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斜拉桥施工阶段监测监控的内容和方法文武松，王邦楣6 3斜拉桥施工阶段监测监控的内容和方法文武松1，王邦楣2(1 铁道部大桥局芜湖桥指挥部，安徽芜湖2 4 l 0 0 1；2 铁道部大桥局桥科院，湖北武汉4 3 0 0 3 4)摘要：基于铁道部大桥工程局桥梁科学研究院对近年来一些大型斜拉桥施工监测监控工作的总结，介绍了监测监控机构及其监控管理，斜拉桥在施工阶段监测监控的内容和方法，阐述了监测监控的实施原则及其重要性，并对监测结果提出了具体要求。关键词：斜拉桥；桥梁观测；施工监控；监控系统中图分类号：U 4 4 5 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 4 7 2 2(1 9 9 9)0 4 一0 0 6 3 一0 8l 引言在桥梁工程中，随着技术水平的提高，跨度不断增大，结构型式也愈趋复杂，工艺越来越先进。为确保桥梁施工安全顺利，施工过程中的监测监控受到了工程师的高度重视。近几年，桥梁科学研究院相继承担了一些大型桥梁在施工阶段的监测监控工作 2 3 ，获得了丰富的实践经验。基于前段工作的总结，下面介绍一些斜拉桥在施工阶段监测监控的内容和方法、监测监控的实施原则及其重要性，并且对监测结果提出一些具体要求。2 桥梁施工阶段的监测监控桥梁施工阶段的控制是一个系统工程，主要包括二部分。一部分是数据采集系统，即监测；另一部分是数据分析处理系统，即监控。前者是利用事先在塔、梁和拉索等主要部位埋设数种性能各异的传感器和相关的测试仪器获得大量的数据，包括几何参量和力学参量。监控则是利用高效计算机程序，对数据进行分析处理，并确定下一个阶段的施工参数。通过二者的有机结合，调整控制桥梁的内力和线形，实现桥跨结构的内力和线形同时达到设计预期值，确保桥梁施工安全和正常运营，并保证具有优美的外观形状 4 5 6 。3 监测监控组织机构及其监控管理监测监控是一项集测试、计算、分析、决策于一体的智能行为，必须要有完善的组织上的保证。一般情况下，均应成立起指导作用的监测监控专家顾问组，其成员至少由包括教授级高工在内的5 名高级技术人员组成。另外，根据具体项目的工作内容和特点，必须成立监测监控项目组。二者的工作关系详见图1。顾问组曳括教授级高工在内的5 名高级技术人员变形测量组监测监控项目组温度测量组应力测量组索力测量组监控计算小组图l 组织机构及其工作关系考虑到斜拉桥的施工工艺很复杂，难度也较大，因此，除了上述监测监控组织机构的保证之外，尚应成立集管理、设计、施工、测试等工程技术人员共同参加的技术工作组。其主要任务是实施监控管理，工作流程详见图2 7 8 。4 施工阶段监测监控的内容和方法斜拉桥是高次超静定结构，它对成桥线形有较严的要求，每个节点坐标的变化都会影响结构内力的分配。桥梁线形一旦偏离设计值，势必导致内力偏离设计值。另外，主梁、索塔和拉索之间刚度相差十分悬殊，受拉索垂度、温度变化、风力和日照影响、施工临时荷载、混凝土收缩徐变等复杂因素干扰等等，使力与变形的关系十分复杂。在施工理论计算中，虽然可以采用多种计算方法，算出各施工阶段或步骤的索力和相应的梁体变形，收稿日期：1 9 9 9 一0 8 一0 2作者简介：文武松(1 9 6 4 一)，男，高级工程师，1 9 8 6 年毕业于河海大学工程力学专业，工学学士，1 9 8 9 年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学硕士，现为西南交通大学桥梁专业博士研究生。万方数据万方数据斜拉桥施工阶段监测监控的内容和方法文武松，王邦楣6 5据观测头中液面状态及其变化测定观测点的高程和变化量。这种方法不仅可以求得主梁在观测时的瞬时高程和挠度状态，而且还可以进行连续跟踪观测，这一点对于成桥状态的荷载试验显得更为重要。中线测量是观测已施工节段的中线点相对于桥轴线的偏距。由于梁体受混凝土徐变和现浇段超重以及施工偏差、塔柱扭转等因素的影响，容易造成梁体产生局部变形或引起整个梁体偏离桥梁中心线。为了保证边、中跨按设计中线正确合龙，必须控制主梁中线偏差值，一般不应偏离上下游各1c m。中线测量的一般方法是将经纬仪安置在。号块主梁中心点上，以另一墩主梁中心线后视点定向。对于与后视方向同侧的主梁中线测量，可采用视准线法直接利用小钢尺测量每一块主梁中心点的偏离值；对于与后视方向异侧的主梁中线测量，则采用正、倒镜观测法，依次测量每一块主梁中心点的偏离值，最后取两次结果的平均值作为该块主梁中心点的偏离值。后者也可采用正倒镜观测确定最前端一块主梁的中心线方向，再以此方向定向，依视准线法直接一次读取每一块主梁的中心点的偏离值。中线测量观测时间应与高程线形测量同步。高程测量和中线测量的测点般均布置在梁顶面上。观测点断面间距应根据主梁长度确定。一般情况下，在梁体应力、温度测量断面必须设点，其它部位可酌情确定。测量结果：提供主梁在各施工阶段的高程实测值和中线实测值；提供主梁线形随温度变化的曲线，以随时掌握主梁温度变形的影响。4 3 索力测量拉索索力的准确与否直接关系到主梁的线形，乃至施工安全。因此，在施工中必须确保索力测试结果正确可靠1 引。索力测量一般采用脉动法(或称频谱分析法)，利用附着在拉索上的高灵敏度传感器拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大和频谱分析，再根据频谱图来确定拉索的自振频率，然后根据自振频率与索力的关系确定索力。考虑到拉索弯曲刚度的影响，应进行测量前的标定工作，并在测量中加以修正。索力换算不仅要符合基频，并且要用前3 4 阶频率作验证。索力测试内容包括：施工挂篮挂索张拉后、每悬拼或悬浇一个节段后、体系转换张拉拉索时邻近的4 5对索、中间调索和全桥合龙调索时全部拉索的索力。测量结果：提供各测试阶段的索力值以及关键索力随温度变化的曲线。4 4 温度测试温度变化，特别是日照温差的变化，对于斜拉桥结构内力和变形的影响是复杂的。在施工阶段，日照温差对主梁挠度和塔柱水平位移的影响尤其显著口。温度的影响总体上可分为二种。一是昼夜温差，二是季节温差。前者是指太阳每日的起落对桥梁各部位的日照变化在混凝土结构内形成由表及里且深度一般不超过4 0c m 的浅层温度梯度，使混凝土产生非均匀变形，后者则是由于长期的昼夜变化，使混凝土结构产生基本均匀的伸长和缩短。现代混凝土斜拉桥的主梁和拉索的刚度相对于空心箱形混凝土塔身刚度而言是较小的，主梁的抗弯刚度几乎只有塔身的1 9 0 1 2 5。再加之斜拉索又细又长，对温度变化十分敏感，容易掩盖主梁因昼夜温差产生的变形。季节性温差则使塔、梁、索产生均匀伸缩。总之，温度引起的主梁变形因悬臂长度的增加而增如，但是，如果想从挠度实测值中分离出因受温度影响引起的变形，则相当困难。因此，选择测量工作时间至关重要，宜在一天中日照温差对结构变形影响最小的时候进行测量，理所当然，清晨便是最佳选择。为了便于施工控制资料的分析，尚应测量出较有代表性的某一天或几天2 4h 内结构温度变化情况。结合塔柱偏移和主梁线形测量结果，总结出结构日照温差变形规律和季节性的温差变形规律。温度测量元件一般选用性能优良的热敏电阻。根据电阻与温度的标定曲线，由测定的电阻值推算温度值。主梁和塔柱的温度测试断面一般与应力测量断面相同，以资对应，也便于计算分析。索温测量的一般方法是制造一段同实索等粗的长约1 5m 的试验索，在其中心和内部以及外表均对称布置测点，吊挂于施工现场实索部位，以承受同样的大气环境条件。对其它实索，每种型号选择1 2 根，在其表面布设测点，测得表面温差，对照试验短索的测量结果，确定实索的内外温差。测量结果：提供索、塔、梁各测试断面温度短期变化曲线和季节性温差变化曲线；对于斜拉索，尚应提供索内外温差和中心点温差的对应关系曲线。4 5 应力测试斜拉桥应力监控测量包括梁的安装应力监测和塔的施工应力监测两大类。主要目的是了解梁塔控制截面的应力状况，并对梁体重量及其它荷载变化情况进行判断，确保结构施工安全。施工应力测试是一项长期的现场观测，涉及的测试万方数据6 6桥梁建设1 9 9 9 年第4 期技术困难较多。至今，国内外尚无十分完善的解决办法。经过长期的大量的现场观测实践，发现针对钢梁的安装应力测试，采用手持式应变计相对比较可靠。针对混凝土梁则选用钢弦式应变计，并用无应力计加以补偿，测试结果较好，可以满足施工监控的要求。施工应力测试影响因素相当复杂，除荷载作用引起的弹性应变之外，还有与收缩、徐变、温度等因素有关的应变。对混凝土梁，在埋设应力测点的相同部位埋设无应力计，补偿混凝土自身的体积应变和收缩应变以及自由温度应变。并且在测试工艺上采取有效措施，使混凝土徐变和温差产生的应变减少到最低限度，或根据测量时的龄期、环境温度状态进行修正，这样，基本上可以达到施工监控的目的 1 引。施工应力测试截面一般由设计院根据施工计算的控制截面确定。原则上应包含以下几个方面：安装阶段的最大正、负弯矩截面，成桥状态的最大正、负弯矩截面，主塔及其横梁的应力控制截面以及设计院从设计角度考虑的其它控制截面。由于施工应力测试成本相当高，为了既能满足施工监控的要求，又不致于投入多余的的财力，一般情况下梁体应力监测断面可选择6 1 0个，主塔应力测试截面可选择4 6 个。混凝土梁施工应力测点一般是测试截面的法向应力，对于箱梁截面应在顶板和底板上布设测点，对于边主梁结构应在主梁上下边缘处布设测点，方向与截面法向一致。在主横梁中部，宜布设横桥向应力测点。对钢箱梁和钢桁梁结构，可选择控制部位和控制杆件、连接部位等制作手持式应变计测点，并读取初始读数和钢构件温度及环境温度，结合温度补偿测点的数值，以便正式测量时参照修正。应力测量结果：包括各施工状态下监测截面的应力值，塔柱监测截面的应力值以及成桥状态下各监测截面的恒载应力水平。4 6 施工控制方法斜拉桥的施工控制方法目前可以归纳为三类：开环控制、反馈控制和自适应控制 13 1 4 1 5 。4 6 1 斜拉桥施工的开环控制对于较简单的斜拉桥，一般都是在设计中估计结构的恒载和活载，由此计算出结构的预拱度，在施工过程中只要按照这个预拱度来施工，施工完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线形和内力。这就是所谓的开环控制。因为施工过程中的控制量，如预拱度、块件重量、预应力等是单向决定的，并不需要根据结构的反应来改变。对于早期的斜拉桥施工，从理论成桥状态通过施工过程的倒退分析，求得每个施工阶段主梁的位置和索力。在施工过程中只要按这样的位置和索力进行安装，理论上即可达到理想的成桥状态，这也是一个施工开环控制过程。在各部件的制造和安装精度很高，且对结构的力学特性完全掌握的情况下，这种方法是可行的、方便的。4 6 2 斜拉桥施工的反馈控制当斜拉桥在施工过程中，出现施工状态偏离理想的设计状态时，如不加以调整，就会造成结构的线形和内力远远偏离设计成桥状态，甚至危及安全。对于预应力混凝土斜拉桥，其施工中的精度保证相对较低，且设计计算中所采用的各项参数与现场材料的参数存在一定的差距，因此预应力混凝土斜拉桥的施工控制难度较大。反馈控制就是通过施工控制量的实测数据，进行计算，得出调整量，纠正偏差，控制流程详见图3。匡丽丽卜矗一图3 施工过程中的反馈控制4 6 3 斜拉桥施工的自适应控制对于预应力混凝土斜拉桥，施工中每个工况的受力状态达不到设计所确定的理想目标的重要原因是有限元计算模型中的计算参数取值，并且主要是混凝土的弹性模量、材料的比重、徐变系数的取用等与施工中的实际情况有一定的差距。要得到比较准确的控制调整量，必须在根据施工中实测到的结构反应修正计算模型中的这些参数值，以使计算模型在与实际结构磨合一段时间后自动适应结构的物理力学规律。在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。当结构测量的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数识别法中去调节计算模型的参数，使万方数据斜拉桥施工阶段监测监控的内容和方法文武松，王邦楣6 7模型的输出结果与实际测量的结果相一致。得到修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制。这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。由于斜拉桥均采用悬臂拼装或悬臂浇注的施工方法，主梁在塔根部的相对线刚度较大，变形较小，因此，在控制初期，参数不准确带来的误差对全桥线形的影响较小，这对于上述自适应控制思路的应用非常有利。经过几个节段的施工后，计算参数已得到修正，为跨中变形较大的节段的施工控制创造了良好条件。参数误差识别过程是自适应控制的关键，其任务就是根据对控制目标(如索力、标高、塔的变位和结构应力)的测量值与计算值之间的误差反算施工过程模似计算中选用的参数，如混凝土的弹性模量、主梁自重集度、挂篮刚度、徐变系数等。目前参数识别的算法有二类：一类是基于误差最小化的算法，如最小二乘法等；另一类则是基于随机状态估计理论的算法，如推广的卡尔曼滤波法等。斜拉桥自适应控制框图见图4。图4 施工过程中的自适应控制4 7 施工监控计算监控计算是施工控制方法的具体实施，工作量较大。它通过对所有施工监测的数据进行计算分析，得到下一个施工环节的指令。施工监控计算的主要内容包含以下4 个方面：(1)根据设计资料及设计理想参数，进行正装、倒拆计算。对成桥阶段及各施工阶段的设计索力、变位、应力及设计线形(预拱度)等进行计算并与设计计算资料进行相互校核比较，若计算结果与设计计算值相差较大，如各控制值差别大于2 0，则应与设计单位一起检查，改正输入数据或计算模型甚至计算软件，反复计算，直至两套计算结果基本接近。(2)对施工各阶段进行跟踪计算。由于理论设计参数与实际参数存在差异以及施工荷载、实际索力、线形等不可能与理论计算完全一致，必须根据实测索力、线形、温度及应力等修改计算控制参数，如梁体刚度、梁重、混凝土收缩徐变系数等，进行反复计算，按最小二乘法拟合桥梁控制参数值，使计算值与实测值之间的差别达到最小，再根据前面阶段所拟合的参数值及实测索力、线形、温度及应力等计算下一阶段的合理索力及线形的调整量。(3)中间调索计算。由于旌工中存在着各种不利因素，如索力张拉误差等，而计算时各个参数值也有偏差以及计算本身存在的误差等，当主梁施工到中跨跨中万方数据6 8桥梁建设1 9 9 9 年第4 期时，索力及线形会有一定的偏差，需进行中间调索计算，按索力、线形双控的原则优化调索工作。(4)成桥索力调整计算。主梁建成后，将实测索力、线形与设计索力、线形进行比较，对索力偏离设计值较大的索或线形偏离设计值较大的梁段处的索进行调整，优化调索程序，使全桥索力与线形均能满足设计要求。对斜拉桥的施工控制计算，目前还有一种更科学的方法，即“无应力状态控制法”。通过控制安装过程中斜拉桥各结构件单元的无应力长度和无应力曲率来实现对成桥目标的自动逼近。首先，在主梁施工前，用“无应力状态控制法”分析软件进行一较大步骤的安装计算，以获得每个节段施工时的控制高程和索力。其次，考虑到索的非线性效应和混凝土收缩徐变影响，其结果将偏离成桥内力状态，这些因素的影响均可通过几次迭代过程来加以修正。此分析软件采用的是正装计算，避开了费时的倒拆正装计算。首轮计算中考虑主梁施工的大步骤，略去施工工艺中小的工序细节。施工中再对各大步骤中的各个小工序逐个加密计算。这样可使整个电算工作量大大减小，同时也能达到施工控制的目的。参考文献：1 铁道部大桥局桥科院大跨度预应力混凝土桥跨结构施工控制 R 铁道部建设司科研项目研究报告，1 9 9 8 2 铁道部大桥局桥科院珠海横琴大桥施工温度测试报告 R 1 9 9 8 I-3 铁道部大桥局桥科院梧州西江二桥索力测试和施工监控计算 R 1 9 9 8 4 沈大元，刘铸刚大跨钢箱梁悬索桥施工控制 A 中国公路学会桥梁和结构工程学会论文集 C 1 9 9 5 5 严国敏现代斜拉桥 M 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