混凝土斜拉桥施工监控技术研究

黄春华

（上海浦东城市建设实业发展有限公司,上海市　200136）

0　引言

斜拉桥为高次超静定的复杂结构体系，其成桥后合理的线形和内力不仅在于优秀的结构设计，还在于精湛的施工技术。在斜拉桥施工建设过程中，受外界各种自然条件影响以及材料特性的差异，使得斜拉桥结构的受力与变形的关系异常复杂。虽然，在施工计算中可以采用多种计算方法，得到桥梁在各施工阶段的索力和主梁变形，但是，按理论计算得到的结果进行施工，受拉索垂度、温度变化、日照、施工临时荷载以及混凝土收缩徐变等因素影响，结构却不一定达到期望的内力和变形。动态的监控技术能够及时对桥梁施工计算模型进行修正，以使成桥受力状态和线形更趋于合理，达到设计要求。

随着斜拉桥设计和建造技术的不断提升，斜拉桥的施工监控技术也不断改进。胥润东等为解决斜拉桥施工监控过程中数据量庞大、管理和分析任务繁重而易出错的技术难题，基于数据库技术，以Vi sualst udi o 2008编程环境为平台，开发出斜拉桥施工监控数据处理系统[1]，将桥梁施工监控与健康监测平台进行对接，实现对桥梁结构施工的远程监测和指令发送，而且实现了对监控数据的分析、处理、存储和管理，为桥梁结构后续的健康监测提供可靠的原始数据。

结合具体工程，对混凝土斜拉桥的施工监控中的线形及内力控制技术进行探讨，以期为同类工程提供技术借鉴。

1　工程概况

某工程主桥为独塔双索面混凝土斜拉桥,塔、梁、墩固结体系，无辅助墩，跨径布置为91 m+123 m。索塔为“H”型平行直立塔柱,高72.986 m。主梁为分离式混凝土主梁，中心梁高2.8 m。主梁顶板宽38.1 m，厚0.28 m，设双向横坡。主梁在每对拉索锚固处对应设置一道横梁，横梁顺桥向间距6 m，高度2.5 m，厚度0.3 m。锚跨尾部节段做成箱形，采用生铁锭+铁屑混凝土进行压重。主梁内配置的预应力钢束（筋）分为施工阶段预应力钢筋、合拢预应力钢束、桥面板预应力钢束和横梁预应力钢束4种。斜拉索采用平行扇形双索面布置，为平行钢丝成品索，梁上标准索距为6.0 m，密索区为2.5 m，塔轴线处的拉索布置为9×1.8 m+2.5 m+2.3 m+6×2.0 m。桥梁立面见图1。

图1　桥梁立面图（单位：m）

2　监控内容

2.1　索塔预高量控制

混凝土桥塔在成桥后受索力和自重影响，以及混凝土材料自身的收缩和徐变，使得索塔在施工的过程中需要有一定的预高量，以确保在成桥后桥塔内力与设计一致。在施工过程中进行与桥塔施工材料一致的混凝土材料试验，包括弹性模量和徐变测试，获取混凝土材料的收缩徐变的时变曲线，用于获取桥塔在每个施工阶段以及成桥后标高。

2.2　线形控制

该桥线形控制主要是主梁的线形控制。主梁线形平顺，不仅关系到主梁的顺利合拢，而且关系到结构的内力是否合理。该桥采用悬臂施工，主梁立模标高的控制是获取成桥后合理内力的关键。在监控中，综合考虑包括施工荷载、后续节段、混凝土收缩、徐变的影响，给出每个悬臂节段的立模标高。

2.3　内力控制

内力控制主要包括对主梁和索塔的内力控制以及对拉索索力的控制。主梁和索塔的合理内力主要通过立模标高确定以及合理的索塔预高量实现。斜拉索的内力控制主要采用通过对索力的精确测试来实现。在施工中考虑对测试方法所得结果的校核，在最短拉索和最长拉索的锚固端安装锚索计，实现对拉索索力的精确测量。

2.4　结构温度场控制

受日照影响，结构中会形成梯度温度，采用两种方法来避免受该温度场产生的温度内力。通过建立全桥的有限元数值模型，模拟不同温度场作用下结构的变形。在结构关键位置安装温度传感器，获取日照情况下结构在24 h内的温度-变形曲线，实现对结构变形测量数据的修正。

3　施工监控计算

斜拉桥的施工过程异常复杂，采用传统的结构力学方法较难解决结构的非线性以及混凝土的收缩徐变问题，采用成熟的大型结构有限元计算软件对该桥进行建模，利用空间杆系模型，分析桥梁在各施工阶段结构的变形和内力。

建模时，对主塔和主梁均采用精确的梁单元模拟。其中，由于主梁为双主梁形式，为真实模拟桥梁结构，建立双纵梁，将主梁截面刚度平均分配给两根纵梁，并采用刚性横梁进行连接。桥面板采用板单元进行模拟。斜拉索采用桁架单元模拟，考虑拉索垂度的影响，采用ernst公式计算等效的弹性模量。预应力筋采用预应力钢束模拟，预应力效应转化为等效荷载进行施加。

在进行施工过程计算时，避免正装分析与倒装分析的不足，采用正装分析和倒装分析相结合的分析方法进行分析。首先进行倒装分析，然后以倒装分析的结果进行正装分析，考虑混凝土收缩徐变的影响，反复迭代，获取正确的各施工阶段参数。图2为全桥Midas模型。

图2　全桥Midas模型

4　现场参数测试方法

桥梁施工监控是依托于结构施工的动态过程，良好的测试技术是获取精确的结构参数的保证，同时也是准确发出监控指令的前提。

在整个监控中需要对该桥进行测试的参数主要包括结构变形、结构关键断面应力、拉索索力、结构温度等。其中，结构变形测试主要包括主梁轴线和线形测试，塔顶水平位移监测以及桥墩的沉降观测。结构应力测试主要包括主梁关键断面应力测试、索塔关键断面应力测试。温度测试主要包括主梁关键断面温度测试、索塔关键断面温度测试以及斜拉索的温度测试。监控过程中监控参数的获取过程见图3。

图3　施工监控参数获取流程

在索塔承台顶面布设基础标高的永久观测点，在塔顶布设塔顶标高的永久测点。分别在塔顶、塔梁结合处以及最短索与塔柱相交处布设桥塔水平位移测点。对索塔基础沉降、索塔竖向位移与塔顶水平位移均采用全站仪进行测量，精度不低于1 mm。

主梁位移测点主要布设于塔梁结合处、每跨跨中、4分点以及拉索锚固端断面。每断面布设3点，中点处用于测试主梁轴线的偏移量（见图4）。主梁标高采用精密三角高程测量方法，精度为±1 mm。

图4　主梁断面位移测点

索塔应力测试断面主要布设于最短索与索塔交叉点处以及塔梁结合处,每塔柱各布设4个测点（见图5）。布设时综合考虑现场的恶劣环境以及经济因素，选用质量优良的振弦式应变计进行测试，同时获取相应的温度场数据。

图5　桥塔断面测点布置

主梁应力测试断面主要选取塔梁结合处主梁根部，锚跨跨中，压重处，主跨四分点和二分点断面，每个断面在双侧梁顶和梁底各布设一个测点（见图6）,并布设振弦式应变计进行测试，同时获取相应的温度场数据。

图6　主梁断面应力测点布置

索力测试除在最短索和最长索的锚固端处布设锚索计进行测试，其余拉索索力均采用频率法获取。测试时采用临时安装在斜拉索的拾振器（见图7）进行信息采集，在环境激励下，根据对采集的加速度信号分析，计算当前索力。斜拉索与其自振频率有以下关系（以两端铰接的柔性索为例）：

式中：T为吊杆的索力，kN；W为单位长度吊杆重量,kN；L为吊杆的计算长度,m；fn为第n阶自振频率，H z；n为振动阶数；g为重力加速度,s2/m。

图7　索力测试用拾振器

5　结语

结合某混凝土斜拉桥施工监控，从索塔预高量、线形控制、内力控制以及结构温度场控制等方面对混凝土斜拉桥施工控制与监测的过程和方法进行探讨,给出混凝土斜拉桥现场施工参数的获取流程，并对各测试参数的测点布设、测试方法以及测试仪器进行比选和研究，为同类项目的施工监控提供借鉴。