某双桥面钢桁架拱梁组合体系施工监控研究

谢曙辉

(华设检测科技有限公司，江苏 南京 210014)

钢结构桥梁具有结构自重轻、承载能力强、装配程度高、施工周期短等优点被广泛应用于桥梁建设中。连续拱梁组合体系桥梁，相比一般梁桥和拱桥，具有整体受力更合理、跨越能力大、外观曲线优美的特点[1]。

桥梁施工监控先进理论及技术是桥梁工程尤其是大型、特殊结构桥梁良好成桥状态的保证。复杂桥梁的成桥线形与内力跟施工方法、工序密切相关。桥梁施工监控一方面是对设计计算进行复核，对成桥关键指标引入施工影响因素进行分析修正；一方面是根据施工工序的开展，通过结构监测对已有关键指标偏差进行分析，对下一步的施工结果进行前瞻控制。

本文通过建立桥梁施工监控体系，监测施工全过程中桥梁结构应力、变位及索力参数，分析监测数据、反馈指导施工，相关成果可为连续钢桁架拱桥施工监控提供参考。

1 工程概况

本桥为双层三跨连续钢桁架系杆拱桥，南北走向，跨径布置为(59+150+59)m。上层桥面为双向八车道的城市快速路，总宽42 m，下层为双向六车道+两条非机动车道的城市主干道，总宽43 m。主拱圈是由上下两片拱肋组成的、三角桁式桁架拱体系。上拱轴线为样条曲线，跨度218 m，下拱弦轴线为二次抛物线，跨度150 m，矢高34 m，矢跨比1/4.41，全桥共设13对柔性吊杆，柔性索规格为Φ7-127双层双防护高密度聚乙烯护套的镀锌高强度平行钢丝索。主桁梁由横桥向两片主桁组成，采用三角桁式，主桁间距36.5 m，主桁中心线高差8 m，标准段弦杆与斜腹板的夹角为60°左右。桥面系由带U肋的正交异性板、横梁、人行道挑臂、检修道挑臂组成。

本桥采用厂内预制加工构件，现场机械吊装与支架拼装结合的总体施工方案(见图1～图4)。

2 施工监控体系

桥梁建设伴随着结构体量规模化、结构体系复杂化、施工质量精细化，施工监测控制理论技术迅猛发展。桥梁施工监控理论从传统的工程控制理论、模糊数学、灰色理论，逐步形成以自适应控制理论等为代表的较为完善的理论技术[2]。自适应控制理论[3]作为过程控制理论一分支，其一般原理是通过采集工程基础信息，将相关数据与期望目标进行对比、辨识、判别，根据结果作出控制决策，并实时对工程进行过程修正，循此往复，从而使得工程质量达到既定目标。

本桥施工监控以自适应控制理论为基础，借助Midas Civil有限元软件，依据桥梁结构实际施工状态分析结构响应，识别施工与设计的差异，并根据实时采集的监测数据，对施工状态进行判断，从而形成监控指令指导施工。本桥施工监控技术路线见图5，本桥有限元仿真模型见图6。

3 施工监控内容

3.1 结构应力监测

为保证施工过程中桥梁的安全，监测结构特征断面拱圈弦杆及腹杆、桁梁弦杆及腹杆、横梁等构件的应力状况。为确保整个施工过程应力测试元件的稳定性，本桥结构应力采用振弦式应变计进行测试。

根据节段拼装形式与理论计算结果，确定如图7所示的结构应力控制截面。其中截面1-1、截面9-9为拱圈上弦杆拱脚截面，截面2-2、截面8-8为墩顶拱圈上弦杆截面，截面3-3、截面7-7为拱圈下弦杆拱脚截面，截面4-4～截面6-6为中跨拱圈四分点截面，截面10-10、截面16-16为边跨桁梁跨中截面，截面11-11～截面15-15为中跨桁梁四分点截面。另外选取3号墩、4号墩墩顶横梁，4号孔、5号孔跨中横梁进行应力监测。

3.2 结构变位监测

桥梁结构变位监测主要包括临时结构变位监测、拱圈变位与线形监测、桁梁变位与线形监测、桥面系线形监测、主墩沉降监测等。施工过程中，通过全站仪及电子水准仪对桥梁结构变位与线形进行监测，结构变位监测截面的布置依据应力监测适当调整。

桥梁合龙前，拱圈及桁梁变位监测主要结合拼接节段进行，桥梁合龙后，结构变位监测通过桥梁特征节点进行。通过在桥面布置位移测点，监测桥面横坡及成桥线形。

成桥线形影响结构安全及行车舒适性，是桥梁施工监控的关键指标。特别是预制钢结构，一旦构件加工完成，后期调节空间很小，预拼线形是否合理直接影响成桥线形是否理想。

3.3 吊杆索力监测

对于系杆拱桥，吊杆索力的大小直接影响桥梁整体结构的内力及线形状态，施工监控的重点是以设计吊杆索力为目标，根据施工步骤多次、分批张拉，不断调整吊杆力来实现合理成桥吊杆索力。常见的索力测量的方法有油压表法、压力传感器法、磁通量法、振动测量法等[4-5]。

本桥吊杆索力的监测主要结合油压表法和振动测量法。吊杆施工时以张拉端的千斤顶油压表数值进行控制，利用索力动测仪测试吊杆自振频率，根据吊杆参数，计算已有吊杆索力进行复核。

4 施工监控成果

4.1 结构应力分析

拱圈和桁梁典型控制截面应力变化对比如图8,图9所示，初始应力为各杆件无应力状态应力。拱圈拱脚断面(截面1-1～截面3-3、截面7-7～截面9-9)累计应力与理论值偏差-2.5 MPa～5.4 MPa，中跨拱圈1/4L断面(截面4-4)、3/4L断面(截面6-6)累计应力与理论值偏差-2.5 MPa～5.8 MPa，中跨拱圈1/2L断面(截面5-5)累计应力与理论值偏差-3.9 MPa～4.8 MPa；边跨桁梁1/2L断面(截面10-10、截面16-16)累计应力与理论值偏差-4.3 MPa～2.3 MPa，墩顶桁梁断面(截面11-11、截面15-15)累计应力与理论值偏差-3.8MPa～6.7MPa，中跨桁梁1/4L断面(截面12-12)，3/4L断面(截面14-14)累计应力与理论值偏差-6.3 MPa～3.5 MPa，中跨桁梁1/2L断面(13-13)累计应力与理论值偏差-6.3 MPa～3.3 MPa；3号墩、4号墩墩顶横梁断面累计应力与理论值偏差-2.5 MPa～2.9 MPa，4号孔、5号孔跨中横梁断面累计应力与理论值偏差-2.1 MPa～2.4 MPa。应力趋势与理论值较为吻合，施工过程中结构各控制截面受力安全，成桥后结构各控制截面应力状态良好并有一定应力储备。

4.2 结构变位分析

施工过程中，桥梁构件预拼阶段，桁梁预拼高程偏差-3 mm～2 mm，拱圈预拼高程偏差-3 mm～3 mm，桥面系预拼横坡偏差0.06%～0.23%；桥梁构件架设阶段，桁梁架设高程偏差-15 mm～17 mm，桁梁合龙高差3 mm～5 mm，拱圈架设高程偏差-14 mm～16 mm，桥面系架设横坡偏差0.00%～0.14%，控制指标满足规范[6]及设计要求。

施工结束后，选取桁梁纵向节点位置测量桥面线形，实测桥面线形与设计线形偏差-9 mm～9 mm，成桥线形满足规范及设计要求(见图10)。

4.3 吊杆索力分析

通过两次、分批张拉行程，见表1，将吊杆索力张拉至设计要求范围(端吊杆由于索长较小，基于频率法，未作索力评价)。成桥后基于振动测量法，计算吊杆索力与设计值偏差-9.27%～6.62%，成桥索力满足规范及设计要求(见图11，表2)。

表1 吊杆张拉次序

表2 成桥阶段吊杆索力结果

5 结语

以某双层三跨连续钢桁架系杆拱桥施工监控为背景，通过施工监控体系，在施工过程中对桥梁结构特征截面应力、变位及索力进行过程监测，分析监测数据与理论值差异，实时响应并作出决策调控，最终得到理想成桥状态。

1)主要施工阶段桥梁控制断面实测应力与理论应力偏差-6.3 MPa～6.7 MPa，应力趋势与理论值较为吻合，施工过程中结构各控制截面受力安全。

2)桥梁构件预拼及架设阶段，主要控制指标满足规范及设计要求，成桥后实测桥面线形与设计线形偏差-9 mm～9 mm，满足规范及设计要求。

3)成桥后基于振动测量法，除两端短吊杆外，其余吊杆计算索力与设计索力偏差-9.27%～6.62%，满足规范及设计要求。