南水北调跨渠生产桥施工过程监控技术探讨

【摘 要】为保证桥梁施工质量，防止事故发生，监控技术在桥梁建造施工过程中越来越受到重视。文章对南水北调工程跨渠生产桥梁施工过程中采用的监控技术进行分析与阐述。

【关键词】桥梁施工; 施工监控; 测量

【中图分类号】U446.3【文献标志码】A

1 工程概况

本跨渠生产桥位于南水北调干渠两岸两村之间，是为满足居民生产和生活的需要，连接附近村庄到总干渠对岸的主要交通通道。根据总干渠的开挖断面，干渠管理道路与生产桥立交。根据桥梁布置原则的要求，结合干渠管理道路的位置，桥跨布置为4×20 m+90 m+4×20 m。其中主桥90 m跨度的系杆拱桥为施工监控的对象。

2 施工监控的目标、内容和工作重点

2.1 施工监控的目标

施工监控的目标就是在施工过程中控制结构的受力状态和变形始终处于安全的范围内，成桥后结构的线形与内力达到设计要求，结构本身又处于最优的受力状态。

2.2 施工监控的内容

监控工作的主要内容包括监控计算、施工监测。

监控计算一般取用设计部门确定的设计成桥状态作为监控计算的初始状态，在此基础上确定计算控制参数，建立计算模型。检查验算桥梁结构成桥和施工各阶段主要受力部位如拱肋、系梁等的应力及位移是否满足规范要求。然后结合具体的施工工况和测量数据进行结构内力、位移、应力分析计算，得出预测值。

施工监测包括对主拱肋和系梁的应力、线形测量;吊杆索力测量;系杆分阶段张拉时的拱脚位移、转动测量，和主拱肋及系梁的变形和应力测量;温度场的监测;桥面线形测量。

3 监控工作内容及重点

3.1 施工控制计算

3.1.1 结构计算

结构计算就是利用建立的结构计算体系对施工过程中每一阶段结构的应力、内力和位移状态以及施工监控参数进行计算，在结构计算中考虑施工误差、材料属性差异等因素的影响，根据计算结果为各节段施工提供施工监控目标值，保证节段施工的顺利进行，从而保证结构最终达到或接近设计要求的成桥状态。

本桥监控计算准备采用多套软件进行。本桥的监控计算采用两种分析方法。首先通过对设计成桥状态倒拆，以获取各施工节段结构的内力、线形等，即所谓“倒拆计算法”;然后利用“倒拆法”获得的各施工阶段内力、线形按照架设顺序及相应工况进行正装计算，整个计算步骤按主桥施工架设过程进行，直至合拢，即所谓“正装计算法”。正装计算需进行多次迭代，逐步逼近，最终达到理想的符合设计要求的成桥内力及线形。

首先根据该桥架设过程，进行施工架设直至最终成桥全过程的计算，并计算该桥在各种荷载作用下桥梁各构件的内力、变形，与设计院进行相互校核。然后，在实际施工过程中结合实际监测数据进行参数识别，调整计算模型进行进一步计算分析。计算的主要内容有：①各阶段系梁的内力和变形;②各阶段拱肋的内力和变形;

③吊杆初拉力及各阶段吊杆拉力;

④架设及施工过程中系梁、拱肋的预拱度设计和架设标高;

⑤成桥阶段桥面的标高。

3.1.2 施工控制方法

施工控制就是对桥梁施工过程实施控制，确保在施工过程中桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，确保成桥状态（包括成桥线形和成桥结构内力）符合设计要求。根据本桥的结构形式、施工特点及具体控制内容，可以采用桥梁施工预测控制法。

预测控制法是指在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标后，对结构的每一个施工阶段（节段）形成前后的状态进行预测，使施工沿着预定状态进行。由于预测状态与实际状态间免不了有误差存在，某种误差对施工目标的影响则在后续施工状态的预测予以考虑，以此循环，直到施工完成和获得与设计相符合的结构状态。在实际施工中，在每一个阶段完成后，可以对桥梁的实际信息进行测试，测试的结果又可以反馈给预测控制。通过反馈得到的实测值与预测值进行对比，在排除仪器误差、测试原理等非结构因素引起的误差以外，就可以判断实际施工的误差状态，然后重新调整计算，力争在下个阶段中减小或消除误差。实际的施工控制就是重复预测-反馈-调整后预测过程中，最终保证桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内。

3.1.3 参数的估计、预测和调整

施工控制是全过程的控制，也就是每个施工阶段都要控制，这样才能避免误差的累积和确保施工安全。

在桥梁施工过程各阶段及体系各部分相互关联，不论是在施工阶段之间还是结构内部都相互影响。由于存在各种各样的误差以及环境方面的影响，使得施工过程中实际结构与理论状态总会存在一定偏差，因此，需要根据理论计算数据和实测成果，采用控制理论分析方法来调节偏差，使整个施工过程结构状态始终在受控状态及结构处于控制范围内，并尽量接近设计和计算理论值。

（1）参数估计。首先，根据影响性分析确定需进行参数估计的计算量（如预应力参数、砼弹模、主梁重量等）;然后根據大量的实测数据，采用最小二乘法确定最优估计值;最后，将最优估计值重新带入安装计算模型重新计算，得到一套进一步精确的理论数据。

（2）滤波和预测。通过参数估计，基本上消除了计算误差（系统误差），但实际施工中由于测量手段、施工工艺的限制，仍然会存在一定的偶然误差，这就需要进行滤波、预测和调整。

建立合适的状态方程，采用目前较成熟的卡尔曼滤波法进行滤波和预测，可以得到目前结构状态的滤波估计值，和下一步施工参数的预测估计值。根据合理的预测值可以及时采取措施，减小后续施工过程中结构偏差。

（3）优化调整。对于已存在的偏差，根据最小二乘法理论，采用适当手段（如预应力）进行最优调整，做到既能最大化减小结构偏差，又方便施工。

3.2 施工监测

3.2.1 应力测量

由于设计计算时采用的各项物理力学或时间参数和实际工程中的相应参数值不可能完全一致，导致结构的实际应力未必与设计计算预期的结果相一致。因此有必要在施工阶段对梁体控制截面进行施工应力监控测试，为设计、施工控制提供参考数据，以确保大桥安全、优质建成。

对于混凝土结构，应力测点采用长期性能稳定可靠、抗损伤性能好、设置定位容易及对施工干扰小的埋入式钢弦混凝土应变计。影响混凝土应力测试的因素很复杂，除荷载作用引起的弹性应力应变外，还与收缩、徐变、温度有关。目前国内外混凝土的应力测试一般通过应变测量换算应力值，即：

σ=E·ε1

式中：σ为荷载作用下混凝土的应力;E为混凝土弹性模量;ε1为荷载作用下混凝土的弹性应变。

实际测出的混凝土应变则是包含温度、收缩、徐变变形影响的总应变ε。即：

ε=ε1+ε3+ε2（1）

式中：ε1为弹性应变;ε2为无应力应变，包括温度应变和收缩应变;ε3为徐变应变。

为了补偿混凝土内部温度应变并消除温度、收缩影响，在布置应力测点时同时埋设无应力计，分别测得混凝土应变ε和无应力应变ε2，再通过相应的分析和计算分离出徐变应变ε3，按式（1）即可得到弹性应变ε1。

应力测试与施工同时进行，因而要求测试元件必须具备长期稳定性好、抗损伤性能好、设置定位容易及对施工干扰小等性能。本桥测试元件选用ZX-215A型钢弦式应变计并配合使用JMZX-300型综合测试仪进行测试。可直接测出混凝土的实际应变，再根据各自的弹性模量推算应力。其主要指标如下：量程：+1500 με;精度为±0.3 με;年漂移量小于±0.5 %，经温度补偿后温度漂移小于±1 %/10 ℃。

对于钢管拱肋，应力测点采用长期性能稳定可靠、抗损伤性能好、设置定位容易表面式钢弦应变计。本桥测试元件选用智能型ZX-205T型钢弦式应变计（温度型），并配合使用JMZX-300X型综合测试仪进行测试。元件采用焊接固定。同混凝土结构应力测量相同，为尽可能消除不均匀温度场引起的温度应力影响干扰测量值，测量时机选在凌晨至日出前进行，并同时测量各测点温度。为此，各测点钢弦应变计均采用温度型。在测量应力的同时也测量了温度场。

拟在拱肋上布置拱脚、1/4跨、拱顶5个应力测试截面，拱肋每个截面上钢管拱肋应力测点各4个，如图1所示。T形梁上布置两个截面，拱脚处和跨中两个截面，具体布置如图2所示。为补偿混凝土内部的无应力应变，在各测试断面设置专门的应力补偿块，布置一个无应力计。补偿块与测试部位龄期一致，环境相同或相近。应力测试的工况一般在每个施工阶段前后各测一次。

3.2.2 拱肋线形、拱脚坐标及桥面线形测量

线形调整主要是通过设置合理的预拱度来实现的。因此，线形控制的关键在于分析预拱度的组成以及确定各组成的取值。对于预拱度的组成，可根据规范要求及混凝土浇注托架的传力机理，一般能准确确定。而对于预拱度各组成的取值，由于计算模型、设计参数取值、施工量测等的误差不可避免，导致其合理取值非常困难。必须在前期施工过程中，通过有目的的大量测量，积累数据和经验，逐步取得预拱度各组成部分的合理取值。对于设计预拱度，按规范要求取（成桥累计位移+1/2活载挠度）的反值。

由于理论分析模型、计算参数取值等与实际情况存在一定差异，因此挂篮悬臂施工主梁实际产生的变形与理论计算值存在误差。所以理论计算变形只能作为预拱度取值的一个依据，预拱度的合理取值还须通过多个梁段施工的监测，不断积累数据和经验，才能正确取得。

拱桥的施工采用先梁后拱的施工方法，系梁采用满堂支架施工，拱肋钢管在系梁上搭设支架安装。随着施工过程各阶段荷载的增加和系杆预应力、吊杆的张拉，主拱肋的空间线形、拱脚坐标及桥面线形都会发生变化，为了使这种变化保持在可控制范围内同时为与设计值比较，需要系梁浇筑后、拱肋安装后、每次张拉系梁纵向预应力和吊杆张拉前后对拱肋线形、拱脚坐标及桥面线形进行测量。通过桥墩处标高基准点，采用精密水准仪测量系梁和桥面标高，并定期复核基准点标高。顺桥向在每根吊杆处布置标高测量断面，每個断面横桥向布置三个标高测点。

全站仪架设在岸上一点，后视基准控制点，再瞄准拱肋上相应测点的棱镜，测出拱上测点的三维坐标。每一测试工况下的变位为测试值与初始值的差值。初始值为拱肋相应测点架设完成时在气温恒定、无日照影响时自由状态下的测量值。通过全站仪用坐标法测量拱肋线形。拱肋安装完后将棱镜布置在拱脚、1/4跨径、1/2跨径处。测量时间将选在日出之前温度较恒定的时段内进行。

在系梁架设阶段，为保证系梁在浇注时保证线形，且有合适的预拱度，多次测量支架顶面的标高，如有偏差则调节支架高度，同时在系梁浇注前测量立模标高。

在拱肋分段拼接时，应保证段与段之间的拼接角度符合拱肋线形需要。在整个拱肋拼接与合龙阶段，对拱肋线形每2 d至少监测1次，在拱肋合龙前后应对合龙段长度、拱肋前端的空间坐标进行24 h的连续观察，观察时间间隔为0.5 h，进而确定是否能在规定合龙温度下正常合龙。如出现无法在规定温度下合龙，则应及时采取措施解决。

3.2.3 吊杆的内力测量

吊杆是支撑桥面的主要构件，索体采用PES（FO）低应力防腐索体，精确测量其拉力十分重要。拟采用频谱分析法和传递函数法测量本桥吊杆在各个施工阶段的拉力。

频谱分析法是通过测量索的自振频率，经过计算并修正来确定索的拉力大小。这种方法特别适合于索数量多、规格（长度）种类多，要求快速量测的结构体系。对于跨中部分长度较大的吊杆，EI/l2很小，可以看作两端铰接的柔性绳索，其张力与自振频率的对应关系为：

p=4mlf/k - k π EI/l

式中：l 为吊杆的自由振动计算长度;k为缆索自振频率的阶数;fk为缆索的第 k 阶自振频率。

频谱分析法通过实测吊杆的自振频率，可以计算出张力值。频谱分析法对于长细比较大的吊杆比较精确，对于靠近桥墩的短吊杆，由于长度较短，刚度影响大，且边界条件与理论模型不符，需要采用传递函数法进行测量。传递函数法是通过小型力锤对索进行激励，并用加速度传感器测量其响应，通过互谱分析获得索频率（此法对索无损伤），通过我院对多座拱桥的检测，证明此法效果非常好。

用高灵敏的压电加速度计测量吊杆的振动信号，振动信号经电荷放大器放大和滤波处理后，由动态信号采集和数据处理系统作分析处理。

吊杆内力的测量在以下阶段进行：

①吊杆初拉过程及完成;

②每次桥面板标高调节;

③铺设完二期恒载。

3.2.4 温度场测量

温差对桥梁结构有重要影响，主要体现在对拱肋、系杆和吊杆上，为精确计算结构内力，因此需要对拱肋、系梁和吊杆等的温度场进行测试。拱肋和系梁内部的温度场通过预埋的传感器进行测试，为了检测方便，选用温度型的钢弦应变计在测试应力的同时对温度场进行测试。对拱肋、系梁、吊杆、端横梁的表面温度和大气温度，采用点温计进行温度测试。

拱肋和主梁上的温度场的测点布置如图3、图4所示。

3.2.5 预应力孔道摩阻测试

本桥选择2根预应力束作预应力孔道摩阻试验。

根据相关公式计算预应力索与孔道壁的摩阻系数μ与孔道对设计位置的偏差系数k。

孔道摩阻试验方案如图5所示。钢束两端安装压力传感器测试张拉吨位，首先张拉至0.1倍的控制拉力，以此作为初始状态，然后分级张拉至控制拉力。一端主动，一端被动，主被动端荷载传感器的差值即为孔道摩阻损失，然后可用最小二乘法计算孔道的摩阻系数及孔道偏差系数。预应力张拉过程中，同时测试钢丝的伸长量，并与计算伸长量对比，用以指导施工。用于孔道摩阻试验的钢绞线下料长度应加长两个传感器的长度。

检算钢束伸长量、锚下应力、锚口损失值、锚具压缩量及钢束内缩值、孔道压浆密实度。

4 施工监控精度

根据公路桥涵施工规范相关规范，结合目前测试仪器的精度范围和结构的分析水平，参照国内其他一些大跨度钢管拱桥的施工控制情况，本桥施工监控精度指标见表1。

5 施工監控效果

经过对施工过程的监控，本桥在施工过程中控制结构的受力状态和变形始终处于安全的范围内，成桥后结构的线形与内力达到设计要求，确保了结构本身处于最优的受力状态，确保了结构的安全、主拱和桥面的合理线形。

6 结束语

做好桥梁工程施工监控工作需要从多方面入手，在进行科学的规划及方案设计基础上，应积极引进和吸收先进的监控方法和监控技术，此外，在具体实践中，要积极总结经验，不断研究新技术，新方法，以便推动我国在桥梁施工监控技术中的发展。

参考文献

[1]陶文景. 监测与监控技术在桥梁施工中的应用[J]. 交通世界，2016（z2）：174-175.

[2]杨晓强. 监测与监控技术在桥梁施工中的作用[J]. 建筑工程技术与设计，2016 （14）.

[定稿日期]2021-05-25

[作者简介]甘露（1980～），男，硕士，高级工程师，从事水利水电工程管理工作。