某斜拉桥施工监控技术

王伟涛， 杨成龙， 杨永清

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

斜拉桥属高次超静定结构，其成桥状态与施工方法息息相关，为确保施工过程中斜拉桥的结构内力和变形状态始终处在安全、合理的范围内，且成桥后主梁线形逼近设计预期的理想线形，结构本身处于最优的受力状态，必须在施工过程中进行严格的施工控制[1]。

本文通过对西南大桥施工过程的线形、应力、索力进行控制，使得施工过程中的结构变形和内力状态始终处在安全、合理的范围内，且成桥后主梁线形逼近设计的理想线形。

1 工程背景

1.1 工程概况

广西贵港市西南大桥为双塔双索面预应力混凝土梁边主梁斜拉桥，桥梁总长为548 m，桥面宽为36.5 m，桥跨组成为：(46+88+280+88+46) m(图1)。主塔采用弧线形门式框架钢筋混凝土结构，主梁采用等高度带悬臂的矩形边主梁结构，斜拉索采用现场组装的镀锌钢绞线体系，全桥共136根斜拉索，塔根处35 m范围及边跨45.88 m压重范围内主梁采用支架浇注法施工，其余部分采用牵索挂篮悬臂浇注，主梁施工中先合龙边跨，后合龙主跨。

图1 西南大桥主桥结构布置(单位：m)

1.2 监控内容

本次桥梁监控的主要任务是对斜拉桥施工全过程实施控制，根据实际的施工工序以及现场获取的参数和数据，对桥跨结构进行实时理论分析和结构验算，以主梁线形控制、主梁应力控制和索力控制为重点[2-3]，同时做好桥塔应力和线形的监测与控制。

主梁线形(标高和挠度)的控制：通过现场实时监测和施控实时计算及误差调整，确定合理的施工预拱度和主梁立模标高，确保大桥顺利合龙及成桥线形顺畅准确。

全桥结构各部应力的控制：根据本桥特点通过结构先期计算确定合理的测点布置方案，能充分反映全桥施工各阶段的内力变形状态和最不利控制断面的应力水平。

全桥索力的控制：主要分为两个部分，第一步是在悬臂浇筑施工过程中，控制索力的大小并且测量结构变形；第二步是在全桥合龙并在二期恒载铺设之后，对索力进行调整张拉到设计值，通过对索力的张拉，调整桥面的线性与结构受力。

2 施工控制实时监测

施工控制的实时监测是在施工的每一阶段或工序对结构的应力变化和挠度变化情况等进行同步观测，以给施工控制实时计算提供实测数据，进而与计算预测值作比较，并为状态修正提供依据。

2.1 线形控制

主梁梁段的高程测点在梁段的钢筋绑扎阶段进行预埋(图2)。测点为φ16钢筋，牢固定位于顶板钢筋骨架上。结合西南大桥的结构特点及施工控制要求，其主梁每个悬浇节段梁顶对称布置三个标高测点。在每个零号块件顶面布置高程观测点，布置0#号块高程观测点是为了控制顶板的设计标高，同时也作为以后各悬浇节段高程观测的基准点。

图2 标高测点布置示意

主梁的线形监测以线形通测和局部梁段标高测量相结合。局部梁段测量范围为当前施工梁段及该梁段前已完工的3～5个梁段。主梁线形通测每间隔大约5个梁段进行一次，以及在结构体系转换等关键施工阶段进行。

2.2 应力检测

应力监测通过在主梁、主墩的控制断面处布设应力测试元件，以观测在施工过程中这些截面的应力变化和应力分布情况。

2.2.1 主梁应力测点布置

边跨主梁应力监测截面布置在边跨跨中、边跨辅助墩位置及边跨1#块根部，两个边跨共布置应力监测截面8个，每个截面布置10个测点，顶板6个、底板4个，边跨共有测点80个；中跨主梁应力监测截面布置在1#块根部、L/4附近及跨中，中跨共布置应力监测截面5个，每个断面布置10个测点，顶板6个、底板4个，中跨共有测点50个(图3)。

图3 主梁应力监测断面纵向布置示意

2.2.2 索塔应力测点布置

索塔应力监测截面布置在下塔柱底部和中塔柱底部，全桥共4个索塔应力监测截面，每个监测截面布置8个测点，共32个测点。索塔应力测点布置，现场埋设根据实际情况进行相应的调整。

桥塔变形监测采用全站仪进行监测，在索塔施工封顶完成后，索塔左右塔柱顶各设4个测点(图4)。测点位置选在塔顶便于观测的可靠位置处。塔偏位在每根斜拉索按施工张拉索力张拉完成后测量。

图4 监测断面测点布置示意(单位：cm)

2.3 索力控制

斜拉索力的监控内容主要有斜拉索施工张拉时张拉力的控制，各斜拉索张拉前后各已施工斜拉索索力的测量以及成桥时各斜拉索索力的测量与控制。斜拉索施工张拉时张拉力的控制主要用张拉斜拉索的千斤顶的油压表的数值进行控制，已有斜拉索力的采用频率法进行测量，对施工过程中出现的斜拉索力实测值与计算值的偏差及时分析原因，采取必要的调整措施[4]。

3 施工进程中施工模拟的结构实时分析

桥梁施工控制的目的就是使施工与设计尽可能一致。在桥梁的设计计算中通常会采用一些预设或假定的参数用于计算，并不一定完全真实地反映当前桥的实际施工情况。

西南大桥施工控制计算模型和计算参数随着施工进程进行了多次调整，以反映和指导新的施工状况。最终结构计算图式(图5)，最大悬臂阶段结构计算图式(图6)。

图5 结构整体计算模型示意

图6 单T构最大悬臂状态结构模型示意

西南大桥主梁预拱度通过各悬臂施工梁段的立模标高而得到实施，设置值按施工期主梁挠度、竣工后一段时间(考虑10 a)的混凝土收缩徐变挠度及1/2活荷载静挠度，相加取反号而得。施工期主梁挠度主要包括悬臂施工主梁自重挠度、预加力主梁挠度、体系转换和二期恒载挠度及施工期混凝土收缩徐变挠度等[5]，主梁整体预抬高值情况如图7所示。

图7 主梁整体预抬高值 (单位：m)

3.1 桥跨合龙控制的实现结果

3.1.1 合龙精度控制成果

全桥各个合龙段施工作业前均对合龙口两悬臂端的标高值进行了连续观测，图8、图9给出各合龙段施工时的标高实测结果。从图中所示误差数据看出，桥跨合龙精度得到了很好的控制，3个合龙段中合龙段的合龙误差均在15 mm以内，合龙误差最大的合龙段的合龙误差为13 mm，达到了控制目标结果，满足控制目标要求(±15 mm以内)。主梁轴线基本无偏差。合龙后主梁线形顺畅。

图8 3#、4#桥塔边跨合龙口合龙误差(单位：m)

图9 中跨合龙口标高及合龙误差 (单位：m)

3.1.2 桥面高程阶段性控制成果

为了掌握已完成主梁施工梁段顶面的实际线型状况，在节段施工至9#节段完成时，施工单位的配合下对桥面标高情况进行了通测，且将实测数据汇总并与理论标高值进行了对比，各节段误差比较结果见图10、图11。分析可以看出，大部分控制断面主梁上下游高程测点平均值偏差都在-3.0～ 3.0 cm范围内，满足控制目标要求(±S/2500=±3.5cm，S为悬臂长度)。但其中3#墩8#节段偏差较大(最大偏差可达3.8 cm)，分析其原因是因为主梁梁顶不平造成。针对这一情况，监控方提出建议是，在二期恒载施工过程中及时补上所缺厚度。

图10 3#桥塔桥面实测与理论值比较(11#节段张拉后) (单位：m)

图11 4#桥塔桥面实测与理论值均值差比较(9#节段张拉后) (单位：m)

3.2 施工过程沿程应力监控的实现结果

在对西南大桥2个主梁根部(0#块端部)断面、边跨5#块根部断面及中跨9#块端部断面的沿程应力实测值与理论值对比分析，全桥的实测应力结果与监控计算结果基本吻合，结构内力情况较理想，处于安全状态。0#块监测断面、边跨5#块监测断面及中跨9#块监测断面实测最大应力分布情况如图12、图13所示。

图12 0#块监测断面实测底板最大拉应力(及顶板最大压应力)值 (单位：MPa)

图13 边跨5#及中跨9#监测断面实测底板最大拉应力(及顶板最大压应力)值 (单位：MPa)

整个施工过程中主梁根部0#块监控断面顶板法向最大压应力为-12.53 MPa，小于规范限值[6]=0.70×(-32.4) =22.68MPa；底板未出现拉应力，结构处于安全状态。

整个施工过程中主梁边跨5#块监控断面及中跨9#块监测断面顶板法向最大压应力为-12.75 MPa，小于规范限值=0.70×(-32.4)=22.68MPa；底板未出现拉应力，结构处于安全状态。

3.3 索力监控的实现结果

全桥合龙以后，跟踪控制与监控了调索阶段的索力变化，调索完成后，对成桥索力进行了全面测量，并将实测值与理论值进行比较分析，对成桥(主梁竣工)索力进行误差评定。监测结果表明：除少数几根索索力偏差稍大外(±5 %～±6 %之间)，其余索力偏差均在±5.0 %以内，均足设计要求[7]，理论值与实测值误差对比见图14、图15。

图14 3#、4#桥塔S1～S17调索完成实测索力与理论索力误差对比

图15 3#、4#桥塔C1～C17调索完成实测索力与理论索力误差对比

4 成桥状态的控制实现结果

调索完成后，对全桥桥面高程进行了测量，平均误差见图16所示。实际测量结果表明成桥状态桥面标高总体控制情况较好，线形较为顺畅，误差在(-2.6～7 cm)之间，满足控制目标要求(±L/4 000=±7 cm，L为跨度)。

图16 调索完成后实测线形与理论值误差对比(单位：m)

5 结束语

(1)西南大桥的设计、施工和控制是成功的，其成桥状态可满足全桥在运营阶段的各项要求，结构安全，线形顺畅，造型美观。

(2)整个施工过程中，该桥的预拱度计算及挂篮变形值的预测是精确的；实测桥梁变形值与理论值吻合良好，主梁控制断面上下游高程测点实测平均值与理论计算值偏差在控制目标范围内。

(3)应力实测数据表明，全桥施工过程中的实测应力结果与监控计算结果基本吻合，结构内力较理想，处于安全状态。

(4)调索完成后，索力总体偏差在设计允许范围之内，达到控制目标结果。

(5)桥跨合龙精度较好，达到了控制目标结果；主梁轴线基本无偏差；合龙后主梁线形顺畅。

(6)悬臂施斜拉桥的主梁线形的调控手段相对有限，必须依靠施工监控测试数据对主梁预拱度和梁段立模标高作出尽可能准确的预测，以保证桥跨顺利合龙及桥面线形顺畅。

(7)通过西南大桥的施工控制工作，为实际了解大跨度斜拉桥的结构行为提供了施工全过程信息，对该类桥型今后的设计、施工及进一步发展提供了有益经验。