PC梁斜拉桥成桥施工监测与控制

【摘 要】预应力混凝土斜拉桥主梁通常采用挂篮悬浇法施工，节段工况多，在成桥施工过程进行实时、系统、规范的施工监测，并控制修正误差非常重要，它是最终实现大桥理想成桥状态，满足设计预期功能的重要保证。本文分析总结了舟山小干大桥成桥过程中施工监测的要点和控制的方法，希望能为同类桥梁施工提供参考。

【关键词】PC梁斜拉桥；成桥；施工；监测；控制

1 前言

现代预应力混凝土斜拉桥（本文简称：PC斜拉桥）大多采用挂篮悬浇法进行主梁施工，主梁施工的过程也就是整桥成型的过程，施工节段多、时间长，各阶段的误差将会累积到成桥，最终影响大桥的成桥状态。舟山小干大桥制定了系统、规范的施工监控方案，施工中严格按照方案进行关键参数监测、控制修正误差、预测下一节段主梁施工状态等，执行效果理想，对实现设计理想成桥状态的目标起重要作用。

2 工程特点

舟山小干大桥位于浙江省舟山市普陀区，桥长2006.6m，桥面净宽15m，主桥为130+300+130m双塔双索面PC梁斜拉桥；索塔采用倒Y型，索塔塔身高113.5m；主梁为单箱三室预应力混凝土结构，中心高度2.75m，全宽19m；斜拉索采用扇形空间双索面布置，每塔每索面共18对斜拉索。

小干大桥具有以下显著特点：大桥为密索体系斜拉桥，索距与主梁宽度比值约为1：2，施工中索力相互影响效应明显；大桥主梁采用挂篮悬浇法施工，工况和节段多，每一工况和节段均与成桥状态息息相关，各施工阶段的误差都将累积到成桥；大桥位于东南沿海，施工时最大悬臂长度达149m，台风可能会对施工期结构安全产生重要影响；同时，每节段的施工时间较长，各工况温度效应引起的基准状态偏差也不应忽视。

3 施工监测要点

斜拉桥施工监测是实施施工控制的基础和前提，其主要任务是准确地反应施工过程中结构的实际线性和受力情况，为控制提供合符实际的关键参数。

小干大桥在主梁施工过程中，需要对结构几何形态、结构应力、斜拉索索力、结构内部温度等关键参数进行现场监测，监测的内容和方法如下：

3.1 几何形态监测

几何形态监测的主要目的是保证悬浇施工过程顺利实施、全桥结构安全，以及获取已形成结构的实际几何形态，主要采用精密水准仪和全站仪进行测量：

（1）主梁线形测试

主梁线形测试以每一节悬浇节段梁体前端的标高为观测重点，在梁体前端埋设?20mm钢筋作为观测点（如图1所示）。标高测试按照国家三等水准测量的精度和要求进行测量，精确到1mm，测试时间要求在凌晨0：00～7：00之间气温恒定时进行。

图1 主梁线形观测点布置图

（2）主梁中线偏位观测

主梁中线偏位观测点纵向位置与主梁线形测点相同，横向布置如图2所示。中线偏位观测应在梁段施工完毕时，用全站仪精确测定主梁中线位置。

（3）塔顶偏位观测

塔顶偏位是施工控制重要参数之一，它反应了塔柱的安全状况。在两塔柱顶部预埋棱镜作为测点，主梁节段施工过程中，用全站仪进行观测，观测时间要求在凌晨0：00～7：00之间气温恒定时进行。

（4）塔柱沉降观测

塔柱沉降也是反应塔柱安全状况的重要参数之一。在塔柱承台用钢筋预埋标高观测点，用水准仪进行塔柱沉降观测。

（5）挂篮前端标高观测

在主梁施工过程中，挂篮结构的安全是施工安全管理的重点之一，其结构的变形与主梁施工的质量息息相关，其标高是控制梁段立模标高的重要参照值。在挂篮前端左右各布置1个标高观测点（如图3所示），主梁节段施工过程中，用水准仪观测挂篮的变形情况。

图2 主梁中线偏位观测点横向布置图

图3 挂篮前端标高观测点布置图

3.2 结构应力测试

PC斜拉桥进行结构应力测试可以跟踪测试出结构的实际受力状态，为施工控制提供有效的实测数据，保证主梁安全施工，测试出的数据还可以验证设计计算的正确性，包括主梁纵向正应力测试和索塔根部竖向正应力测试。

小干大桥对主梁9个截面（中跨与边跨的跨中截面、中跨1/4截面，边、中跨主梁靠近塔根截面）进行纵向正应力测试，以及对主塔4个截面（两主塔上塔柱和中塔柱的根部截面）进行竖向正应力测试，测试截面和测点布置如图4、图5所示。应力测试选择振弦式应力传感器在每个测点位置预埋安装好，在主梁施工过程中采用应变采集仪对混凝土应变进行定时或连续的采集，进而求得混凝土的应力变化。

图4 小干大桥结构应力的测试截面布置图

图5 结构应力测试截面测点布置图

3.3 斜拉索索力测试

施工阶段斜拉索的工作状态是影响斜拉桥将来的内力和线形的重要因素之一，成桥后斜拉索的工作状态也是衡量斜拉桥是否处于正常运营状态的重要标志之一。

小干大桥在斜拉索张拉时用标定好的千斤顶进行索力测量。在施工控制时，采用环境随机振动法进行索力测试，此方法利用临时紧固在斜拉索上的高敏感传感器拾取缆索在环境激振下的脉动信号，经过滤波、放大、频谱分析，根据频谱图确定缆索的自振频率，进而求得索力。

索力计算公式为：

式中：T―索力（N）；w―单位索长的重量（N/m）；fn―索的第n阶自振频率（Hz）；L―索的计算长度（m）；n―索自振频率阶数；g―重力加速度（9.80m/s2）；F―索自振基频。

3.4 结构内部温度测试

结构内部温度测试的目的是为了对结构应力测试结果进行温度效应修正，温度测试和应力测试应同时进行。小干大桥采用经封装的热敏电阻作为监测传感器，温度测试截面选取图4的4#、6#截面，截面内测点布置与应力测试相同，温度测试与应力测试同步进行，以达到更好的测试效果。

4 施工控制方法

PC斜拉桥施工控制的目的是为了保证斜拉桥施工过程结构受力的合理性和设计成桥线形的实现，保证桥梁运营期间结构良好和实现设计预期功能。

图6 小干大桥自适应施工控制技术路线图

小干大桥采用了目前被认为最先进的自适应控制法进行施工控制。自适应控制是在反馈控制的基础上，增加一个误差识别过程的施工控制方法，当结构的实测状态与理论状态不相符时，分析误差产生的原因，根据确定的误差原因重新调整计算，使得计算模型的输出结果与实测结果相一致。该方法是一个预告―施工―量测―计算―参数识别―分析―修正―预告的循环过程，即在施工过程中，比较测量状态与模型计算理论结果进行参数调整（识别），使模型的输出结果与实际测量的结果相一致。利用修正的计算模型参数，重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制。这样，经过几个工况的反复识别后，计算模型基本上与实际结构相一致，因此可以对施工状态进行更好的控制。

小干大桥自适应施工控制的技术路线图见图6，其实施分几个阶段进行：

4.1 施工前期

小干大桥在主梁施工之前，就对结构设计进行精细化、全面化的分析：对设计成桥状态按照规范要求进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的全面复核，以及对施工过程的结构参数（如：应力值和变形值）进行全面复核，从理论上确保设计安全和施工安全。在此基础上对结构设计优化，确定最终合理的理想成桥状态作为施工监控的目标状态，通过敏感性分析找出影响结构状态反应的敏感参数（包括：梁段立模标高、每节段斜拉索张拉力等）作为施工控制的关键参数，并采用正装倒拆法计算出理想成桥状态下关键参数的理论值。

4.2 施工过程中

小干大桥主梁采用挂篮逐段悬浇施工，从施工至全球成型需经历一个漫长的过程，施工过程中需对诸多关键参数进行监测（如本文三所述），通过理论值与实测值进行比较，分析误差产生的原因，并对误差进行调整，修正初始有限元计算模型重新计算，修正后参数计算的结果具有更好的合理性。经误差分析和调整后，采用状态传递法进行后续施工状态预测，给出下一节段关键参数的目标控制值，确保施工过程中大桥结构安全、线形可控。

另外，小干大桥施工可能遭遇恶劣天气条件（如：台风、气温骤降等），恶劣天气引起的不利荷载对结构安全的影响不容忽视，需根据气象资料和现场实测温度情况，将环境条件拟合为荷载，在有限元模型中进行加载计算，做出相应的结构状态预测进行评估，为提前采取应对安全措施做参考。

4.3 成桥后

成桥后对桥梁结构进行全面评估，确定结构成桥实际状态，建立桥梁监控监测的基准模型，为保证运营期间结构良好、实现设计预期功能提供基准数据。

5 结束语

小干大桥控制精度要求立模标高误差±5mm、张拉索力误差±5%，并严格按施工规范控制梁段的截面尺寸、桥面平整度和主梁轴线等，经过几个节段主梁施工的磨合，反复计算和修正有限元计算模型，使计算模型基本与实际结构相一致，能更好地预测和控制下一梁段的施工状态。小干大桥主梁施工从开始到主跨合拢用时约一年，过程中系统、规范地按施工监控方案实施控制，执行行之有效，各梁段施工误差均控制在梁段标高±30mm、索力±5%的允许误差范围内，即保证了施工过程的安全，同时也为实现设计理想的成桥状态奠定了很好的基础。

参考文献：

[1]严国敏.现代斜拉桥.西南交通大学出版社，1996.

[2]向中富.桥梁施工控制技术.人民交通出版社，2001.

[3]程翔云.桥梁理论与计算.人民交通出版社，1990.

[4]汪劲丰.小干大桥施工监控及健康监测系统的研究和应用.浙江大学土木工程测试中心，2012.