银西高速铁路黄河特大桥施工监测控制技术的应用

王春宏

（中国铁路兰州局集团有限公司，甘肃兰州 730030）

桥梁施工监测和监控是保障桥梁结构施工安全的一种重要措施。在桥梁结构施工过程中，依据监测结果可以判断和预测现阶段和后续施工阶段桥梁结构的应力和应变，也可依据监测结果对施工工艺参数和施工方法进行优化设计，为桥梁快速安全施工提供技术参考[1—3]。施工监控与监测不仅关系到桥梁的施工安全，也关系到桥梁使用过程中结构的安全及寿命问题[4—6]。桥梁监测过程中如果发现监测值与理论计算结果相差悬殊时，必须暂停施工，进行桥梁结构和临时支撑体系分析[7—9]。桥梁施工监测与监控方案的优劣直接影响桥梁施工安全和运营安全，尤其对于高铁桥梁影响更大。高速铁路大跨简支梁桥具有重量大、梁体体积大的特点，施工中支架系统、混凝土浇筑、预应力张拉、混凝土徐变和温度效应等均会影响桥梁施工中预拱度的设置、应力和徐变，这些变化都会对施工过程的安全和质量造成影响。因此，对桥梁进行实时监测显得十分重要。本文以银西高速铁路黄河特大桥为依托，结合有限元分析理论，对该桥56 m 简支箱梁在施工中的线形、应力及支架系统进行监测控制，分析桥梁在施工中的安全性和运营中的耐久性，为同类铁路简支梁桥的监测提供借鉴。

1 工程概况

银吴客运专线段是银西高铁宁夏境内的关键交通枢纽，银川机场黄河特大桥作为该段的重点工程之一，其引桥采用13 跨56 m 的双线预应力混凝土简支箱梁，其截面形式为等高单箱单室；梁长56 m，计算跨度53.8 m，梁高5.1 m，在梁顶部设置2.0%的横向排水坡；桥面顶宽12.2 m，底宽6.7 m，跨中截面的顶、底板厚35 cm，腹板厚52 cm，采用支架现浇法施工。

高速铁路56 m 简支箱梁的支架现浇过程是桥梁施工的关键和核心过程，对桥梁施工质量、成桥状态及后期运营具有重要的影响，在施工过程中，实时监测能够保证桥梁的质量和安全。

2 支架系统预压监测

2.1 支架系统模型

针对56 m 箱梁现浇支架，基于杆系有限元理论和方法，采用Midas/Civil 软件建立了支架系统模型，其中支架部分采用梁单元模拟，支架与地基之间采用固结约束，钢管立柱与主墩附墙之间采用铰接约束；支架主要承受的荷载为支架系统自重、现浇混凝土梁体重量、施工临时荷载和风荷载，其中风荷载均匀分布在各钢管立柱的柱顶上，有限元模型如图1 所示。

完成建模和荷载分析之后，为保证支架系统的安全性，需对支架系统中各个部位结构参数进行计算并评价，其中包括桁梁、贝雷梁、分配梁、钢管立柱和支架系统钻孔桩。经计算分析，各结构均满足安全性要求。

图1 箱梁现浇支架模型

2.2 支架系统预压监测与监控

2.2.1 支架预压 支架预压是消除现浇梁支架系统因梁混凝土荷载产生的变形，获得支架系统模板的荷载-挠度变化曲线关系、地基承载力及消除地基弹性变形的施工方法。其测量结果与理论计算结果相比较的分析结果是支架系统预拱度设计的依据。

2.2.2 预压过程及监测 56 m 现浇箱梁支架预压的流程为：支架检验与验收→测量高程→砂袋摆放→加60%荷载→沉降量及支架变形观测→加80%荷载→沉降量及支架变形观测→加120%荷载→沉降量及支架变形观测→卸载→设计预拱度。预压范围为桥面板投影范围；支架预压荷载按桥面板自重的110%设置，单跨预压总重为2 350 t，采用砂袋及整件钢筋码放的方式进行预压。

经过支架预压加载、卸载观测及相应的计算得出，支架总变形量为3.4 cm，弹性变形量为2.4 cm，非弹性变形量为1.0 cm。根据所测数据对底模板作相应的调整，使其满足施工要求。预压结果显示，56 m 现浇简支梁支架搭设间距、地基处理、支架上方横梁、贝雷梁布设和底模安装均满足受力要求。

2.3 支架系统施工监测

2.3.1 监测内容 在主梁施工过程中，对支架进行应力监测，可实时掌握施工过程中支架系统的受力情况，形成较好的预警机制，从而能够更安全、可靠地实施控制。根据横向分配梁的受力特点，在分配梁跨中断面布置应变传感元件，实时监测施工阶段横向分配梁的应力分布。本项目中采用了ZX-212CT智能弦式数码应变计，该数码应变计是一种表面应变计，适用于各种钢结构的应变测量，应变计安装采用焊接方式，将应变计直接焊接在梁底。

2.3.2 测点布置 为了监测支架系统在施工过程中的受力情况，对横向分配梁进行实时应力监控，测点布置在桥跨中间的两个横向分配梁上，布置方式如图2 所示。

2.3.3 监测分析 采用Midas/Civil 建立支架系统的梁单元数值模型（图3），监测横向分配梁在施工阶段的应力[10]，测点测试结果如图4 所示。

图2 支架系统横向分配梁测点布置图

图3 支架系统有限元模型图

图4 测点测试结果

由图4 可知，在整体梁体浇筑过程中，支架分配梁的应力实测值与理论计算结果线形吻合良好，分配梁应力整体在弹性范围内（比理论值大），这表明分配梁受力状态良好，证明在本项目中采用的支架系统安全可靠，能够保障高速铁路56 m 简支箱梁支架现浇的有效实施。

3 主梁施工过程监测

3.1 应力监测

在56 m 梁施工过程中，依据理论计算确定控制截面，在控制截面设计应力监测点并埋设应力传感器，根据应力监测值可以准确地判断全桥的内力状态。通过应力监测可以形成很好的预警作用，为桥梁安全施工提供保障。

3.1.1 应力测试仪器 由于56 m 简支梁桥的施工工期长，监测数据采集系统需要有良好的稳定性，该桥监控采用CDJM 综合测试仪，可实现与计算机直接连接，记录数据以Excel 格式输出，方便监测结果处理与分析。

3.1.2 主梁应力测点 根据施工进度和结构的重要受力过程节段进行测量。针对本工程56 m 简支梁，为了对比多孔梁施工的应力状态，分别在第9 孔和11 孔跨中位置布置应力测点，每孔跨中应力测点布置如图5 所示。

图5 应力测点布置图

3.1.3 主梁应力分析 对于箱梁结构，在竖向弯曲受力时存在剪力滞效应，剪力滞效应使得翼板的纵向正应力沿横向分布不均匀，而普通梁单元分析无法获得真实的截面应力分布[11—12]。为了进一步研究高速铁路56 m 箱梁的横截面上的纵向应力分布，采用ANSYS 软件建立全梁体三维实体有限元分析模型，研究箱梁受剪力滞效应影响的应力分布，有限元分析模型如图6 所示。

图6 三维块体有限元模型图

在三维实体模型中，考虑了现场施工的梁体自重和预应力作用等影响，获得较精细化的测点应力，并与现场实测结果进行对比。第9 孔梁体支架拆除后成桥阶段的截面纵向应力对比分析结果如图7 所示。

从第9 孔梁跨中顶、底板应力分布图可以看出，箱梁截面存在明显的剪力滞效应，现场实测应力与三维实体有限元应力分析结果吻合良好，但是传统梁单元理论解（相当于平均值）并不能反映剪力滞效应引起的截面顶和底板纵向应力差异。实测数据表明，截面应力实测值小于设计值，说明结构施工受力状态优于设计，支架现浇方案达到了设计目标。

图7 第9 孔截面纵向应力

3.2 线形监测

线形测量控制点如果设置适当，不仅可以监测主梁的标高变化，还可以监测主梁的扭曲程度和主梁轴线水平偏位。每梁段完成预应力张拉工作后，对成梁段进行标高通测。

3.2.1 主梁线形测点布置 为了研究主梁混凝土浇筑后变形随时间的变化规律，在跨中及L/4 的梁顶埋设变形观测点，测点采用Φ20 钢筋伸至入腹板内50～100 mm，焊接在腹板内竖向钢筋上并伸出梁顶表面30 mm 左右，浇筑完挡渣墙后引至挡渣墙顶并标识清楚。测点布置如图8 所示。

图8 高程测点布置

3.2.2 主梁标高测量 为进一步对梁体线形实测值与理论值进行比较，取1/4 跨测点和1/2 跨测点预拱度随时间变化曲线，并与Midas/Civil 理论值对比，结果如图9 所示。

图9 预拱度随时间的变化

由图9 预拱度随时间变化的曲线可知，梁体预拱度随预应力张拉和挡渣墙浇筑等施工过程不断变化，实测数据与理论计算结果线形基本吻合，通过对数据的比较发现，两者之间最大差值为0.3 MPa，符合施工要求。这表明高速铁路56 m 简支箱梁具有较大的刚度。

4 结论

高速铁路56 m 简支箱梁的支架现浇过程是桥梁施工的关键和核心过程，对桥梁施工质量、成桥状态和后期运营具有重要影响。根据现浇支架系统的预压和施工过程监测表明：

（1）高速铁路56 m 简支箱支架系统具有良好的强度、刚度和稳定性，通过预压措施可有效保证桥梁预拱度。

（2）支架在桥梁施工过程中的安全稳定保证了桥梁施工的安全性和有序性。

（3）主梁施工过程应力和线形监控表明，高速铁路56 m 简支箱梁施工过程中受力状态平稳，桥梁施工方案科学合理、施工控制高效，施工质量得到了有效保障。