监测分析在斜拉桥施工控制中的应用.pdf

62交通科技与管理工程技术0引言斜拉桥因具有优异的跨越能力，在跨江跨海方面表现出较为显著的优势1。然而斜拉桥的施工是一项系统而繁杂的过程，施工过程中的施工工艺和方法、结构的性能、安装张拉索力及施工环境等对成桥后的结构线性和内力状态均有着直接的影响。而斜拉桥在成桥前具有显著的不稳定性，主要表现在施工过程中结构状态随施工进度的开展而不断发生变化。为确保桥梁的顺利合龙，结构状态的变化必须控制在较高精度内，这对建设过程提出了严格的要求。为了解决斜拉桥施工过程中结构状态变化问题，确保达到成桥目标。需要从设计阶段开始便考虑斜拉桥各部位的结构状态，并重点关注施工阶段斜拉桥主塔、斜拉索及主梁的结构状态偏离设计理想状态的幅度。众所周知，理想状态是使得成桥后的结构完全处于设计状态，而实际施工过程中的各种因素的影响导致成桥后的结构状态不可能达到理想状态。因此，引入施工精度可以控制施工中各个部位的结构状态与设计状态之间的偏差。如果不在施工过程中依据施工要求精度对各影响参数加以适当调整，极有可能由于偏差的累积导致结构的实际状态严重偏离设计目标，使得主梁最后难以合龙，且成桥后的桥梁线形和内力不满足符合设计要求。由此可见，在施工过程中对结构的状态进行有效的监测和控制，对于保证顺利成桥具有重要的实际意义。基于此，该文首先阐述斜拉桥施工控制的内容，总结施工控制的重点和难点，由此引申出监测对于斜拉桥施工控制的必要性。其次介绍了监测分析在斜拉桥施工控制中的应用。最后以上海市三林道斜拉桥施工监测为例，详细阐述了监测在斜拉桥施工中的重要性，为斜拉桥施工控制提供监测参考。1施工控制内容1.1主塔施工控制由于影响主塔施工效果的主要因素为索导管的定位情况、几何线形、主塔应变及温度2，故为了确保主塔施工符合设计标准，需重点控制以上因素的动态变化情况。在索导管的定位控制方面，为了提升索导管的定位精度，定位时需要加强斜拉索力学特性对导线坐标的影响监测，同时避免施工过程中索导管剐蹭斜拉索而造成损坏。此外，由于塔柱内劲性骨架受温度影响的波动较大，温度变化引起塔柱的变形，进而导致索导管定位精度降低，故进行索导管定位时须选择气温变化较小的时段，建议在日出前及日落后开展定位工作。在几何线形控制方面，为使主塔施工中及成桥状态下的几何线形满足设计要求，需要从主塔纵桥向和横桥向的水平偏位及竖向压缩量控制主塔整体的几何线形，以确保几何线形变化误差控制在容许范围内。在应变控制方面，主塔应变是反映其是否处于安全状态的最直观的指标，因此，应在主塔关键部位布设应变测点以测试主塔混凝土的变形情况。众所周知，斜拉桥优异的跨越能力很大程度上与主塔高度具有较高的相关性，若要获得更大的跨越长度，则需要建造更高的主塔以确保有效的索拉力。然而较高的主塔在施工过程中其上下部位的温度场差异性是十分明显的，这种主塔高度方向的温度场差异极易导致塔身在空间位置发生显著的偏移。塔身越高，偏移量越大。由此可见，主塔自身温度场变化对主塔施工控制精度的影响不容忽视，为了提升施工控制精度，首先需精准测量出塔身温度场的分布情况，在塔身关键部位埋设温度传感器。其次，当温度场较大且不可避免时，须在塔身混凝土内布设降温循环水管，计算并修正温度影响参数，根据参数调整后续的施工安排。1.2斜拉索施工控制斜拉索的索力情况对于斜拉桥的内力分布有着直接的影响3，因此，张拉是斜拉索施工控制的关键环节。为了获得合理的内力分布状态的斜拉桥，斜拉索张拉过程中需对索力进行动态监测，保证施加索力的正确性。收稿日期：2023-08-12作者简介：张宇航（1995）,男,本科,经济师,研究方向：道路工程。监测分析在斜拉桥施工控制中的应用张宇航,张玖传,张松（葛洲坝集团交通投资有限公司,湖北 武汉 430033）摘要为了解决斜拉桥施工过程中结构状态变化问题，确保达到成桥目标。文章以斜拉桥为研究对象，通过分析施工过程中索塔、斜拉索及主梁结构状态变化，探究监测分析在斜拉桥主塔、斜拉索及主梁施工控制中的应用，为斜拉桥施工监测提供参考。关键词斜拉桥；施工控制；监测分析中图分类号U445文献标识码A文章编号2096-8949（2023）21-0062-052023 年第 4 卷第 21 期63交通科技与管理工程技术建议将千斤顶油压与斜拉索基频索力两者的测试数据进行相互性校核，以油压表和振动式测索仪同时监测索力数据，以确保张拉索力的可靠性。1.3主梁施工控制钢箱梁的制造及拼装的尺寸误差、各节段的重量误差、临时荷载及临时支撑的影响均对主梁的结构状态有着一定的相关性。为了确保主梁的结构处于可控状态，有必要对以上因素进行详细的动态监测。在制造过程中，为了获得允许误差范围内的设计目标线形，须严格控制每个钢箱梁节段的尺寸，精准监测出尺寸的误差，对已制构件的误差进行分析并及时做出调整，在后续批次节段的制造过程中采取相应改性措施以减少整体误差的累积，降低误差对于全桥目标线性的影响，使斜拉桥的线形处于可控状态。在拼装过程中，由于拼装过程所处工作环境较制造环境更差，不确定因素增多。为了保证钢箱梁在容许范围内顺利完成拼装并实现设计目标的几何线形，首先，需要对梁的结构和质量进行实时监控，确保梁的各个部位的尺寸和几何形状达到设计要求，且不存在明显的缺陷和质量问题。其次，由于钢箱梁的拼装过程中需要进行大量的焊接工作，焊接质量对梁的强度和耐久性有着至关重要的影响，因此，需要对焊接过程中的温度、电流、电压等参数进行实时监控，确保焊缝的质量和稳定性。最后，通过对梁的总体拼装过程进行实时监控，确保不同部位的钢箱梁之间的接合处符合设计要求，且拼装后的梁可以满足承载要求和使用需求。除此之外，当钢箱梁拼装完成后，需要进行安装和调整，此时需要进行安装过程的监控，确保梁的位置和角度达到设计要求，且安装后不会出现倾斜和摆动等问题。总的来说，钢箱梁拼装过程中的监控重点是确保梁的结构合理、质量优良、焊接牢固、安装稳固、可以满足使用要求和承载要求，只有在监控各个环节的同时，才能保证钢箱梁的安全性、可靠性和持久性。2施工控制重点在施工中，斜拉桥各个部位的控制均应符合设计要求。为了使得斜拉桥施工阶段和成桥阶段结构状态得到表 1斜拉桥主要部位施工控制精度部位控制因素允许偏差备注主塔塔顶偏位误差H/3 000 mm且 30 mmH 为塔高塔顶偏移最大位移30 mm塔顶高程10 mm斜拉索锚固点高程10 mm斜拉索横向相邻索位置相对误差5 mm索力误差5%FF 为理论计算索力横向两根索力相对误差2%主梁主桥高程L 200 m，20 mmL 200 m，L/10 000 mmL 为桥跨主梁相邻节段标高偏差20 mm主梁轴线偏差20 mm有效控制，须确定施工控制的重点因素。在主塔方面，塔顶偏位、塔顶高程及斜拉索锚固点高程影响着主塔的结构状态以及成桥的合龙施工，作为主塔施工过程中的控制性因素。此外，斜拉索的张拉力、横向相邻索的相对位置，主桥高程、相邻节段标高偏差以及主梁轴线偏差这些关键因素的施工精度均应得到有效的控制。3施工控制难点3.1精度要求高根据施工控制重点因素，现将各因素的控制精度要求列出如表 1 所示。由表 1 可知，为了确保斜拉桥的成桥状态满足设计要求，需要在施工过程中对主塔、斜拉索以及主梁的一系列关键因素进行高精度控制。3.2结构参数多为了使斜拉桥成桥后的结构状态符合设计要求，需要考虑斜拉索及混凝土等材料的弹性模量、材料容重、结构构件的截面尺寸、材料的热膨胀系数、预加应力以及索力等。3.3材料收缩及徐变影响大收缩徐变是混凝土结构的基本特性，混凝土的配合比、环境温度、加载龄期以及荷载大小均对混凝土的收缩徐变有着明显的影响4。特别是用于高次超静定的混合梁斜拉桥时，涉及主梁、主塔、斜拉索的相互作用和分阶段施工、体系转换等因素，使得徐变问题的影响更加显著。3.4环境因素影响大斜拉桥施工中对于施工误差造成影响的环境因素主要有温度的变化及风荷载的影响，其中温度变化主要影响钢箱梁的受力与变形，这种影响随着温度的改变而变化，不同温度下的钢箱梁结构的应力应变状态不尽相同5，这就使得钢箱梁结构在施工阶段变得十分复杂。此外，在风荷载的扰动下，桥梁结构会产生漩涡和流动分离，形成复杂的气流作用力，而风荷载本身属于随机作用，难以准确地预测其对桥梁结构的影响程度。3.5临时荷载的误差在运输及施工过程中，桥面的临时荷载对于受力及变形的影响是不容忽视的，在控制分析中必须将其考虑在内，并根据实际进行合理取值。3.6施工方案的不确定性斜拉桥施工所采用的工艺、方法及安装程序与成桥后的主梁线性及结构恒载内力密切相关。在施工阶段，随着斜拉桥结构和荷载的改变，结构内力和线性也随之不断变化。为了适应其改变，需要依据每个阶段的状况动态调整施工方案，施工方案的改变使得斜拉桥施工变64交通科技与管理工程技术得越加复杂。4斜拉桥监测分析的必要性4.1主塔施工方面的监测主塔作为斜拉桥的支撑点，是斜拉桥结构的骨架和稳定性的关键部分。由于受到风、地震和重荷等自然因素的影响，主塔的变形和破坏很可能导致斜拉桥的倾覆。因此，在斜拉桥的施工过程中，对主塔的监测十分重要。首先，主塔应进行垂直变形的监测。由于主塔高度较高，其受到的温度变化、荷载变化等因素会导致主塔的垂直变形，这会影响到斜拉桥的稳定性。因此，对主塔的垂直变形进行监测，能够及时掌握主塔的状态，以便对斜拉桥进行修复和调整。其次，主塔应进行水平变形的监测。当主塔受到侧向风的冲击或地震等自然因素的影响时，会发生水平变形，这也会影响到斜拉桥的稳定性。因此，对主塔的水平变形进行监测，能够及时发现主塔的变形情况，对斜拉桥进行调整和修复。此外，主塔应进行倾斜角度的监测。当主塔发生倾斜时，会导致斜拉索的张力分布不均，进而导致斜拉索的过载或欠载。因此，主塔的倾斜角度应进行监测，以便及时发现主塔的倾斜情况，对斜拉桥进行修复和调整。4.2斜拉索施工方面的监测分析斜拉桥的主要承载构件为斜拉索，斜拉索的张紧、伸缩和形变都会对斜拉桥的稳定性造成影响。因此，在斜拉桥的施工过程中，对斜拉索的监测也是十分必要的。首先，斜拉索应进行风荷载监测。在斜拉桥的使用中，斜拉索受到的风荷载将直接影响桥梁的稳定性和安全性。因此，斜拉索的风荷载监测是非常重要的，可以及时发现斜拉索的荷载异常情况，以便采取相应的措施，提高斜拉桥的安全性。其次，斜拉索应进行张力监测。斜拉索的张力与桥面支撑力之间的平衡关系是斜拉桥结构的支撑基础。如果斜拉索的张力过大或过小，将导致斜拉桥结构失衡，从而导致斜拉桥的垮塌。因此，对斜拉索的张力进行监测，能够及时发现斜拉索的张力异常情况，对斜拉桥进行修复和调整。此外，斜拉索应进行伸缩监测。由于斜拉桥受到温度等因素的影响，斜拉索存在一定的伸缩变形。因此，对斜拉索的伸缩位移进行监测，能够及时发现斜拉索的变形情况，对斜拉桥进行调整和修复。4.3主梁施工方面的监测分析主梁是斜拉桥的主要承载构件，负责承受行车荷载、风荷载等。主梁的形变和变形都会对斜拉桥的稳定性和安全性造成影响，因此，在斜拉桥的施工过程中，对主梁的监测也显得尤为必要。首先，主梁应进行挠度监测。主梁的挠度对斜拉桥的稳定性影响较大，如果挠度过大，不仅会影响桥梁的安全性，还会影响车辆的行驶。因此，对主梁的挠度进行监测，能够及时发现主梁的异常情况，对斜拉桥进行修复和调整。其次，主梁应进行荷载监测。主梁的荷载是由行驶车辆以及其他荷载造成的，荷载异常将导致主梁的变形和疲劳断裂，从而影响斜拉桥的稳定性和安全性。因此，对主梁的荷载进行监测，能够及时发现荷载异常情况，对斜拉桥进行调整和修复。此外，主梁应进行变形监测。主梁的变形也是影响斜拉桥稳定性的一个重要因素。在斜拉桥的使用中，主梁的变形会影响斜拉桥的张力分布情况，导致斜拉桥的过载或欠载。因此，主梁的变形应进行监测，能够及时发现主梁的变形情况，对斜拉桥进行修复和调整。通过以上对主塔施工、斜拉索施工及主梁施工三个方面的监测讨论，可以看出监测对于斜拉桥施工的必要性。监测可以准确地反映出斜拉桥各部分的异常情况，及时发现问题，做出相应的处理措施。5斜拉桥监测分析系统介绍随着科技的不断发展，监测系统越来越智能，集成各种先进技术，成为斜拉桥安全管理的重要手段。建立斜拉桥监测分析系统能够及时发现桥梁的缺陷和隐患，以避免安全事故的发生。该文将详细介绍斜拉桥监测分析系统的构成、原理、数据的处理与分析等内容。5.1斜拉桥监测分析系统的构成5.1.1结构传感器系统结构传感器系统是斜拉桥监测分析系统的核心组成部分，其主要作用是通过精密的传感器来采集桥梁结构的应力、应变、挠度及温度等数据。传感器的种类较多，根据其测量的物理量不同可以分为拉力型、挠度型、应变型、温度型四大类。各类传感器可根据需要任意组合搭配，以确保对斜拉桥各部位的全面监测。5.1.2数据采集系统数据采集系统是负责采集结构传感器系统的数据信息，由数据采集仪器与数据传输设备两部分组成。数据采集仪器是实现数据采集、存储、处理、传输等多项功能的核心装置，数据传输设备则负责将采集到的数据信息通过网络、广播等方式传输至后台数据管理系统。数据采集系统的性能、稳定性和可靠性，直接影响到斜拉桥监测系统的监测效果。5.1.3数据管理与分析系统数据管理与分析系统是指后台管理人员负责将采集到的数据进行统计、分析、处理、预测和预警等工作，从而了解斜拉桥结构的健康状况，及时发现可能存在的问题和隐患。设备管理模块能够延长设备寿命、保证设备正常运行；桥梁状态监测模块能够实时监测斜拉桥状态，帮助管理人员及时发现问题，提供有效的保障维护措施；数据分析与处理模块能够实现数据的统计、分析和处理，提出合理的维修建议，为桥梁的安全运转提供了重要保障。65交通科技与管理工程技术5.2斜拉桥监测分析系统原理斜拉桥监测分析系统的基本原理是根据这样一个事实，即当斜拉桥受到外力时，所形成的应力、变形等可以通过一系列传感器采集，并通过高科技软件进行处理、分析，从而得到早期预警、智能评估、预防性维护等一系列应对措施。5.3斜拉桥监测分析系统数据的处理与分析5.3.1数据采集系统采集的数据是非常丰富的，包括温度、应力、振动等一系列数据。其中，丰富的数据有利于有效地建立模型，分析和预测桥梁的健康状态，从而及时发现隐患，保证桥梁的正常运行。5.3.2数据分析数据分析是斜拉桥监测分析系统的关键环节之一。监测系统采集的数据，需要通过统计分析、数据挖掘等手段对原始数据进行处理，目的是找到隐藏在数据中的规律。通常在数据分析工作中，首先是根据采集的数据对桥梁基本信息进行分析，确定桥梁内应变、应力、温度及振动等测量点，随后分别分析桥梁各个部位的安全状态。5.3.3数据模型建模是模型数据分析的关键部分之一，通过适当的模型能够更加准确地预测斜拉桥的健康状态。建立斜拉桥的健康状态计算模型，需要考虑桥梁构造、参数选择等因素。常用的建模方法主要包括贝叶斯网络、人工神经网络、逻辑回归、支持向量机等。5.3.4数据预测根据数据模型与历史数据，预测斜拉桥未来可能发生的情况，如判断维修等候时机、预测未来的设备问题等。5.4斜拉桥监测分析系统的优越性5.4.1重要性为了确保斜拉桥的安全运行，斜拉桥监测分析系统成为桥梁管理的关键手段之一。在任何时候，桥梁的健康状况都需要监测并进行释疑处理，斜拉桥监测分析系统可以保证桥梁的正常运行，同时也可以避免管理成本和时间的浪费。5.4.2科技性斜拉桥监测分析系统采用了多种先进技术，包括传感器技术、数据采集和网络通讯技术、计算机和数据库管理技术、数据分析和处理技术等。这些技术的应用，使斜拉桥监测分析系统成为一款高科技的智能系统，能够更快、更精确地获取斜拉桥的健康信息。5.4.3高精度斜拉桥监测分析系统的传感器具有良好的测量精度，能够实时采集桥梁的结构应变、挠度、温度等数据，并将这些数据通过网络进行传输，确保数据获取的准确性和及时性，使后续的数据分析和预测更加精准、客观。5.4.4高效性斜拉桥监测分析系统可以在最短时间内获得大量数据，并经过数据模型的处理进行预测，能够及时发现可能存在的隐患和问题，提出合理的维护措施，最大限度地保护斜拉桥的安全性，使它能够长时间稳定运行。综上所述，斜拉桥监测分析系统因其高科技、高精度、高效率等优越性，使得对斜拉桥的真正“无休止监控”能够成为现实，确保斜拉桥的安全建成。6斜拉桥的施工实践三林道斜拉桥是一座双塔双索面斜拉桥，该桥采用了混凝土墩、钢筋混凝土梁、双索斜拉索等结构形式，是一座大型的斜拉桥工程。在施工过程中，采用了多种检测方法和技术，对索塔、斜拉索和主梁进行了全面的监测和分析。6.1主塔监测在三林道斜拉桥施工过程中，选择了全埋式组合钢板桩作为主塔基础支撑，安装主塔斜撑来支撑主塔外侧构件，并在主塔吊装后进行了主塔的静载试验，以保证主塔的稳定性。此外，还对主塔进行了形变和应力的实时监测，以确保主塔不受外力影响发生形变和应力失控。为了保证主塔监测数据的准确性和及时性，三林道斜拉桥使用了高精度自动变形监测系统，将主塔的位移、形变和应力等数据实时传输到监测中心，并及时报警。通过对主塔监测数据的分析和处理，工程师可以及时发现主塔的异常情况，并采取相应的措施进行调整和修补，以提高主塔的稳定性和安全性。6.2斜拉索监测在三林道斜拉桥的施工过程中，使用了高强度钢丝绳作为斜拉索材料，并采用了预应力拉紧的方式进行斜拉索的拉力控制。通过对斜拉索的拉力和应变进行实时监测，及时发现和排除拉力不足和应力过大等问题，可以有效保证斜拉索的安全使用。在斜拉索的监测过程中，三林道斜拉桥采用了全埋式布点监测系统，可以实时监测斜拉索的张力、应变、位移等因素，以对斜拉索进行全面的安全检测。通过高效的监测系统，能够有效保证斜拉索的稳定性和安全性。6.3主梁结构监测在三林道斜拉桥施工过程中，不仅对主塔和斜拉索进行了监测，还对主梁结构进行了实时跟踪和监测，旨在发现和排除主梁结构的隐患，确保桥梁的长期可靠运行。在主梁结构的监测中，三林道斜拉桥采用了高精度照片测量系统和全站仪监测系统，可以准确测量主梁结构的形变、位移和应力等数据，并在监测中心实时显示和处理监测数据，及时发现和排除主梁结构的异常情况。此外，在施工过程中，还对主梁结构进行了全面的静荷试验和动荷试验，以保证主梁整体稳定性和安全性。通过有效的监测和测试，可以及时发现和排除主梁结构的异常情况，保证三林道斜拉桥的安全使用和长期可靠运行。综上所述，主塔监测、斜拉索监测和主梁结构监测是保证三林道斜拉桥稳定性和安全性的重要环节。通过66交通科技与管理工程技术合理地采用监测系统，可以有效地发现和排除各种异常情况，保证桥梁的安全使用。未来，随着技术水平的不断提高，相信三林道斜拉桥将会更加安全可靠。7结论通过从主塔、斜拉索及主梁施工的角度对斜拉桥施工内容进行梳理，结合工程实例得出如下结论：（1）斜拉桥施工过程复杂、重点多、难度大、控制精度高，这一系列问题对斜拉桥施工提出了很高的要求。（2）施工监测能够较好地反映施工过程中桥梁各部分的状态，对于解决施工一系列问题具有现实指导意义。（3）及时监测是记录斜拉桥施工过程的动态性能和状态的有效途径。通过定期检查和对监测数据的分析，可以及时发现斜拉桥存在的问题，并采取措施处理。从长期的角度来看，这种监测方式有助于提高斜拉桥的结构稳定性。（4）在进行监测和分析工作时，需要采用多种现代化监测和分析技术，以确保监测结果的准确性和可靠性。因此，在今后斜拉桥建设和维护过程中，需要重视监测和分析工作，对斜拉桥进行全方位的安全性评估和预测，以确保桥梁的长期稳定和安全性。参考文献1Yongqiang G,Xiuhong W.Study on the construction process management and control of cable stayed bridge based on MIDASC/International Conference on E-Health Networking,Digital Ecosystems and Technologie,EDT 2010.2Wu J,Frangopol D M,Soliman M.Geometry control simulation for long-span steel cable-stayed bridges based on geometrically nonlinear analysisJ.Engineering Structures,2015(may 1):71-82.3B L Z A,C G Q,D Z C.Structural health monitoring methods of cables in cable-stayed bridge:A review-ScienceDirectJ.Measurement,2020:108343.4 陈灿明,黄卫兰,王宏,等.大跨径桥梁高强混凝土收缩徐变特性研究 J.水利水运工程学报,2010(4):62-67.5Hailong L,Wenliang Y,Changchun Z,et al.Research on Key Technology of Steel Box Girder in Maputo BridgeJ.Construction Technology,2018.表 3各车站土方开挖工况汇总表车站名称开挖深度610 m时间间隔/d开挖深度1014 m时间间隔/d开挖深度14 m 封底时间间隔/d开挖深度6 m 封底时间间隔/d狮山路站25.317.921.464.6玉山路站29.38.919.457.6星湖街站16.620.327.464.3长江路站31.022.222.375.4塔园路站29.523.923.576.9从表 3 中可以看出，一般车站基坑开挖深度 610 m时间间隔较长，14 m 底板封闭时间间隔次之，开挖深度1014 m 时间间隔最短，每个部位对应的开挖深度从 6 m底板封闭时间间隔为 5777 d 不等。4结论与建议根据5个车站的测斜数据和基坑开挖工况进行分析，苏州处于软土地层的车站深基坑测斜控制可以按以下经验进行控制：（1）深度 6 m 时 5 mm，深度 10 m 时 10 mm，深度14 m 时 20 mm，底板封闭时 30 mm。（2）由于随着基坑开挖深度的增加，围护结构的变形速率加快，因此基坑深度超过 10 m 后应加快基坑开挖及底板浇筑，防止围护结构变形过大超过报警值，影响基坑安全。参考文献1 陈涛,宋静,翟超.考虑时空效应软土地区深基坑开挖变形分析 J.岩土工程技术,2019(3):149-153+187.2 吴刚,杨志浩.软土深基坑开挖超大变形预警与应急处置分析 J.山西建筑,2022(6):1-4.3 陈攀.基于时空效应软土深基坑开挖施工监测变形研究 J.黑龙江交通科技,2021(11):115-116+119.（上接第 69 页）