孙步芹，艾祖斌，侯圣均

（1.上海同济检测技术有限公司，上海市 200092;2.中电建路桥集团有限公司，北京市100089;3.中电建路桥集团有限公司，北京市100089）

大跨度钢桁架桥梁施工监控技术研究

孙步芹1，艾祖斌2，侯圣均3

（1.上海同济检测技术有限公司，上海市 200092;2.中电建路桥集团有限公司，北京市100089;3.中电建路桥集团有限公司，北京市100089）

以一个大跨度钢结构人行天桥工程为实际案例，并进行详细介绍了桥梁拼装施工及成桥后卸载施工阶段监控的技术重点和实施方法。采用大型有限元软件ABAQUS进行桥梁变形模拟计算，通过施工时的浇筑过程的控制以及结构标高调整来获得预先设计的应力状态和几何线形，并在施工中对桥梁结构进行实时监测，根据监测结果对施工过程中的控制参数进行修正。当计算模型与实际监测结果相吻合后，再用计算模型来指导后续的施工。

大跨度桥；钢桁梁；施工监控；有限元法

0 引言

近些年来，随着我国在基础建设上的巨大投入，各种不同结构类型的桥梁不断涌现，尤其是大跨度桥梁发展迅速。以前，施工技术多依靠工程人员长期的实践经验积累。人们在建造桥梁的过程中并没有过多的考虑结构安全，“施工监控”这一概念也没有被提及[1-7]。由于条件的限制，在桥梁施工过程中桥梁的安全往往得不到充分的保证，尤其在大跨径桥梁的施工过程中，施工监控显得更加重要。可以说，大型桥梁的施工过程是一个系统工程，系统中的各个部门是这个系统的组成单元，施工监控部门是确保桥梁施工安全最重要的单元，是为确保桥梁施工的安全与质量特殊设置的。

以一个大跨度钢结构人行天桥工程为实际案例，详细介绍了桥梁拼装施工及成桥后卸载施工阶段施工监控的技术重点和实施方法，为类似工程的施工监控提供了经验和参考。

1 工程概况

人行天桥位于两条道路的交汇处，两条道路地下分别有下穿地道和地铁。人行天桥将起到连接地铁车站与大规模居住区跨越交叉点的作用，同时也能够将四个角的商业办公设施联系起来，形成规模效应。

人行天桥平面呈椭圆形布置，椭圆长轴约为157.7 m，短轴约为105.4 m，主桥跨径布置为（82.2+102.4+88.0+109.6）m，全长为 380.2 m，主桥宽度6.3 m（净宽6 m）。天桥的建筑外形采用了空间结构形式，地面为桥面板，顶面由金属面板覆盖，两侧为高低错落的桁架，桁架高度在3.15～7.85 m之间。

主桥下弦为箱型截面钢管，腹杆和屋面弦杆为圆钢管。节点采用刚节点相贯。根据不同的受力部位，钢材采用Q420qD及Q345qC。下弦节点为箱型钢梁与圆腹杆相贯连接，在钢梁内部再加加劲板保证节点的刚度，上弦节点采用铸钢节点。天桥跨中起拱值：主桁架按恒载标准值加二分之一活载标准值所产生的挠度值起拱，每跨跨中起拱值均不同。桥跨中设TMD减振系统以解决桥梁人走振动。主桥支座采用固定铰支座及滑动铰支座形式。

2 桥梁施工监控思路及工作内容

2.1 监控思路

桥梁结构理想的几何线形与合理的内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法。如何通过施工时的浇筑过程的控制以及结构标高调整来获得预先设计的应力状态和几何线形，是大跨桥梁施工中非常关键的问题。尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况，但是由于施工中出现的诸多因素，事先仍难以精确估计，而且在实际施工过程中由于施工误差，会使实际结构与原设计不符。所以在施工中对桥梁结构进行实时监测，并根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应调整是十分重要的。

受施工过程中环境温度、临时荷载的影响，要得到比较准确的控制调整措施，必须先根据施工中实测到的结构反应来修正计算模型中的控制参数值，使得计算模型与实际结构磨合一段时间后，计算模型与实际结构相吻合后，再用计算模型来指导后续的施工，这就是自适应控制的基本原理。在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统识别过程，整个控制系统就成为自适应控制系统，如图1所示。

图1 自适应控制系统基本原理图

当测量到的结构受力状态与模型计算结果不相符时，通过将误差输入到参数辨识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态。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。

桥梁施工监控关注的重点主要有以下几个方面：

（1）空间结构的静力受力分析，包括施工阶段以及成桥状态下结构的内力、变形。

（2）空间桥梁结构的动力性能分析，包括自振频率、振型、阻尼比。

（3）分段吊装过程中各个节段的预拱度分析。

（4）桥梁施工过程中临时荷载对桥梁结构的影响。

（5）临时支墩以及基础的沉降对桥梁结构的影响。

（6）日照、温度对桥梁结构的影响。

当上述因素与估计不符，而又不能及时识别引起控制目标偏离的真正原因时，必然导致在以后阶段施工中采用错误的纠偏措施，引起误差累积。所以施工监测和控制是大跨桥梁施工过程中不可缺少的工序。

2.2 拼装及卸载阶段的主要监控内容

成桥后的线形与设计线形在各测点的误差均控制在规范规定和设计要求的范围之内及成桥后的结构内力分布满足设计及规范要求是本桥梁工程的施工监控主要目标。

根据对桥梁结构的分析以及施工监控的目标，确定桥梁施工监控主要的工作内容如下：

（1）桥梁结构控制及计算

a.全桥施工过程的仿真静力计算；

b.误差敏感度分析计算（温度、临时荷载、安装误差）。

（2）现场监测

a.基础（主墩和临时墩）沉降监测；

b.全桥施工过程中结构（钢桁架、主墩）的应力监控监测；

c.全桥施工过程中结构（钢桁架）的挠度监测。

（3）指导施工

根据现场数据采集及理论计算数据分析，确定下一步施工方案。

2.3 监测点的布置

（1）桥墩沉降监测

在桥梁4个永久桥墩和12个临时支墩上布置沉降观测点，每个永久桥墩布置4个测点，临时桥墩附近布置2个测点，全桥共40个测点。在每个施工节段完成后以及施工期间定期进行测量。

（2）钢结构坐标及挠度监测

按照与施工结合的原则，钢梁挠度测点按照吊装的分块布设，中间进行加密。具体布设断面如图2所示，悬臂端18个断面，每个断面2个测点，如图3、图4所示，分别为下弦杆的内测点和外测点，合计36个测点。墩顶有5个支座，每个支座设2个测点，4个墩合计40个测点。

图2 钢结构节段划分及控制断面示意图

图3 下弦杆的内测点和外测点布置示意

图4 挠度监测断面及测点布置图（每个节点均设测点）

钢结构坐标监测节点为钢结构吊装前、吊装后、支座落架、整体合龙前、整体合龙后。测量主梁和支座全部测点，采用全站仪进行观测。

钢结构高程监测的施工节点为钢结构卸载、温度影响、铺装人行道板、安装顶棚、安装阻尼器及TMD等。测点为主梁的下弦杆2个测点和支座上的测点，采用水准仪观测。

（3）上部结构杆件应力监测

桁架杆件的应力监测，根据桁架连续梁桥的受力特点，应力监测断面为支座位置、L/4、3L/4和跨中位置。主桥上下弦杆和腹杆均布置了应变测点（含内外侧），全桥约130个测点，见图5～图7。钢梁内力监测从节段现场制作完成开始，持续到工程竣工。具体监测节点为：钢结构吊装前、吊装后、支座落架、后期钢结构吊装影响、温度影响、铺装人行道板、安装顶棚、拆除临时墩、安装阻尼器及TMD等。

图5 应力监测断面布点示意图

图6 上弦杆腹杆应变测点布置图

3 监测数据分析

人行天桥主桥钢结构的安装分成17个立体分段，现场采用400 t履带吊依次进行安装，安装过程除4个永久桥台每个桥台边设置了2组临时支撑外，桥台外还设置了12组临时支撑用于吊装时分段的临时搁置。天桥的现场拼装工作结束后，整个天桥形成封闭连续的结构体系，然后进行临时支撑体系的卸载工作，即由安装过程临时支撑体系承载转换成4个桥台上的永久支座承载的过程，见图 8、图 9。

图8 4个永久桥台外的临时支撑（1#～12#）布置图（长方形为永久桥台、正方形为吊装停机位）

图9 桥台临时支撑布置位置

3.1 桥梁拼装阶段

3.1.1 变形预测

采用大型有限元软件ABAQUS进行变形模拟计算，计算时考虑几何非线性方法，考虑杆件自重、节点铸钢荷载、混凝土楼板自重（与设计图纸一致）、并考虑施工活荷载1 kN/m2（需要根据实际施工活荷载大小调整），杆件布置和设计图纸完全一致。为了简化计算，4个混凝土柱墩采用支座进行模拟。吊装9过程钢结构位移和内力值如图10所示，各吊装阶段最大竖向位移和最大应力预测见表1。

图10 （1） 吊装9过程钢结构位移图

图10 （2） 吊装9过程钢结构内力值图（示例：最后吊装阶段）

3.1.2 实测数据分析

由于安装设备的初始状态不好确定，钢结构安装过程施工监测只能控制拼装点的坐标位置，无法测量安装过程中的挠度和应力变化。以北跨钢结构安装过程的悬臂端坐标点测量值为例，见图11与表2。

钢结构节段支撑在临时支撑上，拼装过程主要控制节段钢结构的坐标定位及高程控制。测量数据显示，悬臂端坐标基本控制在20 mm以内。

表1 各吊装阶段最大竖向位移和最大应力预测

图11 北跨施工钢结构坐标测点图

表2 北跨施工钢结构坐标测量值表 m

3.2 卸载阶段

本工程临时支撑的卸载实际是将主桥钢结构从吊装过程多点支撑受力状态转换到设计状态永久桥台支座受力的过程。首先卸载桥台上的临时支撑，使主桥能够落坐于桥台的永久支座之上。其次进行桥台间临时支撑的卸载。

根据设计模型计算了整个卸载过程钢结构的位移及应力变化值，作为卸载监控的理论指导。

3.2.1 变形预测

具体计算控制值如表3、图12所示：

表3 各卸载阶段最大竖向位移和最大应力预测

图12 （1） 卸载4过程钢结构位移值图

图12 （2） 卸载4过程钢结构内力值图

3.2.2 实测数据分析

（1）卸载过程中钢结构挠度监测

卸载过程中，监测主梁的挠度，控制结构的变形。

主桥下弦杆每个节点处布置一个测点（含内外侧），每个墩顶布置一个基准点（假设卸载过程中墩身无沉降）。

数据显示卸载后挠度如下：东跨跨中-16 mm，南侧跨中-100 mm，西侧跨中15 mm，北侧跨中-76 mm。南跨下挠数据明显大于北跨，东跨下挠数据明显大于西跨。监控分析认为造成上述结果的主要因素如下：a.四跨合龙的温度各不相同，其中东跨合龙温度最低、其次南跨和西跨，北跨合龙温度最高。合龙温度不同造成临时支撑受力的不一致，其中温度越低，后期下挠越大。所以，跨径相当的南北跨，南跨下挠要大于北跨。b.桥面荷载的不均匀分布，南跨桥面上布置了一定数量的临时荷载。

卸载后3 d内，钢结构标高基本稳定，挠度变化在 1～2 mm。

（2）卸载过程钢结构应力监测

卸载前后钢结构上弦杆应力变化为39.2 MPa，下弦杆应力变化为38.6 MPa，腹杆最大为46.2 MPa。卸载3天后，结构应力基本稳定，变化不大。

卸载过程中，由于结构的不对称性以及临时荷载的堆放，造成各跨挠度的差异，但均未超过设计的最大允许值，应力值也在规范允许的范围内。

4 结语

通过对某在建大跨度钢桁架桥梁的施工监控，较为系统的阐述了该大桥在施工监控方面的全过程。重点介绍了有限元模型的建立、各工况的测点的选择、应力计算、挠度计算，及临时支撑结构卸载时的应力分析、误差分析等方面，涵盖了桥梁施工监控的重点和难点。通过施工监控，可以得到以下结论。

（1）节段拼装过程中，钢结构定位坐标满足设计要求。

（2）卸载过程中，由于结构的不对称性以及临时荷载的堆放，造成各跨挠度的差异，但均未超过设计的允许值，应力值也在规范允许的范围内。

（3）成桥状态下，钢结构跨中剩余预拱度值分别为东跨32 mm、南跨111 mm、西跨38 mm、北跨84 mm，满足活载使用要求。

（4）经测试推算，安装楼板完成后，钢结构上弦杆最大应力值为104.4 MPa（拉），下弦杆最大应力值为95.2 MPa（拉），腹杆最大应力值为108.8 MPa（拉）。实测数据均小于理论计算值。

[1]CJJ 69-1995，城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

[2]CJJ 11-2011，城市桥梁设计规范[S].

[3]CJJ 166-2011，城市桥梁抗震设计规范[S].

[4]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[5]CJJ 2-2008，城市桥梁工程施工与质量验收规范[S].

[6]GB 50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].

[7]李杰.大跨度钢桁梁柔性拱桥施工应力监控研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

U445.1

B

1009-7716（2017）12-0129-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.036

2017-11-06

孙步芹（1972-），女，江苏高邮人，工程师，从事建设工程检测管理工作。