下承式系杆拱桥施工监控技术

(中南林业科技大学 湖南 长沙 410000)

一、工程概述

蒸潭桥位于衡阳高新区陆家雨母片区，东起蒸潭路，西至柿江河西岸，是连通柿江河东岸与西岸的重要通道。桥位位于1#水坝上游。上部结构采用两道钢箱拱肋+箱梁截面组合而成，拱轴线为2次抛物线，计算跨径为87.6m，矢跨比f/L=20/87.6=1/4.38，拱圈高2.0m，宽1.75m。混凝土拱脚处宽2.4m，吊杆间距5m。边跨采用箱梁截面，梁高2m。桥梁总宽32m，整幅布置，主跨横梁梁高2m，横坡由结构形成，悬臂长2.44m，桥面铺装为防水层和4.0cm细粒式SBS改性沥清硅AC-13C+6.0cm厚中粒式沥清混凝土AC-20。全桥尺寸如图1所示。

图1 全桥立面图与剖面图

二、施工监控原则内容及结果分析

(一)施工监控原则

混凝土系杆拱桥成桥线形符合设计要求及系梁和拱肋应力在安全范围之内是施工监控的基本原则。

施工监控主要是通过对施工过程的实时监控，实时调整、修正所有影响成桥目标实现的因素，保证桥梁施工过程安全和设计成桥状态目标的实现，确保成桥后结构受力和线形满足设计要求。在混凝土系杆拱桥的整个施工过程中对系梁和拱肋的标高、轴线和应力进行控制。系梁施工阶段以控制标高和轴线为主，拱肋及吊杆张拉施工阶段以控制系梁、拱肋标高和轴线为主，以确保施工安全。

通过现场监测和监控计算等手段，对全桥施工过程中的结构内力和位移状态进行有效地监测、分析、计算和预测，为施工单位提供施工监控信息，以保证整个结构在施工过程的安全并最终达到设计成桥状态。

1.受力要求

系梁和拱肋截面内力(应力)反应了混凝土系杆拱桥的主要受力内容。控制这些截面的受力都在规范规定范围之内。

2.线形要求

线形主要是指系梁和拱肋的整体标高和局部平顺性要求。成桥后(通常是长期变形稳定后)系梁和拱肋的标高要满足上述两方面的设计标高要求。

3.系梁和拱肋平面位置要求

主要是指节段系梁和拱肋的实际桥轴线与理论桥轴线值的偏差应符合设计和《城市桥梁工程施工与质量验收规范》(CJJ 2-2008)的要求。

4.稳定性要求

确保整个施工与成桥状态桥梁不会发生失稳。

(二)施工监控主要内容

在大桥施工开始之前，采用MIDAS软件及施工监控专用程序建立相应的大桥施工监控计算模型，进行计算机仿真施工阶段模拟，其中包括以施工顺序进行的前进分析和以施工逆顺序(成桥倒拆)进行的倒退分析，提出理想状态下的施工阶段控制参数。由于混凝土系杆拱桥施工过程环节较多，体系转换复杂，影响参数较多，如：结构刚度、梁段的重量、温度、吊杆分阶段张拉力、施工荷载等。求施工监控参数的理论值时，都假定这些参数为理论值。

图2 蒸潭桥Midas civil模型

首先复核设计计算所确定的成桥状态和施工状态。按照施工和设计所确定的施工工序，以及设计所提供的基本参数，对施工过程进行一次正装计算，得到各施工状态下的结构受力和变形等控制数据，与设计相互校对确认无误后作为混凝土系杆拱桥施工监控的理论数据。计算项目包括：

(1)各施工状态下以及成桥状态下状态变量的理论数据；混凝土系梁和拱肋标高、轴线、控制截面应力应变；

(2)施工监控数据理论值：混凝土系梁和拱肋标高、轴线、控制截面应力应变；

(3)施工阶段的稳定性计算：系梁和拱肋安装阶段的稳定性计算分析；

(4)混凝土系杆拱桥成桥后的结构动力特性分析；

(5)运营阶段的移动荷载分析，确保大桥建成后处于安全的运营状态；

(6)必要时还应该对大桥进行局部应力分析，确保大桥的安全性。

大桥的施工监控工作应该是在大桥施工过程安全的情况下进行的，因此首先根据设计文件对大桥进行结构计算分析，验证大桥在常规荷载以及确定的施工方案情况下的结构安全性，以确保施工安全，同时为现场监测、危险预告提供预警控制值。

(三)施工过程监测方法

1.系梁拼装轴线监测

测点设置:系梁纵向横隔板中心位置设置测点，利用高精度全站仪进行测量。全桥纵向共16个节段(包括端横梁)，共布置9个测点，分别编号为Z1～Z9，测点布置如图3所示。

图3 1/2跨系梁顶轴线测点布置图(单位:m)

2.拱肋拼装监测

拱肋安装时必须保证拱肋轴线和高程位置，使拱肋轴线和高程控制在精度之内。根据施工现场情况，在每根吊杆位置处的拱肋中心外边缘布置测点(如图4所示)，在测点处安装专用反射片，在控制点上架设全站仪进行测量，使其在理论位置处。每片拱肋共9个测点，全桥共18个测点。

图4 拱肋轴线和高程位置纵桥向测点布置图

拱肋安装时必须保证拱肋轴线和高程位置，使得拱肋轴线和高程控制在精度之内。从图5可以看出，拱肋安装阶段，安装后的实际高程与理论高程最大误差-8mm，结果表明满足拱肋安装的线型要求。

图5 衡阳市蒸潭桥拱肋安装的高程控制图

主梁和拱肋线形方面，施工方严格按照立模标高进行立模，控制在±20mm以内；成桥后梁顶中线标高与理论值最大正误差为9mm，最大负误差为-17mm，均控制在±20mm以内，符合规范要求，梁段整体线形平顺流畅，表明施工监控理论可靠，分析方法正确、有效。

3.应力、内力监测

根据理论计算结果，在系梁、拱肋上的控制截面布置应力测点，观察在施工过程中这些截面的应力变化与应力分布情况。结合反馈控制的实时跟踪分析，提供最优可调变量的调整方案，由实时跟踪分析在计入误差和变量调整之后，每阶段乃至竣工后结构的实际状态，预告今后施工可能出现的状态，并预报下一阶段当前已安装构件或即安装的构件是否出现不满足强度要求的状态，以确定是否在本施工阶段对可调变量实施调整。

(1)系梁应力测点布置

根据理论计算及施工现场情况，系梁测点布置在两支点、1/4、1/2、3/4截面，测点布置如图6所示。

图6 系梁应力和温度横向测点布置图(单位：m)

(2)拱肋应力测点布置

根据理论计算及施工现场情况，拱肋应力和温度测试截面选取为两拱脚、1/4、1/2、3/4截面，测点布置在拱肋上下缘的中心线上。主梁各梁段施工过程中，关键截面上下缘实测应变均与理论值吻合良好，主梁结构受力状况良好，符合设计要求。

4.吊杆索力监测

根据蒸湘系杆拱桥施工现场的实际情况及施工的可行性、经济性等，采用索力动测仪测量索力。确定索力测量时以振动频率法为主，千斤顶油压表量测为辅，并校对压力表和千斤顶误差程度、对吊杆参数进行试验标定、修正动测仪参数。

对成桥后吊杆索力进行测量，实测值取每根索的实际值，并与理论值进行对比，如图所示，控制在5%的范围以内，满足要求。

图7 衡阳市蒸潭桥吊杆成桥阶段的索力(上游)

三、结语

下承式系杆拱桥的结构复杂，其施工阶段比较多，施过周期较长，环境变化大，各个阶段的受力与变形也要不断变化，使得施工结果和理论计算不符，形成施工误差。如果不能准确掌握各施工阶段变形值，就不能实现大桥的准确对接和拱肋合龙或使大桥的空间位置与设计不符。通过对大桥施工现场检测数据的分析，获得误差因素的定量数据。据此，对本次施工的后期变形作出预测。根据后期变形预报，设定当前的立模标高，从而减少施工误差，使桥梁的线性与计算一致。通过项目的要求制定并严格执行合理的监控方案，在施工过程中及时做出必要的调整，对桥梁的施工质量控制和安全起到了十分重要的作用。