钢管混凝土劲性骨架拱桥施工安全监控

邓中伟

（中铁十六局第二工程有限公司，天津市 300162）

1 概述

施工控制的目的是保障桥梁施工顺利，确保成桥后结构的内力和线形与设计理想状态相一致，其误差控制在规范和设计要求的范围内。是对施工过程中的各重点阶段及过程进行监测和控制，保证桥梁顺利施工，且在施工过程中利用各种测试手段（应力、应变、三维坐标等）获取现场实际的数据，并对获取数据进行处理，给出各施工阶段的线形及内力控制数据，用以指导和控制施工，防止施工中的误差积累，保证成桥后的线形及内力处于安全合理的范围内。施工监控的任务是：在施工中应用大跨度桥梁的控制理论方法，根据实际测得的主拱圈在各阶段（劲性骨架安装、管内混凝土灌注、外包混凝土浇筑、拱上墩柱施工、箱梁架设等）的应力及变形数据，考虑温度影响，对所得数据进行处理分析，并将分析结果及时反馈到施工过程中，从而保证桥梁的施工安全及施工质量[1]。

2 监测工作内容

2.1 设计校核

在控制工作开展初期，按照设计参数和施工方法，对桥梁进行详细的结构分析计算。这些计算工作主要包括：在空钢管节段吊装、合龙、松扣各施工阶段，钢管桁构的应力（内力）、挠度及安装高程计算；在灌注管内混凝土各施工阶段，钢管桁构的应力（内力）、挠度及结构整体稳定性计算；在施工立柱、桥面系等各阶段，结构的内力、挠度计算；在空钢管桁构合龙前（最大悬臂状态），其在横向风力影响下的面内外稳定安全性分析。在上述计算分析中，需考虑温度的影响。

在验算方法上，当钢管内混凝土达到强度前，应按应力叠加法计算钢管桁构的应力和稳定性；当钢管内混凝土达到强度后，拟按内力叠加法计算结构内力。

2.2 现场测定的参数

2.2.1 材料的物理力学性能参数

对理论计算影响较大的材料力学性能指标主要有混凝土的实际容重、混凝土的实际强度、混凝土的弹性模量等[2]。

（1）混凝土的实际容重。由于拱圈混凝土另行选择材料，混凝土容重与其他标号混凝土会有明显差异，故对拱圈混凝土的容重由实验室进行单独统计。

（2）混凝土的实际强度。计算时数据采用实验室测试资料进行统计。

（3）混凝土的弹性模量。在单向压缩（有侧向变形）条件下，压缩应力与应变之比。由于现场施工差异，每次试验取样时多做几组试件，对现场混凝土弹性模量进行测试，统计后作为现场弹性模量的实测值，作为后续计算的依据。

2.2.2 荷载参数

2.2.2.1 恒载

（1）结构自重。设计资料的钢管骨架、管内混凝土、平联板、拱上立柱、简支梁等的自重（一期恒载）并考虑实测尺寸与设计尺寸的偏差。在特殊情况下，对构件自重进行实测。

（2）二期恒载。主拱的二期恒载是根据设计图纸与施工现场相结合，根据现场测试的材料参数加以计算。

2.2.2.2 施工荷载

主要包括为施工方便搭设的临时设备、堆放的施工材料、实际截面几何参数、主拱和其他构件断面的实际测定几何尺寸[3]。

3 位移监测

3.1 测点布置

根据监测方案，测点布置如下：

（1）主拱标高监控测点分别布置在拱肋上下游侧面，各布置9个监控点，共计18个；分别布置在3#墩拱脚、1/8拱、1/4拱、3/8拱、拱顶、5/8拱、3/4拱、7/8拱以及4#墩拱脚。主拱轴线测点在拱肋中布置7个，分别布置在1/8拱、1/4拱、3/8拱、拱顶、5/8拱、3/4拱、7/8拱。

（2）在5#桥台索塔塔顶上设置3个测点，以监测其3个方向的位移（主要是沿顺桥向的水平位移），索塔塔底设置一个测点，对塔顶测点进行复核，并快速测量塔顶塔底的位移差。

（3）在0#台侧对锚梁位置用千分表进行位移观测。

3.2 具体的监测方法

（1）塔架的受力、位移进行监控验算。交界墩长细比较大时，有必要对索塔的强度和稳定性进行计算。

（2）索塔在拱肋安装中的偏移控制。

a.索塔垂直于桥轴线方向设一测站，在索塔底部设置一个标志点，在索塔顶部上下游及其中间贴3个反光膜，在中间反光膜上侧贴20 min钢尺（10 min读数对准索塔底部标志点）。

b.在适当位置选取索塔观测站（以保证足够的仰角与精度为宜）。

c.吊装前读取索塔原始数据3个反光膜的坐标值。

d.节段吊装过程中读取变形后的坐标值[4]。

e.与原始数据进行比较，坐标计算得出差值，并根据规范比较差值是否在允许值内。

3.3 拱肋线形监测

拱桥结构变形由三个方面组成：轴线（横向）、挠度（竖向）和桥纵向位移。其中，竖向位移（挠度）是最大的位移，也是变形控制中最主要的内容，其调整也比其他两个要容易些；横向位移（轴线偏移）是对主拱结构稳定性影响最大的变形；拱桥基础或承台的纵向位移引起主拱构件的附加内力是十分巨大的，很小的相对位移都可能产生十分可怕的结果。因此对这三者不可厚此薄彼，都应引起足够重视。

为观测主拱结构的变形，可根据桥址附近的水准点，在桥梁两岸的适当高度建多个观测站，桥下建两个以上观测站，所建观测站最好能兼顾各项位移的观测。结构变形观测主要采用全站仪。

3.4 主拱轴线控制

缆索进行劲性骨架吊装焊接及扣索的控制，其微小变化直接影响劲性骨架合龙后的线形。该桥劲性骨架安装拱顶预拱度0.45 m，其他位置按二次抛物线进行分配。在设计拱轴线上加上预拱度后得到加工制作的制造轴线。预制吊装成拱后的理想线形应该是制造轴线减去吊装一次成拱的自重挠度（DY），以此作为缆索吊装控制的目标[5]。

利用全站仪进行劲性骨架各扣点在各阶段的轴线高程控制测量，具体方法如下：

（1）在预先设置的观测站对劲性骨架进行三维坐标测量，从而反算施工坐标，对轴线进行控制。

（2）劲性骨架吊装前，在劲性骨架端头位置用尺量出骨架中点位置，并焊接钢筋头，贴好免棱镜测量专用反光片。

（3）测量方法。利用全站仪观测骨架轴线与放样轴线的平距差值。偏位过大时则利用两侧风缆进行调整。

3.5 锚梁和墩顶位移监测

在锚碇影响范围外固定一根钢筋并在钢筋上贴钢尺，采用在锚碇后侧设置固定标尺，用钢尺测量位移值即可。

墩顶位移监测包括左右偏移监测和前后位移监测：

（1）吊装前，在墩顶盖梁两侧贴反光膜，并在墩底设置标志点，在中间反光膜处贴20 min，并使10 min数值对准墩底标志点。读取原始坐标值。

（2）扣索（松索）后，全站仪读取变形后的坐标值，观察此时墩底标志点对应的钢尺读数并记录。

（3）与原始数据进行比较得其位移。

4 应力监测

4.1 测试仪器的选择

钢弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨率高、稳定性好等优点，其输出为频率信号，能接长导线，便于远距离传输，可直接与微机接口。在该桥的应力监测中采用钢弦式传感器。

4.2 测试原理

钢弦应变计是利用钢弦的自振频率特性制成的应变计，通过把构件表面或内部的应变转化为钢弦的工作频率变化而进行测量。其有两个支点固定钢弦，在电流通过电磁线圈所产生的短脉冲作用下，沿磁场方向发生振动。当支点间的距离发生改变时，钢弦的张力与振动频率也随之变化。其基本原理是由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。根据《数学物理方程》中有关弦的振动的微分方程可推导出钢弦应力与振动频率的关系，见式（1）：

式中：f为钢弦振动频率；L为钢弦长度；ρ为钢弦的密度；σ为钢弦所受的张拉应力。

4.3 监测断面及仪器布置

在拱脚位置、1/4拱、1/2拱（左）、1/2拱（右）共计5个断面进行应力监测。对劲性骨架的应力监测，每个断面共设8个测点，分别焊接在劲性骨架上下弦8根钢管上，用以监测劲性骨架的受力情况。对外包混凝土的应力监测，每个断面设置6个测点，在底板腹板和顶板上各2个测点，传感器在每浇筑段的中间，由于拱脚位置应力集中现象较为严重，增加传感器数量，便于真实地反映受力情况。

（1）应力传感器采用两种方式进行预埋：

a.直接焊接在劲性骨架上。

b.绑扎固定在受力钢筋上，测力方向与主筋受力方向一致。

将传感器导线引至混凝土表面并做好标记，对传感器导线及传感器接头进行相应保护。在每一节段的施工过程中都要进行应力观测。由于该桥位置处于高原，早中晚温差较大，为消除温度的影响，测量选择在上午10点前完成。

（2）拱圈应力监测分环分段分次浇筑外包混凝土时，对每个工作面的每3次全环浇筑完成后监测一次拱圈应力，浇筑拱上立柱时，每浇筑一段拱上立柱进行一次拱圈应力监测。

（3）在劲性骨架吊装过程中，扣索承担骨架的全部受力，对扣索索力进行实时监测尤为重要，以免因风荷载原因或施工震动荷载因素，使扣索索力突变，造成安全事故。在该桥监测过程中，采用JMM268型索力仪对扣索进行测量验证。索力可根据式（2）计算得出：

式中：T为索力，kN；W为扣索或吊杆单位长度重量，kN/m；n为频率阶数；fn为对应 n阶的频率，Hz；L为扣索及吊杆计算长度，m；g为重力加速度9.8 m/s2。

（4）由于该工程所处高海拔山区（海拔2 850 m），紫外线强，昼夜温差大，结构物温差较大，影响到结构内部应力分布，温度变形还将影响测量精度。测量数据用于施工监控分析中时，必须对温度进行修正。拟采用红外线温度检测仪进行结构温度监测。同时应变传感器自带温度测试功能，采用应变传感器监测结构内部温度。

（5）动态控制根据现场测试数据，进行参数识别与修正，并详细模拟施工过程，形成施工控制依据。在实际施工过程中，根据实时测量反馈的数据，随时进行调整控制。

劲性骨架的拱轴线和应力是施工控制的根本目标。劲性骨架安装控制的目标是：理想成拱轴线=制造轴线（设计拱轴线+预拱度）-拱肋一次成拱的自重（包括管内混凝土）挠度曲线。钢管桁构的应力控制目标是：空钢管无铰拱（主要是上、下弦钢管构件）自重作用下的应力在容许范围内。

各施工阶段的控制高程按式（3）确定：

式中：H为节点的施工控制高程；Ha为计算安装轴线高程；fi为节点累计挠度（包括节段重力、扣索索力、后续施工下当前节点挠度的影响）；Δ为考虑施工误差及温度影响的安装修正值。

5 结语

综上所述，本文对钢管混凝土劲性骨架拱桥的某种监控方法做了详细的介绍，并分析了其理论性。同时以某实际钢管混凝土劲性骨架为背景，以实际施工工况和现场实测数据为支撑，对主拱圈进行了结构分析，对每一施工阶段提出指导性意见，分析误差产生的原因，对每一工况进行安全控制，希望可为同类型桥梁施工监控提供一些参考性意见。