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预应力混凝土梁拱组合体系桥梁施工监控研究

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摘要：以深茂鐵路江茂段国道325特大桥施工监控为背景，重点介绍了预应力混凝土梁拱组合体系桥梁施工监控的技术研究，包括全桥施工仿真计算分析、主梁挠度及吊杆索力的监控控制方法。结合现场工作经验，给出了此类桥梁施工监控的思路和对策。

关键词：梁拱组合体系；施工监控；计算分析；监控控制

Abstract：Taking the construction monitoring of the 325 National Highway Grand Bridge on the Jiangmen-Maoming section part of Shenzhen-Maoming Railway as a background，it focuses on the technical study of bridge construction monitoring of prestressed concrete girder-arch system.This study includes the simulation analysis of the whole bridge construction，the deflection of main girder and monitoring control method of cable force.Combined with construction experience，the ideas and countermeasures on the construction monitoring of this kind of bridge were presented.

Key words：girder-arch combination system； construction monitoring； calculation analysis； monitoring control

绪论

根据以往的工程经验可知，每个工程都会存在施工单位制定的施工方案是否合理、现场用于施工中的材料是否合格、以及施工队伍对各个工序的实施是否到位等众多的不确定因素，而这些不确定因素如果不加以严格把控，就会对成桥后的线形、合理受力产生不利影响。本项目深茂铁路江茂段国道325特大桥，为预应力混凝土连续箱梁吊杆拱桥，属大跨度超静定结构，同时本工程也受到了社会各方的高度关注，为此必须把工程质量作为重中之重，在施工中应及时采集需要的数据，实时掌握桥梁结构的实际状态，[1]还要将采集的数据参数运用到理论计算模型中，然后利用读取的模型结果在施工过程中控制并调整主梁截面的立模标高和吊杆拉索索力，在主桥施工及吊杆张拉过程中必须进行严格的施工监控，[2]减少理论设计与现场施工中存在的差异，使全桥线形及索力等相关指标满足规范要求及设计意图，最终符合使用需求。

工程概况

深茂铁路江茂段国道325特大桥位于广东省阳江市合山镇境内，中心里程DK240+894.175，起讫桩号：DK239+559.800～DK242+228.550全长2668.75m。在DK241+391.4～DK241+657.1以1联（64.25+136+64.25）m连续梁拱跨越开阳高速公路那龙收费站A、B、C匝道，采用先梁后拱的施工方案进行建设实施。主梁为单箱双室变高度箱形截面，梁高由3.5m～7.0m渐变，共设14组双吊杆，拱肋采用钢管混凝土结构。现场正式吊装拱肋前，应对吊装设备系统进行负荷试验。吊装就位后，应立即进行校正，并应采取保证稳定性的措施。[3]

3 施工监控体系和施工监控过程

施工监控是服务于现场施工的，施工监控的工作内容应紧密结合现场施工的实际情况。该桥的施工监控内容从总体上说包括三个方面：监控建模计算、监控现场量测、监控实时控制。这三方面构成施工监控体系，相互之间提供参数，三者并不能完全分开。

施工监控过程与施工过程是密不可分、相互对应的，施工方应首先编制详细的施工组织计划，提交给施工监控方。在施工工序实施过程中，采用多种量测手段和评估方法，对于结构的重要性指标进行分析与判断。若实测数据和理论数据之间存在差异，需仔细分析其原因，进行误差识别并及时修正，尽量将产生偏离的原因消除，避免产生误差的逐渐累积，为下一个施工阶段提供准确的监控目标值，从而使工程施工质量保持持续稳定的提高。[4]所以，这种应用于施工现场以理论设计值作为基准，通过实时维持施工现场实测值与设计值的动态平衡过程即构成了施工监控的全过程。

4 施工监控工作内容

4. 仿真计算分析

为实现桥梁结构的变形和受力分析，采用midas/civil有限元软件进行施工跟踪、建模计算分析。[5]在软件中，建立梁单元来模拟主梁各节段及拱肋、横撑，建立桁架单元来模拟吊杆，[6]建立的全桥三维有限元模型见图1。

在模型中设置的施工阶段主要是根据施工图及施工组织设计文件确定的，详细划分见表1。

在理论建模时，主要依据设计文件、施工方案和相关设计规范中的规定进行参数的取值。计算参数是施工控制结构模拟计算中最基本的资料，包括主梁弹性模量、梁体自重、外荷载重量及位置、温度、梁长、混凝土收缩徐变影响等。施工中这些参数的变化是不可避免的，而因为参数的变化导致的施工误差会极大的影响工程质量。为了能最大限度的降低这种误差，我们只有及时准确的了解现场情况，并力求真实的去修正计算模型，尽可能保证完美模拟现实的施工现场，再按修正后的模型计算预拱度，[7]通过以上过程重新拟合立模标高，最终达到标高控制的目的。

根据桥梁施工图纸及相关施工指导性文件，对该桥进行理论建模模拟计算，通过模型可以直接读取或是通过间接计算得出以下三个方面的结果：

（1）吊索初张力和调整索力；

（2）各施工梁段的主梁立模标高；

（3）各施工梁段相应于其在各施工工序（混凝土浇筑完毕、张拉预应力钢筋的完毕和张拉吊杆拉索的完毕）的控制截面、测点的应力、标高等理论值。

在实际施工时，利用以上三个方面的结果作为指导现场施工的理论依据，由施工监控单位出具各施工阶段的监控指令，所有指令必须经过监控单位、设计单位、监理单位、施工单位的签字确认后，方可作为正式指令下发以指导施工。[8]

按照设计意图和上述施工步骤对大桥进行施工全过程的计算分析，因理论模型与桥梁实际状况会有一定差别，在施工中要根据监测数据对模型进行适当修正，施工时应以监控指令为准。

4. 现场量测

用全站仪对主桥的轴线和里程进行测量，用电子水准仪对标高进行测量。[9]

4.2.1墩顶测量和基准点的设立

测定墩顶变位的方法是在每个桥墩墩顶布置测点作为水准点，并做好明显标识和必要的测点防护，防止施工中遭到破坏。在该点设站，使用全站仪根据大桥两岸的国家大地控制网测出该点的三维坐标，作为初始值。后续施工工况测得改点的变化量即为墩顶变位值。为了确保数据的可靠性和准确定，每月至少组织一次水准点的复测、联测工作。

4.2.2主梁挠度的测量

（1）测点布置：在每个施工梁段均预埋三根短钢筋作为标高观测点，位于悬臂端距梁端5cm处，用自喷漆标明编号，短钢筋要求伸出混凝土面1.5～2.5cm，。主梁截面测点的位置见图4中的“|”所示的位置。

（2）测量方法：用精密水平水准仪测量测点标高。

（3）测量频率：对于每个施工梁段，按照施工工序，分别在浇筑混凝土前、浇筑混凝土后和张拉预应力后对主梁的挠度进行测量。

（4）测量时间：测量时间宜在当天8时之前和18时以后或在温度场较稳定的时候进行。

（5）13～15号块应加测箱梁底板的挠度变形。

在测量过程中，因温差变化会影响主梁挠度的变化，规律有助于确定待施工各节段预拱。为了确定该变化规律，本桥在实际测量中，刻意选择温差变化较大的天气，选择清晨温度较低的时段开始，满足连续12小时平均每间隔两个小时监测一次主梁挠度，并在记录表中写明当时的环境温度，通过这样的方式逐渐分析温差变化较大时挠度变化的规律。

4.2.3吊杆索力的测量

吊杆索是吊杆拱桥的重要组成部分，并显示了吊杆拱桥的特点，吊杆拱桥桥跨结构的重量和桥上荷载，绝大部分通过吊杆传递。为了使全桥结构合理受力，应该严格将吊杆索力的实测值与理论值的差值控制在误差容许范围之内。

此外，为保证施工控制的顺利进行以及桥梁在运营期间的正确监测，必须提高吊杆索力测定的准确率，因索力测定的不准确将严重影响全桥的施工控制效果。

实际工程中常见的测量索力的方法有三种，分别是压力表量测法、压力传感器量测法和振动频率量测法。压力表法测定是最直接的方法，但精度不高，且难以满足从施工架设直至竣工后的随时、迅速、准确地测定索力的要求。压力传感器的测定精度较高，也易于长期观测，缺点在于其成本较高，一般项目中通常不会被采用。振动频率量测法是目前最常用的间接的索力测量方法，测量过程不会损伤缆索，并且测量结果精度很高，一般能够将误差控制在3%以内。该方法是将传感器探头固定在待测缆索上，通过传感器获取缆索在环境振动激励下的振动信号，对振动信号进行滤波、放大、谱分析等精密计算后，能够得到缆索的自振频率，再通过自振频率与索力的关系来确定索力。

应用动力学普遍原理可建立均匀线密度的吊杆在无阻尼时的自由振动方程。[10]

式中，m为吊杆的线密度；u为横向位移系数；x为纵向坐标；t为时间；T为张拉力；EI为吊杆的抗弯刚度。

显然要求解以上方程非常困難，需要对其进行简化。假定拉索两端的边界条件为固结且不考虑拉索的截面刚度，考虑通过横向位移系数的拟合函数来推到出张拉力T的方程组：

本桥在施工过程中即应用频率法对吊杆索力进行测量，采用的仪器为JMM-268动测仪，现场测量人员通过该仪器可方便快捷地对吊杆的频率进行实时测量，在仪器屏幕中即可直接读取频率值，根据频率与索力的关系，可以计算得出相应的索力。

4.2.4吊杆施工节点位移的测量

吊杆施工节点位移的测量方法是在吊杆拉索附近的主梁位置布置位移测点，每次关键张拉阶段完成至少一小时后，利用全站仪对主梁上的位移测点进行测量。因吊杆施工节点位移测量在整个监控工作中仅起到辅助作用，故对于此项测量方法不再赘述。

4.3 监控控制及实测数据效果

（1）主梁挠度监控控制：本项目对主梁挠度控制精度及原则主要有立模标高允许误差为±3mm；局部线形要求相邻节段的相对标高误差控制在5mm在以内；已浇梁段顶、底板的相对标高误差控制在±15mm范围；合龙前两悬臂端的相对高差应小于等于合龙段长度的1/100，同时应满足不大于15mm。

主桥施工过程中，严格按照施工指令进行施工，合龙精度满足要求，底板没有出现折线，线形平顺，弧线美观。本桥主梁挠度实测结果：各施工节段浇筑的阶段的沉降实测值与理论值的差距均在15mm以内；张拉阶段的实测值与理论值的差值也控制在10mm以内，中跨合拢时最大偏差仅为10mm，由以上结果可知，对主梁线形的施工控制取得了良好的效果。

（2）本桥吊杆索力经过初张拉、二次张拉及调索，调索必须遵循一定原则，按照“均匀、对称、分次、循环”进行。[11]调索完成后，需要将现场实际测量得到的索力值与通过理论计算得出的目标索力值进行对比，详细见表2。

由上表可知，成桥后吊杆索力分布大致均匀，与设计值相差较小，结构受力状态良好。

（3）综上所述，深茂铁路江茂段国道325特大桥在施工过程中，结构线形平顺，吊杆受力合理，各个监测控制点均未出现超限情况，所有误差均在容许范围，进一步在理论上验证了该项目建设成果的高标准、严要求。

5 结语

随着社会经济的发展，国家大力发展基础设施建设，伴随着科学高效的施工技术的发展，大规模、大跨度、高难度的桥梁工程正与日俱增，对于建设者来说既是机遇也是挑战。施工中各种不确定因素的增多，施工人员水平的结构化配置是否合理，都给桥梁建设中的施工监控提出了更严苛的要求，为了顺应时代的发展、科技的进步，施工监控体系作为重要施工辅助手段尚应继续重视实施、创新发展。[12]本项目对深茂铁路江茂段国道325特大桥的施工监控任务已经圆满完成，达到了预期的效果，得到了业主的认可，验证了本桥型施工监控方案的可行性，同时对日后实施相近桥型的施工监控任务提供了成熟的参考案例，具有广泛的应用价值。

参考文献：

[1]赵多苍，樊立龙，李义强.跨海大桥施工结构监控预警系统研究[J].铁道建筑技术，2017（8）：18-22.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑与桥梁结构监测技术规范：GB50982-2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2014：33.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢管混凝土拱桥技术规范：GB50923-2013[S].北京：中国计划出版社，2013：34-35.

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[6]邵旭东，程翔云，李立峰.桥梁设计与计算（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2012：534.

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[10]凌知民，杨沈红，沈炯伟.吊杆索力的计算方法与应用研究[J].石家莊铁道大学学报（自然科学版），2011（03）：17-18.

[11]李征.客运专线大跨度连续梁-拱桥先梁后拱施工关键技术研究[J].铁道建筑技术，2016（12）：21.

[12]张海龙.桥梁的结构分析程序设计施工监控[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：209.

作者简介：张强（1986-），男，工程师，现任职务：科员，毕业学校：中国石油大学（华东），所学专业：土木工程，主要从事桥梁工程设计与咨询。

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