监控测量在系杆拱桥施工中的应用

摘 要：介绍了监控测量在系杆拱桥中的应用和监控要点。

关键词：系杆拱桥；监控

1、前言

早期施工的系杆拱桥，在经过十余年的运营后，往往会出现部份吊杆索老化、桥梁承载力降低的现象。这是因为在系杆拱桥施工过程中，由于拱肋的预制与安装误差；温差的影响；砼浇注的质量；砼的弹性模量、容重、收缩与徐变的影响；系杆支架变形的影响；吊杆的安装与张拉误差等因素导致下承式预应力砼系杆拱桥桥梁线形不顺或结构内力不均。当上述各因素与设计取值之间存在差异，而又不能及时识别是控制参数偏离的主要原因，需根据施工监测数据对施工过程进行及时修正。

焦港河夏堡大桥位于如皋市境内，上跨焦港河。桥梁跨径采用20+55+20m组合，主跨为跨径53m、净矢高11.7m的下承式钢筋砼系杆拱桥，拱轴线为二次抛物线，矢跨比1/4.53。在本工程施工的时候，我们会通过施工监测与控制的有机结合，来调整控制桥梁的线形，尽量使桥跨结构的线形接近或达到设计预期值，保证全桥主要控制截面应力值在整个施工过程中处于安全范围内，确保桥梁施工安全和正常运营。

2、监控的目的

系杆拱桥和悬浇梁、斜拉桥等的施工控制不同，钢筋砼系杆拱桥一旦立模或构件拼装后，无法像悬浇梁桥那样可以通过调整挂篮的标高来调整线形，而通过吊杆张拉对系杆高程的调整也是很有限的，因此只能在立模或拼装前给出精确的预拱度值。不然，就可能使桥梁出现折线线形，还可能改变结构受力状态，影响结构安全。本工程采用自适应控制的监控方法，即在施工前监控单位介入，通过施工过程中的反馈测量数据，不断更正用于施工控制的跟踪分析程序的相关参数，使计算分析程序适应实际施工过程，当计算分析程序能够比较准确地反映实际施工过程后，以计算分析程序指导以后的施工过程。由于经过自适应过程，计算程序已经与实际施工过程比较吻合，从而可以达到线形控制目的。其基本步骤如下：

2.1利用Midas Civil2012桥梁结构分析系统软件，以设计成桥状态为目标，按照设计参数及施工工况建立有限元模型，并进行计算。确定成桥后的挠度及各构件受力状态。确定每一施工步骤应达到的分期目标，并建立施工过程跟踪分析

程序。

2.2根据分期目标组织施工，给出系杆支架预拱度值、拱肋预制时的预拱度值；并测量实际结构的变形等数据。

2.3根据实测数据分析和调整各计算参数，以调整后的参数重新确定以后各施工步骤的分目标，建立新的跟踪分析程序。

2.4反复上述过程即可使跟踪分析程序的计算与实际施工相吻合，各分目标也成为可实现的目标，从而利用跟踪分析程序来指导以后的施工过程和必要的调整与控制。

下承式砼系杆拱的施工控制通过施工中主梁标高、截面尺寸和弹性模量等数据采集，在对所得到的数据进行误差分析后，不断地修正设计参数，使标高的计算值与实测值之差不断缩小，从而使得计算程序把握住目前的施工过程，进而预估将来的施工状况，达到施工控制的目的。

3、监控方法

3.1结构变形监测

为确保本桥成桥线形和施工质量，在整个施工过程中，需对系杆、拱肋的标高和挠度变化情况进行监测，保证成桥线形符合设计要求。

（1）测点布设

为实时监测系杆和拱肋在整个施工过程中的线形，施工监控过程中需对拱肋和系杆的高程进行观测。在拱肋对应各吊杆位置处主拱截面形心处布置反射片，上下游共布置18个反射片；在系杆顶面对应吊杆位置处布置水准测点，在右两幅系杆共18个水准测点。

（2）测试方法和仪器

拱肋控制点高程采用全站仪进行观测，通过测量站点与反射片间的距离及水平角度，推算出反射片位置的高程。拱肋安装前需对安装支架进行测量，确保安装支座高程符合要求；拱肋安装后需进行复核；吊杆张拉后需进行校验。系杆顶面高程控制点采用精密水准仪进行测量。通过测出砼浇筑前立模标高，再测出后续工况梁顶控制点标高变化量，最终得出各工况梁段控制点绝对标高。

为了消除日照温差引起的梁体不规则变化，线形测量选择在温度变化小，气候稳定的时间段进行，并且尽可能地缩短测量工作持续时间。一般在早上9前完成。在气温较低、日照较弱的天气可适当的放松时间要求。

3.2拱肋、系杆应力监测

系杆拱桥拱肋、系杆等都是主要的受力构件，其各部位受力情况关系到结构是否安全，因此，必须在关键截面和关键部位设置应力测点，以监测其应力变化情况，并且和设计计算值进行比较，检查其应力是否超限，方便及时进行施工预警，保障施工安全。

（1）测点布设及编号

拱肋应力测点布设：主跨拱肋应力测试控制截面布设4个，分别为拱肋L/4断面和拱脚断面，共计8个主跨拱肋应力控制截面，每个控制截面应力测点上下布设2个，需要应变应力传感器16个。拱肋采用分段预制，因此需在拱肋预制时埋设在相应的段落截面位置，传感器通过铁丝牢固绑扎在截面受力主筋上，对数据线做好保护，防止损坏。

系杆应力测点布设：系杆1/4断面、跨中断面布设应力测点3个，共计6个应力测试断面，每个应力测试断面应力测点上下布设2个埋入式砼应变应力测点，在系杆立模前需埋设应变应力传感器12个。

（2）测量方法

考虑到要适合长期施工过程观测并能保证足够的精度，选用长期性、稳定性较好、精度较高的振弦式应变计和配套的振弦式读数仪进行应力测试。

3.3温度监测

系杆、拱肋的温度监测同应力监测，所有监测点中均带有温度传感器，在应力测试的同时可以进行温度监控。

3.4吊杆力监测

（1）测点布设

吊杆力测试，吊杆采用千斤顶和脉动法进行吊杆力测量，每个吊杆上布设一个测点，共计18个吊杆力测点。

（2）方法和仪器

采用千斤顶张拉和脉动法（或称频谱分析法）综合测试。在施工过程中须严格准确控千斤顶张拉力，确保吊杆张拉力满足要求。千斤顶及油表施工前需经有资质的单位配套校验。

4、施工监控数据分析

4.1应力监测结果分析

4.1.1分析原理

采用振弦式读数仪读取应变计的频率，根据频率和应变转换计算公式计算该处砼的应变，最后与砼弹性模量相乘得到应力。截面应力σ由实测的应变按下式求得：σ=E*ε

式中：ε-实测应变（με）

E-材料弹性模量（MPa）

4.1.2系杆应力监测

系杆作为系杆拱桥主要的受力构件之一，其应力作为施工监控的重要内容，衡量其施工过程是否安全可靠。

根据测设的各工况下的截面应变计算应力，按各截面绘制出应力随工况的变化图。以各主要施工阶段为横坐标，对应的应力值为纵坐标。如图示。

经过对监测数据分析，本工程系杆应力变化与理论值变化趋势一致，且应力大小均在施工安全范围内。

4.1.3拱肋应力监测

拱肋成拱后，属于受压构件。拱肋应力监测主要用于监测施工过程安全，不作为主要控制指标，应力测点布置分别在拱脚和L/4截面处，全程监测施工过程中拱肋应力是否处于安全范围内。

4.2系杆变位监测

4.2.1系杆现浇监测

系杆采用支架现浇施工，系杆现浇阶段监控主要为根据支架预压数据提供预测的系杆现浇底模标高，控制系杆的线形，然后对系杆进行沉降监测。施工前需对支架进行1.2倍梁重预压，根据施工方案、支架变形值及成桥后的受力状态计算支架各部位的控制高程，提供施工预拱度。

4.2.2体系转换系杆监测

体系转换过程主要针对系杆在预应力张拉、浇筑中横梁、吊杆张拉、桥面板安装、支架拆除和桥面铺装等工况过程进行监控，在每一吊杆处设置观测点，通过监测吊杆的位移，可以间接监测支架的稳定性。

4.3吊杆索力监测

主桥在系杆支架拆除后、成桥后分别测量了所有吊杆索力，如表4.3.1、4.3.2

表4.3.1主桥吊杆力实测数据（KN）

注：“-”由于1#、9#吊杆距离拱脚较近，边界条件复杂，实测数据异常。

表4.3.2主桥吊杆力实测数据（KN）

由成桥后实测数据可知：D5实测索力值与理论值相比，误差超过10%，需进行调整。由于D5索力值为正，而D6索力值为负，且偏差也较大，因此对D5、D6同时进行调整。D5、D6吊杆索重新张拉，调整索力值，使之符合监控要求。调整完成后，再次对全部吊杆重新测试，结果符合技术要求。

正是因为吊杆索力的调整，才保证了全桥吊杆受力均匀。

5、结束语

在系杆拱桥施工过程中，监控人员通过测量系杆、拱肋位移、应力，在张拉吊杆前后、成桥后监测了索力变化。施工监控以系杆、拱肋位移和应力为主要监控指标，确保了施工过程中结构的安全，避免在成桥以后，各吊杆受力不均匀，导致吊杆索过早老化，从而延长了系杆拱桥使用寿命。由此可见，监控测量在系杆拱桥的施工过程中是十分必要的。

参考文献：

1、《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）

2、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）

3、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）

4、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）

5、《焦港河夏堡大桥施工监控报告》江苏中基，2015.03