系杆拱桥的施工监控

系杆拱桥的施工监控

张鸿杰

张鸿杰

杭州地铁公司工程管理部浙江省杭州市31009

摘要：以上虞三环上跨桥工程为例，从施工监控的必要性延伸到监控目的、监控内容及相应的监控方法，用实践证明了施工监控的效果，值得推广和应用。

关键词：系杆拱桥监控

一、概况

2015年，我公司代建了上虞三环东路上跨萧用铁路工程，因本桥跨经世遗项目---浙东运河，河两岸各5米范围内部能设桥墩，从而导致跨运河部分桥梁跨径增长，原设计的小箱梁无法满足跨径需求，加之处于起始处（4#墩至5#墩），桥梁净高受限，故经方案比选，采用系杆拱桥形式跨运河本钢管混凝土系杆拱桥，标准跨径65.5m，计算跨径62.5m。拱肋为钢管混凝土结构，吊杆为钢绞线成品索，纵横梁为预应力混凝土结构，桥面板为预制装配钢筋混凝土结构；桥墩为柱式墩，基础为承台桩基础。

桥梁中心线与浙东运河中心线交角为108度，相交处对应的桥梁中心线里程K0＋945。运河限界为22m宽×4.5m高，上跨处运河宽23.39m，最高通航水位为3.13m，桥墩结构距河岸最近处为6.54m，梁底距河面最低处为4.76m。

图1-1、图1-2给出了系杆拱桥的主桥总体布置示意图和横断面图。

图1-2系杆拱桥上部结构横断面图

拱肋钢管内泵送混凝土采用C50自密实补偿收缩混凝土，纵梁及横梁采用C50混凝土，预制桥面板采用C40混凝土。下部结构混凝土：墩柱为C40、承台及承台系梁为C35、桩基为C30水下混凝土。预应力钢筋采用公称直径15.2mm的高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值1860MPa，拱肋、风撑钢结构及吊杆配套受力钢结构均采用Q345D钢材吊杆采用挤压锚固钢绞线拉索。

预应力钢束管道采用塑料波纹管

二、施工监控的必要性

2.1这是杭州地铁公司代建的第一个系杆拱项目，没有成熟经验可借鉴，故自接收本工程后，本人差阅大量相关资料，同时向右经验的业内同行请教，到拱肋加工厂靠查，与施工、监理多次进行技术探讨后，明确系杆拱桥中路把控的重点在于施工全过程的监控，监控赢则质量赢，监控败则后果不堪设想，这方面有太多惨痛的教训：

1999年1月重庆綦江县彩虹桥，整座大桥突然垮塌，40人遇难。

2001年11月，四川宜宾南门大桥连接拱体和桥面预制板的4对8根钢缆吊杆断裂，北端长约10m、南端长约20m桥面预制板坍塌。

2011年4月12日，新疆孔雀河大桥发生垮塌事故，桥面长约10m、宽约12m桥面垮塌

2012年12月10日下午6点15分，攀枝花市金沙江倮果大桥一根吊杆突然脱落，导致桥面出现“V”字形塌陷。

2.2系杆拱桥为外部静定、内部高次超静定结构，施工期间，结构体系逐步形成，整体刚度不断变化，为实现对大桥施工期间的线形、内力、应力等内容进行有效的控制和合理调整，需对施工全过程中的各项影响桥梁变形、应力的参数进行测试，及时分析各施工阶段中实测值与设计预测值的差异并找出原因，提出修正对策，并确保全桥建成后的桥梁线形、内力状态达到预定的设计理想状态。

2.3施工监控的目的在于保证施工过程中桥梁结构的内力、截面应力、位移、挠度变化都能处于安全合理的范围内，保证成桥后桥面线形良好，结构受力满足设计要求。

2.4为了实现这个目的，需要根据实际的施工工序，以及现场获取的参数和数据，对桥跨结构进行实时误差分析、结构分析和结构验算，并且根据分析结果及时调整施工控制指令，以确保结构的逐段施工向着理想的方向发展。

施工过程中，结构单元的单元数量、截面特性、截面材料成分都在不断的变化，体系转换前后，其受力体系也有很大变化，这样会导致结构应力和挠度也处于大幅度变化中，再加上施工荷载、环境温度、环境湿度、日照时间等的影响，都可能使得拱桥的施工状态偏离预定目标，而可能处于高应力水平的局部杆件又会危及结构安全。因此，在施工过程中建立施工监控系统，对施工状态进行实时识别（监测）、调整（纠偏）、预测，对设计目标的实现是至关重要的。

2.5施工监测一般包括设计参数监测、几何状态监测、应力监测、温度监测等几个部分。主要通过事先在结构的主要监测部位埋设各种性能各异的传感器，并用相应的测试仪器测得实测数据，并运用结构分析程序，以及误差分析、参数识别系统，对数据进行分析处理，确定每一阶段的施工参数，实现桥跨结构的内力和线形同时达到设计预期值，保证施工质量和安全。同时通过施工监测，为桥梁竣工验收提供重要依据，长期稳定可靠的测试元件也可作为长期监测的设备，为养护维修建立科学的数据档案。

2.6施工控制是对成桥目标进行有效控制，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差，确保成桥后结构受力和线形满足设计要求。

在主桥施工过程中以拱肋、系梁的线型、应力控制为主；

二期恒载施工时及成桥后，以内力控制为主，通过吊杆力的调整，使全桥受力状态达到最优，并使线形尽量达到设计理想状态。

三、施工监控目标

3.1变形控制

3.2应力控制

3.3稳定控制

3.4安全控制

3.5数据控制

3.6施工监控误差范围

根据相关规定，给出了钢管拱肋架设、钢管拱肋混凝土浇筑的允许偏差见，也作为预警阈值，表3.6-1～3.6-2。

表3.6-1钢管拱肋架设实测项目的偏差允许值

表3.6-2钢管拱肋混凝土浇筑实测项目的偏差允许值

注：L为跨径

3.7本桥重难点分析

常规的三拱肋系拱桥，一般为横桥向、纵桥向对称结构，但浙东古运河系杆拱桥平曲线位于半径1000m的圆曲线向直线过渡的缓和曲线起始段，桥梁结构按直线桥设计，适当加宽桥面以适应道路宽度，横向为3片拱肋，左右不等宽，拱肋中心间距分别为16.8m和20.8m。这样导致三片拱肋的受力、吊杆力、横梁受力、系梁受力存在较大差异，整座桥梁的空间效应比较明显，必须对桥梁空间受力特性分析清楚，并在施工监控时有针对性的予以调整。

四、施工监控计算

本项目监控计算采用“MIDAS/Civil”进行空间计算。对本项目桥梁监控计算采用正装法进行计算，整个计算步骤按主桥施工架设过程进行，直至主跨合龙。

4.1监控计算基本内容

监控计算是施工控制的核心依据，利用三维空间结构分析程序计算分析施工全过程、成桥状态的内力及变形等，考虑结构空间的扭转效应对变形和内力的影响。监控计算的成果需要与设计计算结果比较分析，差别应在容许范围内。根据工程进展，监控计算工作主要包括以下内容：

4.1.1计算模型的建立

计算模型是施工监控计算的基础，首先应该尽可能真实模拟设计图纸的各个构造（包括截面和边界条件等），将结构离散，然后根据现场施工方案划分施工阶段，再划分施工阶段的时候应该区分一般施工工况和重点施工工况。

重点工况必需有单独的施工阶段。计算参数在施工计算前期可以结合规范和经验取值，在施工过程中应结合现场实测结构效应，进行参数的识别和修正。

图4.1.1系杆拱桥有限元模型（类似桥梁模型）

本桥计算采用MidasCivil2010建立有限元模型，

其中，拱肋、系杆、横梁、纵向加劲梁、风撑、悬臂段采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元。支座采用一般支承模拟，支架采用节点弹性支承（只受压）模拟。

图4.1.1给出了系杆拱桥的有限元模型。

4.1.2参数影响性分析和施工控制参数的确定

由于各种原因限制，实际结构的刚度、重量等参数可能会和最初拟定的参数有一定差别。利用计算模型计算分析采用不同的参数对施工控制目标的影响，掌握各种参数差别的影响。

参数分析包括：混凝土弹性模量、混凝土容重、预应力参数、温度场等。根据各参数影响量确定一个或几个施工控制参数，作为施工控制过程中参数识别和分析的重点。

4.2监控计算基本阶段

4.2.1施工前仿真计算

根据设计图纸和现场前期收集的资料和荷载等参数，进行施工过程和成桥状态计算，并对设计成桥状态按规范进行成桥各种荷载组合计算，对结构强度、刚度进行验算，得到初步的施工过程理论轨迹和架设前的主要施工控制参数。

监控计算中考虑了结构自重、预应力、混凝土收缩徐变、行车道板重、桥面铺装、吊杆张拉力、汽车荷载、温度作用等因素，其具体参数取值如下：

（1）自重

拱肋、系梁、横梁、纵向加劲梁及风撑采用C50混凝土，容重取26kN/m³；钢管内混凝土容重取25kN/m3，钢绞线容重取78.5kN/m³。

（2）预应力

预应力钢筋采用公称直径15.2mm的高强度低松弛钢绞线，抗拉标准强度值1860MPa。系梁钢束张拉控制应力取为0.65fpk，横梁取0.75fpk（端横梁顶底板束取0.73fpk）；管道采用塑料波纹管，管道摩擦系数取0.17，偏差系数取0.0015；一端锚具回缩值取为6mm；松弛按规范低松弛钢绞线公式计算。

（3）混凝土收缩徐变

考虑全施工过程及成桥后十年的徐变。混凝土的收缩应变计徐变系数均按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）取用，环境相对湿度取0.8。管内混凝土收缩徐变也按一般混凝土考虑，环境相对湿度按取0.9。

（4）二期恒载

混凝土铺装层容重取25kN/m3，沥青层取24kN/m3，护栏每道取12kN/m。

（5）汽车荷载

拱肋、系梁、吊杆按车道荷载计算，横梁、桥面板按车辆荷载计算。拱肋冲击系数按《钢管混凝土拱桥技术规范》确定，其它构件按《通用规范》（D60）定。

（6）温度作用

均匀温度：升温取25度，降温取25度。

混凝土构件梯度温度：系梁及横梁梯度温度模式参照《通规》10cm厚沥青铺装时的规定取用，系梁顶最高升温14度、降温7度，中横梁考虑了20cm现浇层对梯度温度的消减。

（7）吊杆张拉力

表4.2-1设计各阶段吊杆目标索力值（kN）

4.2.2施工过程跟踪计算

施工过程跟踪计算包括阶段施工前的预测计算和阶段施工后的校核和修正计算。

在阶段施工之前，对阶段施工过程中结构的内力和变形进行预测，并作为阶段施工过程控制的目标，在阶段施工完毕之后，需要根据实际的测试和测量结果，得出一组消除各种误差因素后结构的实际状态数据，并与预测值进行对比分析，找出差值，对计算模型进行修正，并重新计算作为后续阶段施工的依据。

如果实测值与计算值有较大差异，需要采用最小偏差理论分析原因并在后续施工过程中考虑采取适当的调整措施。

4.2.3施工阶段划分

系杆拱桥考虑了各主要施工过程以及成桥后汽车荷载、混凝土收缩徐变等，共划分为22个阶段，具体工况见表4.2.3所示。

表4.2.3阶段大桥施工阶段划分

4.2.4成桥运营状态计算

根据各施工各阶段以及成桥状态实测结果，计算桥梁的成桥状态恒载内力和运营阶段荷载组合内力，并与设计成桥内力和线形比较，做出施工监控评价。

五施工监测

施工监测就是通过在施工现场设立的实时测量体系，对施工过程中主桥关键部位的应力、位移和温度进行现场实时跟踪测量，为施工监控计算提供实测数据，以保证主桥施工过程结构的安全，为监控计算提供实测结构参数和校核。即，通过对这些测量数据进行计算、分析和比较，根据需要对结构的参数和状态及监控目标做出必要的调整。

5.1监测项目

表5-1给出了系杆拱桥施工监测项目一览表。

表5-1系杆拱桥施工监测项目一览表

5.2线形检测

5.2.1线形监控网及高程监控基准点复核

建立主桥线形监控网，在监控网中按规范要求测设主桥高程监控基准点，其为理论不动点，由水准基点引测其高程。为防止测点位置移动或破坏，线形测试前需对高程监控基准点进行复核，要求每两个月复测一次。测量采用水准仪进行。

在靠近项目部侧的两个主墩底部上各布设1个基准点（用L型钢材，钻孔植入，并用植筋胶固定），两个基准点相互校核，并定期由水准基点引测其高程。

图5.2.1-1线性监测基准点网置示意图

监测频率：每两个月复测一次。

5.2.2主拱肋线形和位移监测

对主拱脚、主拱肋与端横梁连接处进行变位监测，以监视主拱肋与拱脚处的变位状况，督促做好拱脚端块件的定位、控制工作；

对主拱肋现浇段接头处进行线形与位移监测，真实地把握拱肋的位移情况；对主拱肋、系梁施工过程的结构线形及位移监测，定期测量拱肋线形，并绘出拱肋线形图，避免拱轴线与设计拱轴线发生偏差，对已发生的偏差，及早采取措施进行纠偏处理。

主拱肋线形和位移的监测采用全站仪按坐标法进行测量，在拱肋上共设置5个测点，在系梁上设置3个测点；测量时考虑在拱肋上采用自贴式反射片。

图5.2.2-1给出了系杆拱桥拱肋、系梁线形位移观测点布置示意图。

监测频率为：拱肋安装后每个工况至少实测1次。

图5.2.2-1拱肋、系梁线性位移观测点布置示意图

对于对称点相对高程的监测，方法、测点布置按上述内容执行，监测的频率为每个施工阶段至少监测一次。在出现偏差时，需要进行及时调整，程序按图5.2.2-2进行。

5.2.3吊杆力的监控

对于系杆拱桥而言，桥面荷载及车辆荷载通过纵横梁传递到吊杆上，再由吊杆传递到拱肋上。因此，吊杆力张拉的准确与否，对整体结构受力非常关键。吊杆力的测试考虑采用频谱法，用索力仪进行测定。

采用频谱分析法对吊杆力进行测试，这种方法利用临时紧固在吊杆上的高灵敏度传感器拾取吊杆在环境激振下的脉动信号，经过滤波、放大后进行谱分析，根据频谱图来确定吊杆自振频率，进而求得索力。根据对多座索结构桥梁的索力测试结果的分析，对于较长的吊杆力测试的精度可控制在±5%之内。吊杆力计算可以采用如下的公式：

吊杆力的监控目标：成桥恒载状态下，主桥和吊杆力实测值与理论值应吻合良好，相对误差均较小（≤±5%），吊杆受力合理。

在吊杆张拉时，通过千斤顶的油压表的读数对吊杆参数进行标定，后期通过测试吊杆的振动频率，就可以反算吊杆力。

监测频率：每次张拉后及成桥后均对吊杆进行索力测试。

5.2.4基础沉降定期测量

图5.2.4-1桥墩顶面沉降观测点布置示意图

在主墩承台上顶面各设置8个沉降观测点。基础沉降采用全站仪按坐标法

进行测量。关键工序完成后，就进行测试，以分析施工过程中。桥墩顶面沉降观测点布置示意图如图5.2.4-1。施工过程中，对关键工序，如端横梁与拱脚大节点浇筑完成后、系杆与中横梁浇筑完成后、拱肋与风撑吊装完成后、吊拱肋内混凝土泵送完成后、吊杆张拉后、全桥二期恒载施工完成后，对观测点的沉降进行观测。

5.2.5支架竖向变形量的测量

施工中需要对支架竖向变形进行监测，主要是测试支架预压时的支架顶沉降量，分析其弹性变形与非弹性变形，在拱肋、横梁混凝土浇筑时给出一定的预抛高值；在浇筑混凝土时对支架变形予以监测。

支架的竖向变形量采用水准仪测量，在荷载较大的部位设置沉降观测点。在混凝土浇筑时，用仪器观测支架的下沉、变形，发现下沉、变形速度明显增快时，立即通知停止施工。

监测频率：沿横向拱肋位置布置3个测点，纵向每个2米布置1个断面，在支架预压前、压重分级的每一级、卸载后（含分级）均进行监测。

图5.2.5-1钢管贝雷片平台侧立面图

图5.2.5-2钢管贝雷片平台正立面图

5.3应力测试

结构的应力测试结果一方面用来评价施工质量，另一方面还可用于桥梁施工过程中结构安全和竣工后的跟踪监测，进一步完善桥梁设计理论。

对大跨度钢筋混凝土系杆拱桥而言，由于混凝土材料的非均匀性和不稳定性，受设计参数（如材料特性、密度、截面特性等参数）、施工状况（施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度、时间等参数）和结构分析模型等诸多因素的影响，结构的实际应力与设计应力很难完全吻合，即计算应力不可能准确反映结构的实际应力状态。因此，在预应力混凝土结构的应变实际测试中，通过系统识别、误差分析与处理，使测试应力尽可能地接近于实际，从而较准确地掌握结构的真实应力状态。

为了排除非受力应变，在埋入工作应力计的同时，也埋设无应力计，测试混凝土的非应力应变，再根据混凝土的应力应变关系，可以推算混凝土在不同应力状态下的单轴应变计算公式，从而计算混凝土的应力。

（1）传感器选择

基于系杆拱桥施工工期长、工作量大（测量频繁且须多点同时读数）、现场测试环境差（边施工，边测量），密封、绝缘要求高，温度变化难于预测，因撞击、振捣损坏传感器器件的情况不可避免。同时，还必须设法排除混凝土收缩徐变对测试结果的影响。在整个监测与控制期间，为了不影响桥梁现场施工进度，鉴于同类桥梁施工监控的经验，选用埋入式钢弦应变传感器。目前，工程界普遍认为，埋入式钢弦应变传感器量程大、精度高、零漂和温漂小，自身防护破损的能力好，便于长期观测，是混凝土应变测量较理想的传感元件。

（a）MYB-150混凝土应变计（b）BYB-100混凝土应变计

图5.3-1混凝土应变计照片

图5.3-2ZX-16振弦频率仪

根据拱肋、系梁结构可受到的荷载和温度变化情况，选用埋入式MYB-150混凝土应变计、表面式BYB-100应变计（或同性能产品），这种振弦式传感器抗干扰能力强，远距离输送产生的误差极小，对温度变化所受的影响较小，输出信号为频率，与带有脉冲激发器的频率接收仪配合使用，组成量测系统。具有防水密封可靠，性能稳定，宜于多点远传，适于长期观测等优点。

图4.3-1给出了混凝土应变计的照片，图4.3-2给出频率测试仪的照片。

（2）测试断面及测点布置方案

系杆拱桥应变测试主要测试拱肋及系杆沿桥纵向的正应变，因此，在测试截面的拱肋上下缘及系杆上下缘布置应力测点。

为了准确测量混凝土的应力，需要消除混凝土的温度和收缩等无应力应变影响，为补偿混凝土内部的无应力应变，在施工过程中制作了专门的应力补偿块，在补偿块内布置1个无应力计。

考虑到结构的对称性，实际测试时取其中一孔的中拱肋、另外一孔的边拱肋布置应力测点，应力测试断面布置见图5.3-3所示。其中拱肋设置了三个应力测试断面，分别为拱脚位置（1-1断面）、1/4拱肋位置（2-2断面面）、拱肋跨中位置（3-3断面）；系杆的应力测试也取一孔的中系杆，另外一拱的边系杆，设置了两个应力测试断面，分别为1/4系杆位置（4-4断面）、系杆跨中位置（5-5断面）。选取一根吊杆横梁，在其跨中布置一个测试断面，在截面下缘布置两个应力测点。

图5.3-3主桥应力测试截面示意图

图5.3-4系杆、拱肋应力测试断面测点布置图

各断面应力测点布置见图5.3-4所示，其中拱肋位置每个测试断面布置六个测点，系杆位置每个控制断面布置四个测点，横梁位置每个控制断面布置四个测点。

（3）钢弦应变计埋设

为保证埋设的钢弦应变计有较高的成活率，在操作中尽可能准确地使钢弦应变计与纵向应力方向保持一致。为防止混凝土浇筑过程中传感器的窜位和角度改变，埋设时用扎丝将传感器捆扎在钢筋上。杜绝电焊和混凝土振捣棒与其接触，共计埋设应变计：拱肋54个，中系梁12，边系梁24个，中横梁12个，端横梁12个，全桥合计114个。

（4）测试应力误差分析

混凝土结构的应力是通过应变测量获得的：

桥梁结构的实际状况与理论状况总是存在着一定的误差。

由于混凝土材料的特殊性，测量应力的误差主要来源于混凝土的实际弹性模量的测量和混凝土收缩徐变的计算。为了排除非受力应变，在埋入工作应力计的同时，也埋设无应力计，测试混凝土的非应力应变（主要是指收缩和温度产生的应变），徐变应变需要通过相关计算、经验及分析加以扣除。从实测的总应变中减去无应力计测试的无应力应变和徐变应变计算值，即可得到由应力引起的混凝土应变，再根据混凝土的应力应变关系，可以推算混凝土在不同应力状态下的单轴应变计算公式，从而计算出混凝土的应力。

应力测试工况：应力测点埋设时，测试应力传感器的初值，后面根据施工进度，按变更设计说明和最新施工方案的工况划分，每个工况至少实测1次。

5.4温度场测试

结构受力状态及线形的变化除与结构外荷载状态等因素有关外，还与结构体系的温度场相关。其温度场的变化主要体现在长期季节温差和短期体系温差两种形式上。

长期季节温差主要是由于季节变换（环境气温）而引起结构整体升降温，对结构的影响主要体现在：结构整体升降温及合拢温度监控；

短期体系温差主要指桥梁结构在日照等因素影响下，在结构内部产生不均匀温度场，形成温度梯度。施工过程中，这两种形式的温差将对结构的内力及线形产生重要影响。因此，必须在施工过程中对温度场进行监测。

拱脚混凝土体积相对较大，需对其进行施工中温度监测。选择其中靠近项目部岸侧的拱脚进行监测，测点布置表面点与应变测点位置相同，内部按照中心轴线布置4点。

具体操作如下：

（1）、混凝土浇捣前测出各测温探头的初始温度值，并作好记录。

（2）、混凝土浇捣前测出大气温度及入模混凝土温度并作好记录。

（3）、自混凝土入模至浇捣完毕的四天期间内每隔二小时测温一次，以后每隔四小时测温一次。一般十～十四天后可停止测温，或温度梯度＜20度时，可停止测温。

（4）、每测温一次，应记录、计算每个测温点的升降值及温差

（1）测试工作内容

温度场的测试工作内容主要包括：①环境温度测试；②拱肋、系梁温度场测试。考虑到同类拱桥的测试情况，拱肋与系梁温度场即使测试出来，对施工监控计算的影响也不大。本工程仅对环境温度进行测试。

（2）测试仪器及元件

（a）WDC1智能型温度传感器（b）WDC2智能型温度传感器

图5.4-1温度传感器照片

图5.4-2ZX-100T振弦温度测试仪照片

温度场测试元件采用WDC1、WDC2半导体智能型温度传感器（或同性能产品）进行。图5.4-1给出了温度传感器的照片，图5.4-2给出了ZX-100T振弦温度测试仪（或同性能仪器）的照片。

WDC1、WDC2智能型温度传感器主要性能：精度±0.5℃，稳定性±0.5℃，测量范围-40℃～100℃，线性误差±0.3℃；其测量结果可不受接长导线长度影响。

六其他施工中需要测试的内容

6.1预应力孔道摩阻试验

6.2拱肋密实度检测

6.3钢结构焊缝探伤

6.4钢结构涂层厚度检测

6.5成桥静动载试验

七、效果

目前，系杆拱桥已全部竣工，由于施工前准备充分，施工中、二恒期及成桥等各阶段监控均严格按方案执行到位，外观拱肋的拼接线型优美、焊缝均匀光滑、孔内注浆的密实，吊、系杆索力及内应力检测数据均达到预期效果。从而说明本的施工监控是有效的，值得在以后的同类工程中推广和应用。