高墩大跨连续刚构桥施工控制和监控数据的挖掘利用

付军喜

(广东省南粤交通投资建设有限公司，广州 510623)

0 引言

高墩大跨混凝土连续刚构桥在山区和跨海道路中应用广泛,这种桥型由于墩高和跨度大等特点，在施工过程中需要重点关注。已有工程案例表明，由于较大施工误差导致结构线型偏差和内力变化，将对连续刚构桥的长期运营安全产生不利影响，甚至导致过度挠曲和开裂的病害问题。因此，开展科学合理的监控配合施工，实现施工安全和达到设计预期的内力和线型状态，是结构长期运营安全的前提保障。

高墩大跨混凝土连续刚构桥的施工控制理论自上世纪提出以来得到了系统的发展，在施工过程模拟、结构线形控制等方面取得了丰硕的研究成果。近年来，随着传感技术的发展，在施工现场布设各类传感器监测结构施工全过程状态的方法愈发成熟。施工现场产生大量带有冗余性的数据，通过合理的施工控制流程、测试方案和分析方法，充分挖掘监测数据的信息，可以进一步提高结构施工监控对施工过程的协助作用。本文结合大埠河大桥的施工监控介绍在这方面的探索工作。

1 工程概况

大埠河大桥主桥为82m+150m+82m连续刚构桥，双幅分离布置。上部结构采用预应力混凝土变截面箱梁形式，C55混凝土。箱梁顶板宽12.5m、底板宽6.2m，箱梁顶面设2%单向横坡，底板水平，梁底按照1.8次抛物线变化。双幅4个主墩高度分别为71.98m、71.76m、69.82m和67.35m，C50混凝土。截面采用箱型，平面尺寸为5.0m×6.2m(横桥向×顺桥向)，壁厚1m，墩底8m和墩顶3m范围内为实心，1/2墩高位置，设置1m高隔板。结构整体布置如图1所示。

主梁采用挂篮式平衡悬臂现浇施工，共划分为16个块段。其中0#块长11m，采用托架现浇施工；1-14#号块段采用挂篮悬臂施工，主梁最大悬臂端为74m；15#号为合拢段，长度为2m；16#块段为边跨现浇段，长度为4m。桥墩采用分段爬模施工，共分为17个节段，第一个节段高4.65m，第二至第十五节段高度均为4.5m，最后一个节段高度3m。下部结构左右幅分别对应起始编号XY和XZ。

图1 大埠河大桥整体布置(单位：m)

2 施工监控技术和测点布置

高墩大跨连续刚构桥施工过程控制主要包括桥墩施工控制和主梁施工控制等。目前，成熟的控制理论和方法包括反馈控制、自适应控制等。在核心的参数识别和状态预测中，大量研究已经形成了包括卡尔曼滤波法、灰色系统理论法、最小二乘法、神经网络等手段。

对于高墩施工，墩身的垂直度和平面偏位是施工控制的关键。我国《公路桥涵施工技术规范》对墩台施工的位移控制有明确的要求。同时，由于桥墩高，导致施工过程对非对称荷载更为敏感，增加了施工风险。因此，对桥墩根部关键截面的应力变化进行监控也十分重要。

根据后期数据分析和挖掘的需求，施工监控测点布置和采集方法还应从以下几方面考虑：(1)测点布置宜采用对称布置，形成具有相互参照对照的测试组；(2)从数据可靠性和后期测点损毁的角度设置冗余测点；(3)在可能的情况下可采用低频率的连续采集的方式，获得更多的施工监控数据。

需要强调的是，引入数据挖掘技术的目的是更好地利用现有的施工监控数据，而不是为了进行数据挖掘而无限制地增加原有的施工监控测点。因此，在一般施工监控测点布置的基础上应进行针对性的测点布置，在测试方法的选择上也应以现场的实际情况和经费预算为主要考量。

对于主梁施工，在悬浇过程中悬臂长度不断增加，悬臂根部受到的弯矩不断加大，悬浇过程的不完全对称施工使悬臂根部的受力更加复杂。因此，需要及时监测临时支撑和箱梁关键断面的应力变化，掌握结构的受力状态，为评估结构安全和施工安全提供依据。

通过埋设应力、温度、压力传感器，可以达到以下目的：(1)提供某些施工关键工况的必要信息，比如混凝土浇筑、预应力张拉等工况的结构响应；(2)提供施工控制反馈分析的基本信息；(3)为运营阶段的结构长期观测服务。

应力测点布置的原则是：(1)通过施工模拟计算，得到施工全过程的应力包络图，从而明确最危险的位置，这是选择应力测试断面的基础；(2)力求顺桥向、横桥向对称布置，以增加结果的可靠性和可比性；(3)截面的选取应避开圣维南区；(4)兼顾交(竣)工荷载试验和结构健康监测的需要。

大埠河大桥主墩和主梁施工的典型监测测点布置如图2和图3所示。

图2 大埠河大桥桥墩典型监控内容的测点布置

图3 大埠河大桥主梁典型监控内容的测点布置

3 监控数据分析要点

受到环境干扰、传感器精度等噪声影响，桥梁结构现场响应监测数据往往存在可能的误差。为了使测试数据的可靠性更高，需要结合恰当的数据处理方法，实现对监控数据的分析。这个过程可分为数据预处理、数据统计处理、数据对比判断和施工控制建议等4个阶段。

3.1 数据预处理

数据预处理阶段可根据同一测点相邻施工步下的监测数据对比、冗余测点相同施工步下的监测数据对比以及监测数据与数值模拟结果等方法进行比较，综合判断数据的合理性，剔除异常数据。与此同时，对于判断得到的每一个异常值，均应及时反馈施工现场，以排除可能的施工隐患，确保异常值的产生不是来自施工问题。

3.2 数据统计处理

数据统计处理主要是通过统计学理论，对具有冗余性的监测数据进行统计分析，以获得代表性特征值，如平均值、最值等。通过不同的特征值综合判断，可以减小噪声影响，降低由于单一监测数据带来的偶然误差。

3.3 数据对比判断

数据对比判断阶段，通过监测数据与理论分析数值、施工内控阈值以及规范控制数据的对比，判断施工步下是否存在施工质量问题和施工安全问题。相当于在控制阶段设置了多个评价指标和标准，可提升施工控制的准确度。

3.4 施工控制建议

对于判断存在问题的数据，需要结合实际情况明确原因，并提供下一步施工处置建议。

4 桥墩施工控制数据分析

对桥墩施工过程的数据分析，可通过“3σ准则”上下限值、均值、最大值、最小值、理论计算值、允许阈值等在内的多个指标，来综合评价施工过程的安全性。

其中，以数据自身的统计特性判断异常值，采用“3σ准则”上下限值对测试数据中由于传感器异常等原因造成的数据突变进行自动剔除。以理论计算值和我国规范对施工阶段混凝土临时应力限值的80%和100%为3层次控制阈值作为结构安全的层次控制指标，通过最大值、最小值和均值表征的施工过程结构响应数据与上述控制指标的对比分析，可以综合判断结构施工过程的安全性。

除上述判别指标外，还可结合理论计算值的误差允许值(如±20%)、数据趋势差异允许值等指标辅助判断结构施工安全。

以大埠河大桥桥塔施工过程中的应变监测为例，对监测得到的塔底四角点钢筋的应变数据进行分析，分析结果如图4所示。在本文分析中，应力应变数据均以受拉为正、受压为负。

图4 大埠河大桥桥塔应变监测数据分析

分析结果表明，4个角点的数据在同一施工步下的结果相近，表明施工过程中桥塔的不平衡受力状态控制良好。“3σ准则”下未发现异常数据，传感器监测结果可信。在桥墩施工过程中，测试数据和理论计算数据变化趋势一致，数值相近，同时测试数据均未超过80%和100%规范限值，施工过程构件强度得到良好保证。

在桥墩施工进行到第5阶段时，通过监控数据的分析发现应变增大的趋势明显加剧，与前序监测结果趋势出现差异。监控方第一时间分析理论计算结果和监测结果突变差异的原因，首先需要排除数据差异是否由测试误差造成。

(1)

ε修(t)=ε(t)-(T-T0)(F-F0)

(2)

式中：T为测量温度，T0为初读数时的温度，F为结构体线膨胀系数，F0为钢弦的线膨胀系数。钢弦的线膨胀系数为12.2με/℃，一般情况下钢筋混凝土的线膨胀系数为10με/℃。实际混凝土的热膨胀系数并不是一直不变，随着环境温度的降低，热膨胀系数在减少，并在6με/℃～10με/℃之间变化。因此，需结合应变测试时的温度测量结果对应变测试结果进行修正。

与此同时，由于差异在测试的桥墩中均有出现，可能的偏差原因最终被判断为实际混凝土弹性模量小于设计弹性模量。在及时与施工技术人员反馈和沟通后，确定了适当减慢施工速度、进一步加强混凝土养护的建议。施工单位采纳上述建议，后续施工监测，实测应变结果与理论分析结果的差异逐渐缩小，实现了对现场施工质量的有效控制。

除对应变的监控外，高墩施工过程中的位移监测也是重要的控制指标。由于高墩桥塔垂直爬模等施工工艺相对成熟，可在上述针对受力安全监测分析方法的基础上，适当减少评价内容，简化监控和评价流程。

以大埠河大桥桥塔施工过程中通过桥塔垂直度和桥塔平面偏位的监控为例，施工过程中，通过设定关键测试断面(30m、40m、50m、60m和70m)，并对其施工完成时的4个角点坐标进行监测，得到桥塔施工进程中的位移状态。监控设置了上述测试内容与规范限值进行对比的单一控制指标，确保施工线型，并将变化趋势和具体数据及时反馈施工现场，以及时调整可能出现的偏差。典型监测结果如图5所示。

图5 30m和70m施工完成时截面角点偏位监测结果

测试结果表明，桥塔施工过程中的垂直度保持良好，不同关键测试断面的偏位均未超过施工规定限值，并有一定的冗余度。

5 主梁施工控制数据分析

连续梁桥施工过程的影响参数较多，主要的控制参数包括：挂篮变形、施工临时荷载、日照影响、混凝土外形尺寸、预应力张拉的状况、混凝土弹性模量和容重、混凝土徐变影响等。计算施工控制参数的理论设计值时，假定相关参数值为理想值。为了消除因设计参数取值的不确切所引起的施工中设计与实际的不一致性，在施工过程中对这些参数进行识别和预测，并随着施工过程的开展，通过实测和相关试验对其进行修正。根据修改后的参数进行仿真分析，从而使计算模型与实际结构状况相吻合。其中最为关键的要属箱梁标高的确定，在结合有限元和现场实测数据的基础上，对每个施工节段的立模标高进行计算：

(3)

在监测过程中，除了立模标高的给定，对施工过程中应力等关键结构相应的监测也十分必要。在对称悬臂施工过程中，通过对称测点布置，可在理论数据的基础上进一步通过对称性综合判断结构施工安全。

以大埠河大桥主梁监测为例，在桥塔对称的两侧0#块上分别布置对称的应力监测测点，并以其中底板腹板1号测点和顶板腹板5号测点测试结果为例，各主要施工过程中的应力监测结果如图6所示。主梁应变在施工过程中对称位置的测试结果保持了良好的对称性，佐证了监测数据的可靠性和施工的作业安全。

图6 大埠河大桥主梁典型应力监测结果

6 合龙和成桥数据分析

桥梁建成初始状态往往是结构运营的起点，结构初始状态的数据集成已越来越受到建设和养护单位的重视。在连续刚构桥梁施工合龙完成后，结构的整体形态确定，其结构初始数据的测试、分析和保存移交已成为一项重要工作。

在众多测试数据中，主梁合龙高程偏差和桥面铺装厚度分布的数据对大跨度连续梁和连续刚构桥梁至关重要。已有研究表明，铺装厚度增大导致的结构恒载增大是导致大跨度连续梁桥后期梁体下挠病害的主要原因之一，铺装层的厚度分布是后期结合其他检测手段评估桥梁结构运营安全的基础数据之一。

以大埠河大桥为例，在主跨完成合龙后，在桥面以纵桥向5m、横桥向4m为间隔，进行了全桥面的高程检测，并统计了对应铺装层的厚度分布。其中，单幅高程检测结果如图7所示。检测结果表明，大埠河大桥主梁高程在横桥向的分布趋于一致，纵桥向呈现边跨低、中跨基本与设计高程一致或略高的线型控制结果。在此控制线型下，中跨不会因为铺装超厚而产生下挠，同时边跨的铺装适当增加，可进一步减少中跨下挠的可能。

图7 合龙线型测试结果

此外，对边跨和中跨的铺装层厚度进行统计分析，统计直方如图8所示。统计结果显示，两边跨的铺装层厚度平均值分别为16.2cm、14.5cm，标准差分别为3.7cm、3.5cm；中跨铺装层厚度的平均值为9.9cm，标准差为2.1cm。铺装层厚度的统计结果进一步表明，该桥成桥状态下中跨线型基本与设计线型一致，且两边跨的铺装层厚度较中跨大。边跨超过设计值的铺装层导致结构恒载应力增大，可能在后期引起更大的混凝土徐变下挠。

图8 铺装层厚度统计结果

在此情况下，通过监控数据分析对结构运营养护提出如下建议：(1)边跨铺装厚度较大，中跨厚度与设计相差不大且略偏小，中跨桥面铺装的运营质量在后期检查过程宜关注；(2)边跨的铺装厚度大，在运营过程中边、中跨跨中均应布置桥面高程长期观测测点，便于后期定期地对主梁的高程进行测试对比，以便及时发现大跨连续梁常见的主梁下挠问题。

上述监控数据的原始数据和统计结果，是结构初始状态的重要表征，并为后期养护提供了针对性的建议。

7 结论

以主跨150m的连续刚构桥为例，分析了监测数据驱动下的施工控制技术要点，包括施工控制流程和测试方案，并提出了施工监控数据深度挖掘利用的内容和方法。

(1)高墩大跨径连续刚构桥施工，需要重点监控主墩施工过程中的垂直度和平面偏位、主梁施工中的线型。同时，施工监控测点设计应充分考虑监控内容的必要性和监控数据的冗余性。

(2)施工监控数据本身可利用对称性或统计原理如“3σ准则”等方法，自动判别异常数据。

(3)通过数据自身的统计值如均值、最值、方差等指标，可系统科学地表征结构状态。

(4)通过理论计算值、允许误差、规范限制、趋势误差等指标，可以综合判断结构施工的安全。

通过大埠河大桥的工程实践表明，加强监测数据分析，可以充分利用冗余数据提高施工控制的可靠性，进一步提升施工监控对施工过程的协助作用。同时，合龙和成桥的结构状态监测结果成为结构后期管养的初始状态数据。