矮塔斜拉桥施工监控要点探讨

谢军 王龙林 于孟生

摘要：文章以某矮塔斜拉桥为项目依托，从控制点复核、主梁线形测量、应力测量、桥塔偏位测量、24 h监测等方面，探讨矮塔斜拉桥施工监控关键技术要点，为类似桥梁工程施工监控提供参考。

关键词：施工监控;斜拉桥;线形测量;应力测量;桥塔偏位

With an extradosed cablestayed bridge as the project support，this article discusses the key technical points of extradosed cablestayed bridge construction monitoring from the aspects such as control point review，main beam linear measurement，stress measurement，bridge tower deviation measurement and 24hour monitoring，thus providing the reference for similar bridge construction monitoring.

Construction monitoring;Cablestayed bridge;Linear measurement;Stress measurement;Tower displacement

0 引言

矮塔斜拉桥是由斜拉索、箱梁和桥塔组成的一种结构体系。由于其延续着连续刚构桥梁的受力特点且配合斜拉索作用，使得结构整体具有较好的刚度，同时使刚构桥跨中下挠问题得以一定的改观，近年来备受市政桥梁的偏爱。多数学者在矮塔斜拉桥研究中侧重于如何调整索力，如何控制高程和应力，而忽略了温度、实测索力的差异对结构的联合作用的影响[1-2]，分析侧重理论。本文结合多年施工监控的经验，以矮塔斜拉桥为项目依托，针对施工过程中监控关键技术要点进行阐述，从控制点复核、主梁线形测量、应力测量、桥塔偏位测量、24 h监测等多方面、全方位地进行综述，可为以后的桥梁监控提供参考性建议。

1 桥梁概况

该桥为（90+165+165+90）m单索面三塔预应力混凝土矮塔斜拉桥。主跨布置按双孔单向通航设计，桥宽30.5 m，梁高3.2～6.2 m，主塔为弧线形花瓶式塔，塔高22.0 m。全桥共计144根斜拉索，斜拉索梁上间距4 m，塔上理论索间距0.8 m。

主墩采用双肢薄壁墩，圆端形承台，桩基础为2.2 m钻孔灌注桩。主桥采用挂篮悬臂对称浇筑的方法施工[3]，主桥基础利用钢管桩平台施工基桩，利用钢套箱封底。主梁为整幅单箱三室直腹板箱梁，箱梁顶板宽度为30.5 m，底板宽度为21.5 m，两侧各挑臂长度为4.5 m。桥面设置1.5%的双向横坡，梁底水平。箱梁根部梁高6.2 m，跨中及边跨现浇梁段梁高3.2 m，其间梁底下缘以1.8次抛物线变化。

2 施工监控要点

施工监控是针对每段实际施工工序及施工监测获取的数据，对桥梁进行实时平差、分析和验算，并根据分析结果及时调整施工监控指令，以确保结构逐段施工符合设计要求。施工监控控制流程可以按照图1执行。

2.1 控制点复核

施工监控进场时采用高精度全站仪复核河岸上基准控制点和主桥桥墩顶面基准点高程。主桥主梁施工到一定节段采用水准仪复核桥墩顶面基准点高程，以确保桥面标高基准点的统一。

2.2 主梁线形测量

主梁线形测量主要是针对主梁各节段控制点的标高进行观测，并以阶段性对主梁轴线偏位观测为辅助。主梁线形测量监测断面布设与箱梁纵向梁段划分一致，每4 m（距墩中心第一个测点为5.5 m）设置一个。由于桥面较宽，标高观测在每段主梁顶板横断面上采用3点控制，如图2所示。测点采用16 mm的竖直钢筋制作，钢筋顶、底部分别与主梁顶板顶层和底层钢筋焊接，以确保测点钢筋稳固牢靠，钢筋顶端磨圆露出混凝土表面1.5 cm左右，用油漆标记，并对测点进行统一编号，如图3所示。若按图中尺寸制作的钢筋与箱梁预应力波纹管或施工机具冲突，可横向适当挪动钢筋头位置（一般≤10 cm）。

2.3 应力监测

索塔主要承受斜拉索的竖向分力和桥塔两边拉索水平分力引起的弯矩，同时在施工过程中的施工荷载将使桥塔产生较大的变形与应力[4]。全桥共3个索塔，单个索塔根部截面布设4个观测点。主梁在施工过程中将承受轴向压力和变化弯矩的共同作用，因此在关键控制截面设置应力传感器进行应力观测。观测时间在各施工阶段前后进行，對于重要施工阶段应进行实时监测。全桥主梁共布置10个应力监测截面，共164个观测点。这些断面主要监测主梁混凝土顶底板在施工过程、体系转换过程、斜拉索张拉或索力调整过程、桥面铺装施工过程中的应力变化情况。应力监测一方面是监测各断面在整个施工过程中的应力状态是否正常，保证受力状态处在安全可控的范围之内;另一方面是将监测值与理论计算值进行对比以便于对施工过程中的各个参数进行识别和调整。主桥应力监测断面见下页图4。

2.4 索力测试

斜拉索的张拉力直接影响主梁的内力和线形，斜拉桥索力是反映全桥内力状态的重要指标，施工阶段和成桥阶段的索力测试是斜拉桥施工监控系统的主要工作之一。索力的测试通常将索力的通测和张拉索索力的单根测量相结合。在斜拉索张拉后对其进行索力测量能及时发现并纠正因施工工艺和技术产生的索力误差，以评价索力和主梁内力状态，研究误差消除的对策。本桥对斜拉索采用振动频率量测法，索力测试采用DH5906无线索力测试仪进行。

2.5 桥塔偏位测量

塔顶偏位是结构变形的一个重要指标。为保证塔区主梁混凝土浇筑之后以及斜拉索张拉后桥塔结构安全，需要在索塔顶部预埋棱镜或贴反光片作为测点，以监测塔柱的偏位和标高[4]。本桥在索塔施工阶段根据现场情况布置偏位测点进行测量，索塔偏位测点布置示意如图5所示。

2.6 24 h主梁温度、应力及线形监测

温度影响是施工控制中较难掌握的因素，所以，在结构计算中一般不把温度影响作为单独工况，而是将温度影响单独列出，作为修正[5]。温度影响包括日照温差和年温差两部分，是斜拉桥施工控制中非常重要的因素。本桥在晴天和阴天分别对主梁8#节段、16#节段和20#节段（合龙前）进行24 h监测，8#节段24 h监测部分数据见图6～8。

2.7 其它监控内容

预应力磨阻损失试验、主梁立模高复核测量、挂篮变形测量、主梁和桥塔截面尺寸测量等。

3 有限元计算

桥梁结构分析计算采用Midas/Civil软件进行计算。

3.1 模型建立

（1）材料：主墩采用C40混凝土，承台采用C30混凝土。

主梁及索塔采用C55混凝土，弹性模量Ec=3.55×104 MPa，γ容重=26 kN/m3。

（2）桥面系：防撞护栏容重取值γ=25 kN/m3，沥青混凝土容重取为24 kN/m3，C50混凝土容重取为24 kN/m3。人行道板重取为每延米4.0 kN/m2，人群荷载取为3.0 kN/m2。

（3）混凝土收缩徐变按规范进行计算。

（4）汽车荷载按照公路Ⅰ级6车道进行加载，程序自动按影响线进行最不利加载得到结构最不利效应。主桥双向六车道，折减系数0.55，人群荷载3 kN/m2。

（5）收缩徐变按10年达到收缩徐变终值考虑。

（6）温度作用：箱梁合龙温度取20 ℃，系统升温、系统降温各按20 ℃计。

（7）温度梯度：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.10条取用。竖向梯度温度效应以10 cm沥青混凝土为基准，桥面板顶层升温T1为14 ℃，底升温T2为5.5 ℃，A=300 mm。竖向日照反温差为正温差乘以-0.5系数，顶板降温T1为-7 ℃。

（8）墩台不均匀沉降：相邻墩台间不均匀沉降，主墩下降5 mm。考虑以下假设：

① 截面变形符合平截面假设;

②混凝土、钢筋为理想弹性材料，混凝土、钢筋的弹性模量为常数。

采用有限元程序Midas/Civil进行计算，全桥主桥共建立594个节点，5个单元。计算模型如图9所示。

3.2 计算项目

3.2.1 施工阶段有限元分析

施工阶段有限元分析包括成桥箱梁应力状态、施工阶段箱梁应力、施工阶段斜拉索索力、施工阶段索塔应力、箱梁预拱度计算、箱梁挠度计算结果等[6-7]。

3.2.2 成桥阶段结构承载力验算

按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.1.6条和第4.1.7条分别进行承载能力极限状态验算和正常使用极限状态验算，并分别采用以下作用效应组合：

（1）承载能力极限状态强度验算：正截面抗弯强度验算;斜截面抗剪强度验算;斜拉索索力验算。

（2）正常使用极限状态验算：正截面抗裂验算;斜截面抗裂验算;挠度验算。

（3）持久状况和短暂状况构件的应力计算：正截面法向压应力验算;斜截面主压应力验算。

斜拉桥在桥面铺装后需要二次调索到目标索力，通过有限元计算采用影响矩阵法可以快速、准确地调整到设计值。

通过及时反馈数据修正模型，最终能够很好地反映桥梁的真实应力和线形状态[8-10]。

4 监控结果

（1）通过对主梁每节段立模标高进行调整，主梁每节段线形顺畅，主桥合龙段标高满足规范要求±20 mm以内[6]。

（2）通过及时采集主梁和桥塔截面应力并对其进行分析可知，在主梁混凝土浇筑和张拉及斜拉索张拉施工过程中未发现应力异常增加或减小的情况，施工过程控制截面受力合理。

（3）斜拉索索力偏差大部分满足设计要求，在±2%以内，斜拉索索力最大偏差不超±5%。索力误差偏大部分是因施工单位张拉工艺和技术限制所致。

5 结语

本文以实体工程中某矮塔斜拉桥为项目依托，针对施工过程中的监控关键技术要点进行阐述。通过主梁线形测量、应力测量、桥塔偏位测量、24 h监测等数据与理论数据校核分析，以有限元计算分析的应用来阐述矮塔斜拉桥监控要点，为以后类似桥梁监控积累了丰富的成功经验，具有重要的意义。

通过对本桥线形的监测可知，悬臂合龙的中线位置误差5 mm，≤10 mm;悬臂合龙的高程差10 mm，在±20 mm之内，桥面线形平顺，满足施工规范和设计要求。应力监测过程中未发现应力异常状况，应力储备良好，满足施工和设计要求。监控过程中斜拉索初张拉力满足设计和施工要求，索力无异常状况，最终成桥索力满足施工规范要求。

监控过程总结如下：

（1）主梁各施工工况的线形测量、应力测量必须保证在早上太阳出来之前即6[JX-+0.7mm]：[JX+0.7mm]00左右时间段进行，此时间段温度较低且温度变化小，可尽可能减小温度对监控数据的影响。

（2）施工工况持续时间太久易造成较大应力测量偏差，因此对应力的测量尽量采用应力增量法进行控制。数据显示采用此方法可使得实测应力更接近理论值，对施工的指导意义重大。

（3）严格控制每个阶段的标高并和理论计算值对比，如发现某阶段浇筑或张拉挠度异常，可及时总结找到原因指导施工。事实证明，主梁每个施工阶段工况下标高偏差都能在合理范围内，每节段立模标高值调整很小，对主梁的受力和顺利合龙有很重要的影响。

（4）本项目索力测试采用频率法，计算长度和实测索频率对数据有一定影响，因此需要多次测量和去除现场不同因素的干扰，使测试值更加精确，能够反映索力的真實状态。当张拉索力超出规范允许偏差时，应及时调整。

（5）监控过程中需要建立模型理论分析，并且通过监测的已知数据进行实时分析、修正模型，从而达到实时跟踪、预警的效果，很好地指导施工。此外监测数据可以为以后桥梁健康监测提供宝贵的原始资料信息，为大桥全寿命运营的管理提供有力的支持。

参考文献：

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