使用极限状态验算结果

5.1.1正截面抗裂验算

按全预应力构件计算，正常使用作用短期效应组合下截面上、下缘最小正应力如图5.1所示（其中正表示拉应力、负表示压应力，以后类同），计算结果表明，截面上下缘均受压，正常使用正截面抗裂满足规范要求。

a) 截面上缘拉应力

b) 截面下缘拉应力

图5.1短期效应组合截面正应力（单位：MPa）

5.1.2 斜截面抗裂验算

短期效应组合下斜截面抗裂验算主拉应力计算结果如图5.2所示。在未加竖向预应力的情况下，短期效应组合截面主拉应力如图4.2所示，主拉应力最大值-0.93MPa，小于规范控制值0.4ftk（-1.06MPa）；按规范考虑竖向预应力，如图4.3全桥主拉应力满足规范要求。

图5.2短期效应组合截面主拉应力（未加竖向预应力）（单位：MPa）

图5.3短期效应组合截面主拉应力（加竖向预应力）（单位：MPa）

5.1.3 使用阶段构件应力验算

按规范要求，对预应力混凝土受弯构件，计算其使用阶段正截面混凝土法向压应力和斜截面混凝土的主压应力，计算结果如图5.4和图5.5所示。正截面最大法向压应力13.98MPa＜0.5fck（16.2MPa），满足规范要求；斜截面最大主压应力13.98MPa＜0.6fck（19.4MPa），满足规范要求。

a）截面上缘压应力

b）截面下缘压应力

图5.4主梁截面混凝土法向压应力最大包络图（单位：MPa）

图5.5主梁截面混凝土最大主压应力（单位：MPa）

5.2 持久状况承载能力极限状态验算结果

按规范要求对预应力混凝土受弯构件进行抗弯承载能力验算，正截面抗弯承载能力包络图如图5.6所示，截面抗弯承载力满足规范要求。

图5.6主梁正截面抗弯最大、小承载能力及对应内力图（单位：kN*m）

5.3 短暂状况构件应力验算结果

施工阶段主梁最大压应力包络图如图5.7所示，最大压应力为12.52MPa，出现在中支点截面附近，小于规范允许值22.7MPa（0.7fck’）；施工阶段最不利拉应力包络图如图5.8所示，施工过程最大拉应力为0.42MPa，小于规范允许值1.9MPa（0.7ftk’）。桥梁构件在施工阶段应力满足规范要求。

a) 施工阶段主梁上缘最大压应力包络图

b) 施工阶段主梁下缘最大压应力包络图

图5.7施工阶段主梁最大压应力包络图（单位：MPa）

a) 施工阶段主梁上缘最大拉应力包络图

b) 施工阶段主梁下缘最大拉应力包络图

图5.8施工阶段主梁最大拉应力包络图（单位：MPa）

5.4挠度验算

盱眙淮河三桥第九联主桥荷载短期效应组合下并消除自重产生的长期挠度后主梁中跨跨中最大下挠值为8.7cm，考虑C50混凝土长期增长系数1.425，消除结构自重在中跨跨中产生的长期下挠值4.6cm后，为4.1cm

结构验算主要结论

（1）持久状况正常使用抗裂验算：按全预应力构件验算，正常使用抗裂验算满足规范要求。

（2）持久状况构件应力验算：使用阶段正截面混凝土法向压应力满足规范要求；斜截面混凝土主压应力满足规范要求。

（3）持久状况全桥构件承载能力满足规范要求。

（4）短暂状况（即桥梁施工阶段）全桥构件应力验算结果满足规范要求。

（5）主桥在使用阶段的挠度验算结果满足规范要求。

结束语

桥梁施工的监测与控制是伴随着桥梁上部结构施工同步进行的，它对于桥梁在施工过程中保障其建设安全有着十分重要的意义，如何把握在实际施工中的监测与控制工作，还需要在今后的工作中进一步研究分析。

参考文献：

伍亮;余志武;;悬臂浇注斜交连续箱梁桥的线形监控[J];铁道科学与工程学报;2006年05期

郝超;;大跨度预应力混凝土斜拉桥的施工监测控制技术及其应用[A];浙江省公路学会2005年年会论文集[C];2006年