简支系杆拱应力及线形监控施工技术的应用及研究

张 林

（中铁二十局集团第四工程有限公司 山东青岛 266061）

1 引言

简支系杆拱施工过程中，结构的变形及内力随着结构体系和荷载的不断变化而变化。因此，在下承式简支系杆拱施工中，需在系杆拱桥梁体及拱肋的控制断面设置应力测试元件进行监测［1］，并对一个施工阶段进行详尽的分析和验算，求出主梁的挠度、应力、预应力钢束的张拉力、吊杆的拉力和拱肋的变形和内力。针对明确的施工顺序，建立完善的监控系统，并采用一定的方法对结构的应力、变形和索力加以控制，保证主拱圈在施工过程中的稳定性，以确保该桥在施工过程中的安全，并保证在成桥后结构的受力状态和变形处于设计控制的安全范围内［2］，为本桥安全、顺利施工提供技术支持和保障。同时验证建模处理方法的合理性，为同类型桥梁的建模分析提供参考［3］。

2 工程概况

杨家沟跨延延高速公路大桥位于延安市境内，全长150.03 m，其中第1#、2#墩间设60 m预应力混凝土简支拱跨延延高速公路。其梁部全长60.5 m，桥面纵坡通过拱肋与梁部刚性旋转实现，吊杆垂直梁部布置。截面类型为单箱三室等高度简支箱梁，梁高为2.2 m，梁部桥面板宽17.2 m，底板宽14.8 m。拱肋的计算跨度为58.5 m，矢跨比为f／L＝1∶4.84，拱肋立面投影矢高12.08 m，拱肋采用二次抛物线。拱肋在横桥向内倾8°，呈提篮式，拱顶处两拱肋中心距为10.21 m，拱管内灌注C55补偿收缩混凝土。

3 监控目的及计算内容

利用现场监测手段得到各施工阶段结构的实际内力和变形，跟踪施工进程和结构发展情况［4］。根据施工监测过程中的数据分析，及时提供信息反馈，确保施工顺利进行。施工监控中在梁体内部及拱肋埋设应力测试元件，可用于桥梁施工完成后的运营阶段。监测监控是施工过程的安全保证措施，并为后期运营提供安全耐久的综合监测系统。

通过全桥结构有限元分析，计算各构件在混凝土浇筑、系梁预应力张拉、拱肋混凝土压注、吊杆张拉及桥面施工等各截面的应力和变形，为施工监控提供理论依据。对系梁、拱、吊杆等关键截面、关键部位、关键工序进行监控，以指导施工，确保施工期间的结构安全，并最终实现设计应力要求，确保支架拆除方案对拱和系梁的影响控制在安全范围内。

4 施工控制体系及测试参数

4.1 施工控制体系

施工控制体系主要由现场测试、测量、监控及计算组成，是一个集收集汇总、计算分析及信息反馈的过程。通过建立记录表、指令表等制度实现施工方、监理方及设计方协同合作，并以分析结果作为依据，供相关单位参考。

4.2 材料力学参数

在控制体系运行过程中，需要采集的数据应包含以下内容:

（1）利用中心实验室，按照规范进行混凝土的弹模试验，测定混凝土容重、弹模及强度等参数。

（2）按规范取得混凝土的收缩徐变系数，结合现场施工进行分析修正。

（3）除常规线形、应力参数外，还应考虑温度对施工的影响。对于带电热偶的钢弦应变计，先测出电热偶，再乘以标定系数即可得出温度［5］。

4.3 施工荷载参数

梁体荷载主要包含永久荷载、施工荷载及临时荷载。根据设计图纸确定梁体一期及二期总荷载，并按照施工实际情况进行计算，复核实际设计值。梁体所包括混凝土、钢筋、钢结构、后期铺装等所有永久性结构均计算在内，并应用于模型上。施工及临时荷载主要为施工过程中作用于梁体的人、材、机、振捣、约束等非永久性荷载，取最大值计算并根据实际情况对荷载进行分布。

4.4 截面几何参数

断面几何参数为对梁体的测定结果。梁体断面存在的误差对简支拱结构荷载计算及结构分析存在重要影响。在设计参数的基础上，对主梁施工前、中、后进行实测取得断面参数，监控过程能更准确地反映其挠度变化。

5 应力监控方案

5.1 有限元模型

根据施工监测监控的具体要求和结构的实际情况，本次采用MIDASCivil程序进行计算和施工过程模拟［6］，包括截面特性计算、预应力损失计算、混凝土收缩徐变计算、内力与变形组合和应力应变计算等［7］。根据桥梁截面变化和施工模拟需要，全桥共划分了349个节点和258个梁单元。

5.2 施工过程

依据设计图纸和施工方案，将施工具体划分为8个阶段。在梁体浇筑前及钢结构拼装后安装钢弦式应变传感器，其量程大、精度高、非线性范围大以及零漂、温漂范围微小，对测量精度基本无影响，且自身防护能力好，便于长期观测，是应变测量较理想的传感元件［8］。

5.3 主梁钢筋绑扎及混凝土浇筑阶段

（1）预埋应力监测传感器，为应力监控做准备。

（2）预埋完成后调试仪器设备并读取初读数（包括温度）。

应力监测传感器埋设点如图1所示，其中1#、5#断面为拱脚断面，2#断面为1／4跨断面，3#断面为跨中断面，4#断面为3／4断面。

图1 系梁跨中（3#断面）及其他断面应力测点布置

5.4 主梁预应力钢筋张拉阶段

（1）测量预应力张拉前系梁各预埋应力传感器的初读数（包括温度）。

（2）测量预应力张拉后系梁各预埋应力传感器的读数（包括温度）。

（3）与理论计算值进行比较，如果发现异常应查找分析原因。

5.5 拱肋支架搭设阶段

（1）测量拱肋支架搭设前系梁各预埋应力传感器的初读数（包括温度）。

（2）测量拱肋支架搭设后系梁各预埋应力传感器的读数（包括温度）。

（3）与理论计算值进行比较，如果发现异常应查找分析原因。

5.6 拱肋及横撑拼装阶段

（1）测量拱肋及横撑拼装前系梁各预埋应力传感器的初读数（包括温度）。

（2）测量拱肋及横撑拼装后系梁各预埋应力传感器的读数（包括温度）。

（3）与理论计算值进行比较，如果发现异常应查找分析原因。

（4）安装拱肋应力检测传感器并读取初读数，为监测拱肋应力提供基础数据。拱肋应力检测传感器安装如图2所示，拱肋及横撑拼装阶段模型如图3。

图2 拱肋应力监测断面及测点布置

图3 拱肋及横撑拼装阶段模型

5.7 拱肋与支架脱离阶段

（1）测量拱肋与支架脱离前系梁和拱肋各预埋应力传感器的初读数（包括温度）。

（2）测量拱肋与支架脱离后系梁和拱肋各预埋应力传感器的读数（包括温度）。

（3）与理论计算值进行比较，如果发现异常应查找分析原因。

5.8 拱肋混凝土灌注阶段

（1）测量拱肋混凝土灌注前系梁和拱肋各预埋应力传感器的初读数（包括温度）。

（2）测量拱肋混凝土灌注后系梁和拱肋各预埋应力传感器的读数（包括温度）。

（3）与理论计算值进行比较，如果发现异常应查找分析原因。

5.9 吊杆安装及张拉阶段

（1）测量吊杆安装及张拉阶段前系梁和拱肋各预埋应力传感器的初读数（包括温度）。

（2）测量吊杆张拉过程中系梁和拱肋各预埋应力传感器的读数（包括温度）。

图4 吊杆安装及张拉阶段模型

（3）与理论计算值进行比较，如果发现异常应查找分析原因。

吊杆安装及张拉阶段建模如图4。

5.10 主梁支架脱离及拆除阶段

（1）测量主梁支架脱离及拆除前系梁和拱肋各预埋应力传感器的初读数（包括温度）。

（2）测量主梁支架脱离及拆除后系梁和拱肋各预埋应力传感器的读数（包括温度）。

（3）与理论计算值进行比较，如果发现异常应查找分析原因。

6 线形监控

6.1 主梁支架预压阶段

在此阶段线形监控的目的是通过对主梁支架预压，消除支架不可恢复变形和测量支架弹性变形和地基非弹性变形，为主梁模板立模标高提供参考数据。通过在两支点、跨中、1／4和3／4截面位置底模上设置观测点，全程观测预压过程中支架变形。

6.2 主梁现浇阶段

主梁现浇阶段主要工作是埋设主梁线形观测点，为以后各施工阶段观测主梁线形变化提供基础。主梁分12段，每5 m一个位移监控截面，主梁观测点设置如图5所示。Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ、Ⅷ四个断面上布设3个位移测点，其他断面上各布设5各测点。每隔一段时间对高程基准点进行复核，以防止测点位置移动或破坏［9］。

图5 主梁线形观测截面

6.3 拱肋支架搭设阶段

该桥采用先梁后拱方法施工，拱肋在支架上进行拼装。本阶段主要工作有:

（1）观测拱肋支架搭设过程中主梁各测点高程变化，从而确定主梁线形变化。

（2）观察主梁支架，如果发现异常应停止施工，找出原因并确定安全后方可继续施工。

（3）在拱肋上安装拱肋线形观测点并读取初始数据。拱肋线形观测点布置如图6所示。

图6 拱肋高程观测断面

各主要施工阶段包括系梁浇筑、系梁张拉、拱肋拼装、拱肋混凝土顶升、吊杆张拉、支架拆除等均进行沉降观测并建立记录表。

7 应力监控过程控制及结果

7.1 数据采集

应力数据的采集随着施工进程同步进行，应力测量时间选择在各关键施工阶段完成后进行［10］。各施工阶段施工过程中，建立并统计主梁应力测量记录表、拱肋应力测量记录表、主梁沉降观测记录表及拱肋位移观测记录表。

7.2 数据处理

主梁预应力张拉完成后，主梁应力对照见表1。

表1 主梁应力监控对比 MPa

拱肋混凝土灌注完成后，拱肋应力对照见表2。

表2 拱肋应力监控对比 MPa

7.3 结果分析总结

（1）应力监控结果

根据监测数据分析，在整个施工过程中，简支拱梁体混凝土中的应力测得数据均在规范容许的范围之内。上缘最大应力测得为受压8.05 MPa，最小压应力为5.43 MPa；下缘测得最大应力为受压5.74 MPa，最小压应力为2.87 MPa，且没有拉应力存在。从以上结果可以看出，本桥应力在规范要求上缘最大压应力8.9 MPa，最小压应力2.0 MPa；下缘最大压应力6.9 MPa，最小压应力1.8 MPa的允许范围和设计范围之内，结构安全。由于实际检测过程中砼收缩徐变、温度、施工等各种因素的影响，与理论计算值相比，大部分实测应力较大且较离散，属于正常现象。

（2）线形监控结果

经计算分析，线形监控结果符合设计要求。系梁及拱肋三维坐标准确，预埋件定位精准，位移偏移实际测量值与设计值误差在允许范围内，主梁沉降监控及拱肋轴线符合设计要求。

（3）吊杆索力监控结果

经施工监控、索力测试及计算分析，吊杆力控制较均匀，实测值与设计值误差均在允许范围内，满足设计要求。

8 结束语

桥梁施工监控是通过施工架设全过程的仿真计算和实际结构状态监测，通过过程监控和调整，实现桥梁结构成桥内力和线形理想目标状态［11］。需要对系杆拱桥每一个施工阶段进行详尽的分析和验算，求出主梁的挠度、应力、预应力钢束的张拉力、吊杆的拉力和拱肋的变形及内力。针对明确的施工顺序，建立完善的监控系统，并采用一定的方法对结构的应力、变形和索力加以控制，通过数据分析判断结构是否发生损伤并对结构进行评估与监控［12］。确保主拱圈在施工过程中的稳定性，保证该桥在建造过程当中的安全性，在成桥后结构的承载状态和形变处于设计控制的安全范围内，为本桥安全、顺利建成提供技术保障。