钢混组合结构简支梁桥施工监控策略研究
冯旭峰 薛雄
【摘要】钢混组合结构桥梁其成桥状态与施工过程密切相关，该桥型受力复杂，很有必要对其施工过程进行监控，本文对钢混组合结构桥梁的施工监控内容及监控的具体实施步骤进行了详细的分析，对该类型桥梁的施工监控具有很强的参考价值。
【关键词】钢混组合结构简支梁桥；施工监控；监控策略
1.引言
组合结构通常指由钢材和混凝土共同形成的结构体系，组合结构桥梁具有整体受力的经济性，发挥两种材料各自优势的合理性以及便于施工等突出优点，在我国桥梁建设中将发挥越来越重要的作用。然而组合梁桥受力机理复杂、在我国还无专门的设计规范，且组合桥梁的成桥状态与施工过程密切相关，因此有必要根据实际的施工组织设计，对桥梁施工过程进行监测与控制，确保设计成桥的实现。
2.钢混组合结构简支梁桥监控内容
2.1成桥状态检算。
根据设计图纸，采用杆系有限元方法，对桥梁的整体受力、稳定性等进行计算，对桥梁正常使用状态性能进行评估，以明确设计思想及在后续的监控中贯彻设计意图。
2.2施工过程模拟。
根据施工单位提供的安装工序和流程，分别用正装和倒拆的方法，对桥梁结构在施工过程中各工况下的应力、变形等进行分析；并在考虑风荷载的条件下，对正处于安装状态的桥梁结构稳定性进行评估。
2.3安装参数确定。
根据施工过程正装和倒拆的分析结果，确定本桥梁的安装参数：构件无应力长度和安装预拱度。其中无应力长度，用于各构件的工厂下料；安装预拱度，用于控制现场各梁段的安装定位。
2.4施工过程监测与预警
根据理论分析结果，确定结构受力最为不利的区域，并在该区域布置应力、温度和变形监测的传感器，对整个施工过程的结构应力、温度及变形等进行监测，并根据监测结果，对结构的安全进行评估和预警。
3.钢混组合结构简支梁桥监控实施策略
3.1监控思路。
（1）钢混组合结构简支梁桥施工过程中应对其局部稳定和应力水平、空间受力特性及钢梁的变形等进行综合考虑。其中局部稳定、应力及空间受力状态是控制的关键点。为此，宜采取以下控制思想：在局部稳定性和应力状况满足安全要求的前提下，对变形、应力（变）进行双控，从宏观上控制结构的变形，从微观上控制结构的应力。施工控制中需建立准确的结构计算分析模型；考虑外界的环境因素（如湿度等）对实测应力的影响。通过上述措施使所测得的应力能正确反映结构的实际应力情况，从而为后续施工提供可靠的依据。
（2）在上述控制原则的前提下，可用自适应控制方法对该桥进行施工控制，这种方法是在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别过程，即为施工→量测→参数识别→分析→修正→预告→施工的循环过程。
3.2分析计算。
施工监控计算可采用专用土木工程结构分析系统及国际通用大型有限元分析软件系统进行施工过程及成桥状态的模拟分析。具体分析计算内容主要包括以下几点：
3.2.1基于杆系有限元理论，考虑组合结构施工过程，如：先钢结构后混凝土结构的施工过程，进行结构的分析计算。计算内容包括如下几个方面：
（1）施工过程结构应力验算。
（2）成桥正常使用状态下结构应力及变形验算。
（3）成桥极限承载状态下结构强度验算。
（4）施工过程桥梁变形分析，以确定设计预拱度。
3.2.2其计算分析的基本思路如下：
（1）认真阅读设计施工图和施工组织设计，掌握桥梁的具体设计状况，了解桥梁的整个施工过程。
（2）确定计算中各设计参数的取值，确定荷载和荷载组合情况。
（3）建立桥梁杆系结构模型模拟施工阶段，并进行初步分析。
（4）分析计算结果，与设计计算结果进行比较，认真检查、校准计算模型。
（5）进行结构最终分析，形成分析报告。
（6）采用另一套分析软件，对桥梁结构分析进行实质性复核，确保桥梁结构分析的准确性。
3.3安装参数分析。
对于钢混组合结构桥梁，其成桥状态是由钢结构的安装状态决定的，因此对于钢结构部分必须设置的合理安装参数：工厂下料参数、预拱度。在此，通过状态传递法确定钢结构从工厂下料到现场安装等各工况下的标高情况。具体步骤如下：
3.3.1根据施工过程模拟结果，确定结构在恒载及活载下的结构变形。
3.3.2按1.0恒载＋1/2活载工况，对桥梁结构进行预拱度设置，同时考虑到桥梁跨径较小，桥梁结构受力行为可认为是线弹性的，由此可确定其无应力状态线形为成桥线形＋预拱度。
3.3.3按照无应力状态线形，根据施工分段情况，以折线代替曲线，确定各梁段的上下缘钢板的下料长度。
3.3.4在无应力线形的基础上分别加上钢结构自重、混凝土自重、桥面二期恒载等引起的变形，可得到相应工况下的结构状态，以此作为各阶段结构线形状态控制的依据。
3.4钢混组合结构桥梁状态监测的内容及方法。
钢混组合结构桥梁施工监控内容主要包括结构应力监控：用以反映结构受力状态；结构线形监控，主要反映施工质量同时兼顾结构受力监控；温度场及效应监测，反映温度对结构受力的影响。
3.4.1钢混组合结构桥梁应力监控可采用钢弦式应力计对结构进行应力测试，应力测试过程中需特别注意温度对测试结果的影响。温度影响主要体现在两个方面：（1）对传感器而言的，温度变化会引起弦振频率改变，在进行频率应变换算时须考虑对温度进行修正。（2）对结构的影响，由于材料的热胀冷缩效应，温度变化为引起结构自由伸长和缩短，当这种自由变化受限制时，便会产生应力，在应力计算时须将温变引起的自由应变予以扣除。因此，为修正温度影响每个弦式应力计都必须配置一个温度传感器。温度测量相对比较简单，采用热敏电阻型温度传感器置于被测位置，根据电阻值与温度变化的相应关系，可实现对温度的监测。
3.4.2对于标高监测，采用几何水准法进行测量，通过标高变化情况，来评估桥梁结构的变形；对于桥梁中线，采用全站仪进行监测。
对于钢混组合结构简支梁桥应力测点应选择在跨中截面，另外对钢混结合界面也应布置适当的传感器进行监测。对于线形监测应在桥梁纵横向均布设一定密度的测点，考虑施工过程测量的方便，可将工厂加工阶段各测点布置于梁底，成桥后相应测点移至梁顶面。对于温度测点可选在跨中附近截面或支座附近截面埋设温度传感器进行温度监测。
3.5施工误差处理。
桥梁结构的实际施工状态与理想施工状态总是存在着一定的误差，即理论预测存在误差。桥梁施工控制的主要目的是使施工实际状态最大限度地与理想设计状态相吻合。要实现实际与预测相吻合，就必须全面了解可能使施工状态偏离理论设计状态的所有因素，以便对施工过程进行有效控制。
3.5.1引起理论预测误差的原因是多方面的，归纳起来主要有以下几个方面：结构参数误差、施工误差、施工监测误差、结构分析模型误差及温度变化不一致等。结构参数是施工控制中进行结构施工模拟分析的基本资料，它主要包括构件截面尺寸、材料弹性模量、容重、热膨胀系数、施工荷载、索力等，其正确性直接影响分析的结果。实际研究表明，模型误差及设计参数误差是引起大跨度桥梁施工控制的误差主要因素之一。
3.5.2对施工过程中的预测误差将采取如下处理方案：
（1）采用准确模型进行施工过程的模拟仿真分析，以尽量较小模型误差。
（2）比较实测值与理论预测值，若两种误差在允许范围内，则按原预测值继续下一节段的施工，否则进行第（3）步工作。
（3）进一步分析误差的原因，特别对实际的设计参数进行识别，采用较为准确的设计参数进行结构分析，据此确定下一阶段的施工参数，对今后的施工状态进行预测。
4.结语
钢混组合结构桥梁具有巨大的市场推广潜力，钢混组合结构桥梁其成桥状态与施工过程密切相关，鉴于目前我国还没有相关设计及施工规范，其施工监控显得尤为重要。本文详细分析了钢混组合结构桥梁的施工监控策略，对该类桥型的施工监控具有重要参考意义。
参考文献
［1］邵长宇.《组合结构桥梁的国际发展与国内展望》.《桥梁》.2009年第3期/总第29期.
［2］向中富.桥梁施工控制技术［M］.北京：人民交通出版社，2001.
［3］郝超.大跨度钢斜拉桥施工误差调整方法研究［J］，浙江大学学报，2003，37（3）.
【摘要】钢混组合结构桥梁其成桥状态与施工过程密切相关，该桥型受力复杂，很有必要对其施工过程进行监控，本文对钢混组合结构桥梁的施工监控内容及监控的具体实施步骤进行了详细的分析，对该类型桥梁的施工监控具有很强的参考价值。
【关键词】钢混组合结构简支梁桥；施工监控；监控策略
1.引言
组合结构通常指由钢材和混凝土共同形成的结构体系，组合结构桥梁具有整体受力的经济性，发挥两种材料各自优势的合理性以及便于施工等突出优点，在我国桥梁建设中将发挥越来越重要的作用。然而组合梁桥受力机理复杂、在我国还无专门的设计规范，且组合桥梁的成桥状态与施工过程密切相关，因此有必要根据实际的施工组织设计，对桥梁施工过程进行监测与控制，确保设计成桥的实现。
2.钢混组合结构简支梁桥监控内容
2.1成桥状态检算。
根据设计图纸，采用杆系有限元方法，对桥梁的整体受力、稳定性等进行计算，对桥梁正常使用状态性能进行评估，以明确设计思想及在后续的监控中贯彻设计意图。
2.2施工过程模拟。
根据施工单位提供的安装工序和流程，分别用正装和倒拆的方法，对桥梁结构在施工过程中各工况下的应力、变形等进行分析；并在考虑风荷载的条件下，对正处于安装状态的桥梁结构稳定性进行评估。
2.3安装参数确定。
根据施工过程正装和倒拆的分析结果，确定本桥梁的安装参数：构件无应力长度和安装预拱度。其中无应力长度，用于各构件的工厂下料；安装预拱度，用于控制现场各梁段的安装定位。
2.4施工过程监测与预警
根据理论分析结果，确定结构受力最为不利的区域，并在该区域布置应力、温度和变形监测的传感器，对整个施工过程的结构应力、温度及变形等进行监测，并根据监测结果，对结构的安全进行评估和预警。
3.钢混组合结构简支梁桥监控实施策略
3.1监控思路。
（1）钢混组合结构简支梁桥施工过程中应对其局部稳定和应力水平、空间受力特性及钢梁的变形等进行综合考虑。其中局部稳定、应力及空间受力状态是控制的关键点。为此，宜采取以下控制思想：在局部稳定性和应力状况满足安全要求的前提下，对变形、应力（变）进行双控，从宏观上控制结构的变形，从微观上控制结构的应力。施工控制中需建立准确的结构计算分析模型；考虑外界的环境因素（如湿度等）对实测应力的影响。通过上述措施使所测得的应力能正确反映结构的实际应力情况，从而为后续施工提供可靠的依据。
（2）在上述控制原则的前提下，可用自适应控制方法对该桥进行施工控制，这种方法是在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别过程，即为施工→量测→参数识别→分析→修正→预告→施工的循环过程。
3.2分析计算。
施工监控计算可采用专用土木工程结构分析系统及国际通用大型有限元分析软件系统进行施工过程及成桥状态的模拟分析。具体分析计算内容主要包括以下几点：
3.2.1基于杆系有限元理论，考虑组合结构施工过程，如：先钢结构后混凝土结构的施工过程，进行结构的分析计算。计算内容包括如下几个方面：
（1）施工过程结构应力验算。
（2）成桥正常使用状态下结构应力及变形验算。
（3）成桥极限承载状态下结构强度验算。
（4）施工过程桥梁变形分析，以确定设计预拱度。
3.2.2其计算分析的基本思路如下：
（1）认真阅读设计施工图和施工组织设计，掌握桥梁的具体设计状况，了解桥梁的整个施工过程。
（2）确定计算中各设计参数的取值，确定荷载和荷载组合情况。
（3）建立桥梁杆系结构模型模拟施工阶段，并进行初步分析。
（4）分析计算结果，与设计计算结果进行比较，认真检查、校准计算模型。
（5）进行结构最终分析，形成分析报告。
（6）采用另一套分析软件，对桥梁结构分析进行实质性复核，确保桥梁结构分析的准确性。
3.3安装参数分析。
对于钢混组合结构桥梁，其成桥状态是由钢结构的安装状态决定的，因此对于钢结构部分必须设置的合理安装参数：工厂下料参数、预拱度。在此，通过状态传递法确定钢结构从工厂下料到现场安装等各工况下的标高情况。具体步骤如下：
3.3.1根据施工过程模拟结果，确定结构在恒载及活载下的结构变形。
3.3.2按1.0恒载＋1/2活载工况，对桥梁结构进行预拱度设置，同时考虑到桥梁跨径较小，桥梁结构受力行为可认为是线弹性的，由此可确定其无应力状态线形为成桥线形＋预拱度。
3.3.3按照无应力状态线形，根据施工分段情况，以折线代替曲线，确定各梁段的上下缘钢板的下料长度。
3.3.4在无应力线形的基础上分别加上钢结构自重、混凝土自重、桥面二期恒载等引起的变形，可得到相应工况下的结构状态，以此作为各阶段结构线形状态控制的依据。
3.4钢混组合结构桥梁状态监测的内容及方法。
钢混组合结构桥梁施工监控内容主要包括结构应力监控：用以反映结构受力状态；结构线形监控，主要反映施工质量同时兼顾结构受力监控；温度场及效应监测，反映温度对结构受力的影响。
3.4.1钢混组合结构桥梁应力监控可采用钢弦式应力计对结构进行应力测试，应力测试过程中需特别注意温度对测试结果的影响。温度影响主要体现在两个方面：（1）对传感器而言的，温度变化会引起弦振频率改变，在进行频率应变换算时须考虑对温度进行修正。（2）对结构的影响，由于材料的热胀冷缩效应，温度变化为引起结构自由伸长和缩短，当这种自由变化受限制时，便会产生应力，在应力计算时须将温变引起的自由应变予以扣除。因此，为修正温度影响每个弦式应力计都必须配置一个温度传感器。温度测量相对比较简单，采用热敏电阻型温度传感器置于被测位置，根据电阻值与温度变化的相应关系，可实现对温度的监测。
3.4.2对于标高监测，采用几何水准法进行测量，通过标高变化情况，来评估桥梁结构的变形；对于桥梁中线，采用全站仪进行监测。
对于钢混组合结构简支梁桥应力测点应选择在跨中截面，另外对钢混结合界面也应布置适当的传感器进行监测。对于线形监测应在桥梁纵横向均布设一定密度的测点，考虑施工过程测量的方便，可将工厂加工阶段各测点布置于梁底，成桥后相应测点移至梁顶面。对于温度测点可选在跨中附近截面或支座附近截面埋设温度传感器进行温度监测。
3.5施工误差处理。
桥梁结构的实际施工状态与理想施工状态总是存在着一定的误差，即理论预测存在误差。桥梁施工控制的主要目的是使施工实际状态最大限度地与理想设计状态相吻合。要实现实际与预测相吻合，就必须全面了解可能使施工状态偏离理论设计状态的所有因素，以便对施工过程进行有效控制。
3.5.1引起理论预测误差的原因是多方面的，归纳起来主要有以下几个方面：结构参数误差、施工误差、施工监测误差、结构分析模型误差及温度变化不一致等。结构参数是施工控制中进行结构施工模拟分析的基本资料，它主要包括构件截面尺寸、材料弹性模量、容重、热膨胀系数、施工荷载、索力等，其正确性直接影响分析的结果。实际研究表明，模型误差及设计参数误差是引起大跨度桥梁施工控制的误差主要因素之一。
3.5.2对施工过程中的预测误差将采取如下处理方案：
（1）采用准确模型进行施工过程的模拟仿真分析，以尽量较小模型误差。
（2）比较实测值与理论预测值，若两种误差在允许范围内，则按原预测值继续下一节段的施工，否则进行第（3）步工作。
（3）进一步分析误差的原因，特别对实际的设计参数进行识别，采用较为准确的设计参数进行结构分析，据此确定下一阶段的施工参数，对今后的施工状态进行预测。
4.结语
钢混组合结构桥梁具有巨大的市场推广潜力，钢混组合结构桥梁其成桥状态与施工过程密切相关，鉴于目前我国还没有相关设计及施工规范，其施工监控显得尤为重要。本文详细分析了钢混组合结构桥梁的施工监控策略，对该类桥型的施工监控具有重要参考意义。
参考文献
［1］邵长宇.《组合结构桥梁的国际发展与国内展望》.《桥梁》.2009年第3期/总第29期.
［2］向中富.桥梁施工控制技术［M］.北京：人民交通出版社，2001.
［3］郝超.大跨度钢斜拉桥施工误差调整方法研究［J］，浙江大学学报，2003，37（3）.
