大跨径钢管混凝土拱桥施工监控研究

段鋆 何佳

桥梁施工监控不仅是桥梁施工技术的重要组成部分，而且也是实施难度相对较大的部分。对不同体系、不同施工方法、不同材料等的桥梁，其施工监控技术要求也不一样。

大跨径钢管混凝土拱桥是一种自架设体系结构，与其他类型桥梁不同的地方是它的刚度和强度是逐渐组合形成的，它的内力状态也是不断变化的。在空钢管拱肋架设过程中如果不加以控制和调整，拱肋的标高将偏离设计目标，造成合龙困难，从而影响成桥的内力和线形，而且在架设过程中也存在结构整体、局部失稳及内力超标现象，需要对此进行监测和预警。

总之，为了保证钢管混凝土拱桥施工的安全和施工质量，使桥梁各阶段的内力和线形最大限度地接近设计期望，需要进行桥梁施工监控。本文结合四川合江长江一桥探讨并研究了大跨径钢管混凝土拱桥施工监控的主要内容。

1 工程概况

合江长江一桥位于成渝地区环线合江—纳溪段公路LJ2合同段。全桥跨径组合为10×20 m(引桥)+530 m(主孔跨度)+4×20 m(引桥);引桥为预应力钢筋混凝土带翼小箱梁;主跨为钢管混凝土中承式拱桥，桥面梁为“工”形格子梁，桥面板为钢—混凝土组合桥面板，主桥吊杆间距为14.3 m。主桥长530 m，引桥长311.8 m，全桥长840.89 m。在同类型桥梁中，其跨度位居世界第一。桥面净宽:2×10.75 m+2×1.75 m(人行道)+2×0.5 m(栏杆)+2 m(中央分隔带)，全宽为28 m。大桥立面图如图1所示。

图1 合江长江一桥立面图

拱肋为钢管混凝土桁架结构，主孔跨度为530 m，净矢跨比为1/4.5，拱轴系数为1.45。桥面梁由两道主纵梁(吊杆处)、三道次纵梁、吊杆处主横梁、吊杆主横梁间设置的四道次横梁组成格子桥面梁;主、次纵横梁均采用“工”形截面。

2 施工监控的目的及原则

2.1 施工监控的目的

围绕合江长江一桥的成桥线形与内力分布的最终设计目标，以大桥建设过程中的安全、进度和质量控制为准则，根据大桥施工过程中对于各阶段主拱肋标高、轴线偏位、内力(应力)等监测数据，实时分析实测数据与预测值的差异，并根据实际情况对设计参数进行必要的修正，确保桥梁施工中的安全和顺利合龙，并使结构内力处于最优状态，以及成桥线形符合设计及现行规范要求。

2.2 施工监控的原则

合江长江一桥施工监控以线形控制为主，应力监控为辅(但要控制在允许的范围内)。

2.2.1 线形监控的原则

线形控制主要是主拱肋的标高、拱肋横向偏位和桥面标高的控制。主拱肋线形主要是拱肋节段安装过程中各个观测高程点的控制，一方面要满足成拱后的拱轴线形要求，另一方面要尽可能避免松索成拱后出现较大的马鞍形。理想状态为松索成拱后与一次成拱线形一致。由于制造、运输以及安装误差等影响，拱肋将产生一定的变形，钢管成拱后拱轴线可能偏离设计的理想拱轴线，即拱肋在平面内、外均存在初始的挠度。拱肋轴线横向偏位调节依靠调整拱肋侧风缆长度来调节。桥面标高是施工控制的另外一个监控重点，应根据合江长江一桥施工进程，分析在当前状态下主拱的变形，并预测后续施工对主拱和吊杆变形的影响，计算出吊杆下料长度，保证桥面线形的精度。

2.2.2 应力监控的原则

反映合江长江一桥施工过程中受力的情况主要包括主拱截面的应力和索力。钢管混凝土拱桥的结构和体系是逐渐形成的，因此，在受力方面主要体现为应力值的叠加，具体又反映在钢管和管内混凝土两个方面。对此，可以通过在钢管表面和管内混凝土中埋设传感器来监测。缆索吊装系统的扣索索力，主要是反映实际拱肋高程，索力越大，相应的拱肋高程值也越大。从已有的监控结果来看，扣索索力计算时需考虑扣索垂度的影响，一般采用Ernst公式进行修正。实际的扣索索力可以通过索力仪来监测。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，应在施工监控过程中对结构参数进行识别和预测，建立准确的结构计算分析模型;考虑外界的环境因素(温度、湿度等)、施工附加荷载等对实测应力、变形的影响;考虑材料的收缩、徐变产生的应力和变形测量系统。通过上述措施使所测得的应力和变形能正确反映结构的实际状态，从而为后续施工提供可靠的依据。

3 施工控制计算

由于桥梁的设计和施工中存在着这两种既不相同又互相联系的计算过程，并且在实际工作中这两类计算可能采用不同的计算模型。因此，首先要校核设计计算与施工控制计算的闭合性，在两者计算结论基本一致的前提下，再开展施工控制计算，否则，应与设计人员一起核对两种计算过程，找出并解决存在的问题。

施工控制计算可分为两个阶段进行:

第一个阶段就是计划工作阶段，这个阶段主要是考虑实际的施工步骤、方法、临时结构、临时施工荷载等，做更真实的模拟，并进行合理的调整，最后根据计算结果提出拱肋、主梁安装预测位置等。第二个阶段是现场实时计算阶段，这个阶段的主要工作是在前一个阶段工作的基础上，随着施工过程的进行，根据现场的实测参数、误差分析结果等对模型进行修改，并对现场的施工控制目标进行必要的调整。

4 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，对施工过程中结构的内力、位移(线形)、索力和温度进行现场实时跟踪测量，为施工监控工作提供实测数据，以保证桥梁施工过程中结构的安全。也就是说，通过对这些测量数据进行计算、分析和比较以判断结构是否符合设计的要求，结构的状态是否和监控的目标相一致，结构是否处于安全状态，并根据需要对结构的状态及监控目标作出必要的调整。

合江长江一桥的施工监测系统由应力、几何、索力、温度等参量，主拱、主梁、扣索、吊杆、吊塔系统等构件(施工设施)组成。

4.1 应力监测

结构应力监测是一个重要监测内容。通过应力监测，可知道结构受力状况，及时判定结构应力是否超限，从而可知道结构的安全状况。该项监测在每一个重要的施工阶段都要进行，并贯穿整个施工过程。

合江长江一桥的应力监测主要包括主拱、桥面系、吊塔、扣塔等结构的应力监测。

应力监测点的布置原则是对关键部位重点、详细测试，并布置一定的校核点，对其他部位的测点，参照施工控制计算结果，进行测点布置，并结合关键部位的数据进行监测。主拱拱肋应力监测是应力监测中的重点，拱肋测点一般应布置在两个拱脚，拱顶，L/4，3L/8，3L/4 等处。

4.2 几何监测

几何形态监测的主要目的是获取或识别已成结构的几何形态，及时直观地评价桥梁施工状态，为施工控制的线形误差提供测试数据。结构几何监测是施工监控中最重要的反馈指标之一。在每一主要施工工况作用前后，都需采用全站仪对各控制点的标高和位移进行测试。

合江长江一桥的几何监测主要包括水准点和控制网的复测、主拱线形监测、拱座及地锚水平位移测试、扣塔和吊塔的偏位监测。

4.3 索力监测

合江长江一桥扣塔和吊塔是该桥施工中最主要的临时设施，索力的大小直接关系到拱肋安装中节段高程、塔顶水平偏位以及松索成拱拱肋的变形。

在试吊和拱肋安装过程中，每吊装一个节段就应监测一次索力，索力的监测将贯穿整个拱肋的安装过程，直至扣索拆除。在桥面系安装时，要同步监测吊杆索力，直至桥面铺装完成。

4.4 温度监测

温度对于桥梁结构的应力、线形具有重要的影响，特别是钢管混凝土拱桥，温度对其位移的影响很显著。通过温度监测，可以分析并预测温度对施工过程中主拱变形的影响和对主桥施工阶段的影响，以确保本桥跨季节施工和全天候施工。

关键施工工序比如主拱合龙前需要进行24 h连续测量，本桥设计合龙温度在18℃左右，依据记录的温度，在比较稳定的温度区段，选择合适的温度进行合龙。

5 施工控制实施体系

施工监控是一项具有较大难度的施工技术问题，它涉及监理、设计、施工单位的实际工作内容，应由各方成立施工监控领导小组，分析并解决施工控制过程中出现的问题。施工控制实施体系如图2所示。

图2 施工控制实施体系图

6 结语

为避免突发事故的出现，按期、安全地建成一座桥梁，施工监控是有力的保证。同时，高效、团结、协作的团队是监控技术方案的重要保证措施。在大跨径钢管混凝土拱桥施工过程中，应建立有效的施工监控系统，按照施工的进程进行实时监测，及时掌握结构的真实状态，保证施工的安全和精度。

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