空間索面異型獨塔斜拉天橋信息化施工監控研究

池啟貴

(福建華源陽光工程管理有限公司 福建福州 350008)

0 引言

空間索面異型獨塔斜拉人行天橋是高次超靜定結構形式，在施工過程中其塔、梁、索力與變形之間相互作用和影響，而且又受到溫度和其他多種施工隨機因素的影響，包括施工過程斜拉人行天橋的自重、溫度等以及計算數學模型和實際結構的差異，整個施工過程是個力學體系復雜的演變過程，還有線形、索力測量誤差等眾多因素作用，使得施工工序中實際線形和索力與原設計要求出現差距，并可能超出允許范圍[1-4]。因此，斜拉橋施工過程須進行施工監控，通過溫度、應力、線形、索力、節段尺寸和質量監控，分析施工與設計的偏差，對結構計算參數進行識別、分析和修正，消除或降低施工中線形和索力與設計目標值的偏差，達到成橋線形、索力和應力滿足設計要求。因此，施工監控是斜拉橋工程必不可少的要求[5-10]。國內外學者在施工監控方面作了不少探討，申志平和王加勇等通過有限元分析軟件，將成橋狀態斜拉橋模型施工過程進行加載分析，從而進行成橋施工監控模擬分析[11-12]。龔美等基于軟件對特大橋H型索塔施工過程力學特性進行分析研究，并與現場施工監控量測數據對比分析，為工程質量提供了保證[13]。陳泉分析了獨塔PC斜拉橋施工監控中的參數敏感性，并提出應對方法[14]。孫艷鵬、邵景松等基于自動無線監測系統對斜拉橋及其索力系統進行施工監控，確保施工安全可靠[15-16]。國內眾多橋梁工程依托信息化技術開展施工監控量測，對工程質量及安全施工起到良好指導作用。

本文基于復雜空間索面異型獨塔斜拉人行天橋項目開展施工監控，包括計劃、預制和安裝施工階段施工監控，結合自動化監測及人工監測從多方面多維度生成監控數據庫，總體把控施工進程的安全和進度并進行結構優化，對項目進行起到預評估作用，保證施工及運營安全。

1 工程概況

1.1 項目概況

天馬山生態公園內環建設(人行天橋及周邊綠化景觀)項目——斜拉人行天橋總長514.17 m，跨越公路和鐵路，主橋結構形式為空間索面異型獨塔斜拉橋，全長106 m，設計使用年限100年，安全等級為一級，平面處于R=41 m和R=49.979 m的圓弧線上，橋跨布置為53+53=106 m，如圖1所示。橋面最高處距地面約10 m，橋面最低處距離地面約6.7 m，橋面以上鋼塔高約48 m。鋼塔位于橋梁平曲線內側，鋼塔軸線位于鋼梁長度中間，且與道路中心線徑向布置。塔底距離鋼梁中心線2.6 m，鋼塔中心線為折線，下半段中心線與豎直線夾角為23.198°，上下部中心線夾角為163.027°；鋼塔豎直向總高度為53 m；塔底與混凝土基礎固結,如圖2所示。

圖1 橋跨布置圖

圖2 人行天橋總體圖

鋼塔底部設置橫梁和系梁，同時設置四道背索，與鋼塔、系梁形成穩定結構。鋼梁中部采用塔梁固結；鋼梁端部采用抗拔支座。主塔及主梁均為鋼結構，斜拉索采用擠壓錨固鋼絞線拉索。鋼塔和鋼梁采用工廠制作拼裝節段，橋位安裝形成整體，再張拉斜拉索。

1.2 施工流程和監控

橋梁主要施工步驟如下：主墩及邊墩樁基承臺施工→搭設主橋鋼梁支架并預壓試驗→吊裝塔梁結合段→搭設主橋鋼塔塔架→分節段吊裝鋼塔→分節段架設鋼主梁→依次掛設并張拉斜拉索→拆除鋼塔塔架→拆除鋼梁支架→安裝附屬設施及鋪裝橋面→索力調整。

施工控制的基本原則是：滿足斜拉橋成橋線形符合設計要求，主梁應力控制在安全范圍。主塔拼裝過程中以受彎、受壓為主，因此穩定性控制非常重要。在滿足穩定性要求前提下，施工過程對變形、應力進行雙控，其中以控制變形為主，監控主塔節段拼裝過程中的變形以及吊裝期間的應力變化和趨勢。天橋主梁、主塔均采用大節段整體吊裝，施工過程風險較高，在確保橋梁結構的線形、內力符合設計要求外，需對大量設施進行安全驗算，保證施工過程的安全與質量。

1.3 總體監控與監測思路

施工監控的總體控制思路首先以施工圖設計內容為基礎，進行復核和對施工過程的細化；其次是對施工過程中控制數據的監測，對參數進行識別、分析與修正，適時掌握施工過程中斜拉橋整體結構的實際力學狀態，消除或減少偏差量的積累，確保施工過程結構的安全；確保施工最終成橋后，主體結構線形達到設計要求的理想線形，且斜拉橋整體結構的內力分布與設計要求達到的內力狀態一致，如圖3～圖4所示。

圖3 總體監測思路

圖4 總體控制思路

2 施工監控模擬分析

施工過程的監控模擬分析總體思路如下：嚴格按照設計構造和材料參數要求，精確計算各項恒載情況，建立人行斜拉天橋的合理成橋恒載狀態，并與設計計算結果相互校核，作為目標狀態。采用無應力狀態法確定主梁制造線形和斜拉索無應力制造長度，運用倒拆計算法和正裝計算法相結合，進行施工全過程模擬分析，確定斜拉橋施工各個階段的理想狀態，防止施工誤差積累，使斜拉橋最終成橋線形和內力特性與設計預期的理想狀態一致。

運用MIDAS CIVIL進行分析，具體模擬過程首先建立全橋三維空間有限元計算模型(圖5)，考慮斜拉索垂度和大位移幾何非線性效應的影響。按實際情況模擬臨時支架作用，包含塔、梁臨時固結等構件，盡可能按實際情況模擬主塔和主梁的安裝過程。

圖5 主橋施工階段計算模型圖

斜拉橋天橋具有主梁剛度較小、梁和塔軸力大、施工過程復雜等特點，因此，在計算分析過程中，應首先考慮非線性因素影響。斜拉橋的非線性研究主要涉及材料非線性和幾何非線性兩方面內容。在施工過程和正常使用階段，主要受幾何非線性影響。在計算分析中，主要考慮的幾何非線性因素包括斜拉索垂度、結構大位移效應。

2.1 模型材料參數

鋼梁、主塔采用Q345鋼材，臨時支架采用Q235鋼材，斜拉索、背索1860 MPa級鋼絞線，其相關材料參數取值如表1所示。

表1 材料參數表

主塔、主梁和斜拉索、背索等構件截面形式參照設計圖紙輸入幾何參數，由軟件自動計算截面特性參數。拉索采用 15×3 七絲鋼絞線，其有效斷面積取420 mm2，背索采用 15×19 七絲鋼絞線，其有效斷面積取2660 mm2。

MIDAS CIVIL建模模型各種單元類型及數量如表2所示。

表2 建模參數表

2.2 邊界處理

全橋布置有4個板式橡膠支座，各支座剛度取值如表3所示。

表3 支座剛度取值表

2.3 施工過程模擬

(1)主塔吊裝施工

安裝 3#主塔節段時，由于受懸臂影響，在重力作用下，塔頂橫橋向發生了14.7 mm位移，如圖6所示。

圖6 安裝主塔 3#段時塔頂橫橋向位移(單位：mm)

施工過程中斜拉橋主塔的最大拉應力為43.8 MPa，最大壓應力為92.3 MPa，如圖7所示，主塔受力滿足要求。

(a)最大拉應力包絡圖 (b)最大壓應力包絡圖圖7 主塔施工過程最大拉(壓)應力包絡圖(單位:MPa)

(2)鋼箱梁架設

鋼箱梁架設完成時，豎向最大撓度為 4.0 mm，鋼箱梁架設于臨時支墩，在自重作用下結構最大的應力為 12.2 MPa。整個施工過程(包括后續掛索張拉、施加二恒等)中鋼箱梁應力均滿足設計要求，如圖8～圖9所示。

圖8 鋼箱梁撓度計算結果(單位：mm)

圖9 鋼箱梁架設完畢應力(單位：MPa)

(3)斜拉索張拉模擬

異型獨塔非對稱斜拉橋是高次超靜定結構，主梁處于平曲線內，斜拉索空間分布。主梁和主塔的內力、應力和變形與斜拉索的索力之間是密切相關的，每張拉一根或者多根斜拉索，都會引起主梁和主塔的內力、應力和撓度變化并發生重分配。在施工過程中，這種重分配使結構受力狀態更加復雜，如果變化幅度過大，可能使處于施工階段的斜拉橋的受力狀態陷于危險狀態。同時，背索的張拉對已張拉成形的斜拉索內力、主塔偏位及其內力影響較大。因此，科學合理的異形斜拉橋的斜拉索張拉順序，便顯得極為關鍵。

鋼主塔吊裝完成后，主塔支架承受較大壓力，需先張拉內側背索，使支架脫空，防止支架在斜拉索張拉過程中受力過大。經過MIDAS CIVIL施工監控模擬，分析主梁主塔應力包絡值、主塔內力包絡值、塔頂最大偏位、最大索力、張拉索力等因素，確定最優施工方案。施工過程中主梁橫向變形最大值為-9.9 mm，發生在5#墩附近。在施工過程中，需關注3#墩與5#墩位置的主梁橫向變形情況，防止出現主梁橫向變形過大，如圖10所示。

(a)X-MAX

(b)X-MIN圖10 施工過程中主梁橫向變形

在斜拉索張拉過程中，隨著拉索受力增加，3#墩及5#墩支座反力逐漸減小。在張拉到第7#索時，永久支座將出現負反力。為了避免支座出現負反力，并且不超過支座承載力，在5#索張拉完畢后進行第一批壓重施工，為總壓重量的1/2。在15#索張拉完畢后進行剩余壓重施工。

2.4 振動模態分析

前五階振型圖(圖11)可見，第1階振型為1.333 Hz，主梁呈現反對稱豎彎，第2階振型為1.543 Hz，主塔橫彎，第3階振型為1.723 Hz，主梁反對稱豎彎，第4階振型為2.260 Hz，主梁左跨橫向彎曲，第5階振型為2.514 Hz，主梁對稱豎彎，主塔順橋向彎曲主塔順橋向彎曲主梁豎向自振基頻為1.256 Hz，不滿足設計要求大于3Hz規定，運營階段需要布置阻尼器進行減振。

(a)一階振型：1.333Hz (b)二階振型：1.543Hz

(c)三階振型：1.723Hz (d)四階振型：2.260Hz

(e)五階振型：2.514Hz圖11 前五階振型模態圖

3 施工監控與監測

3.1 各階段施工監控

前期計劃階段主要是指上部結構施工前(主塔、主梁制造安裝前)的監控準備階段，以監控計算工作為主。這一階段的工作必須盡可能接近實際施工狀態，使理論分析和實際施工狀態間的誤差減少到最小，這是通過施工控制實現控制目標的關鍵。

預制階段主要進行荷載調查、方案優化以及制造誤差影響分析。工廠制造過程的控制主要是針對鋼箱梁、鋼主塔和拉索等預制結構。鋼結構制造過程中的控制要針對制造商確定采用、并已獲批準的施工工藝進行，如鋼主梁采用多節段連續匹配組裝、預拼裝同時完成的施工工藝等。在制造過程中施工控制根據需要對監測出的誤差適時作出調整，根據對已造橋梁構件的誤差分析，可在現場定位過程中采取進一步改進措施，以減少誤差，如圖12所示。

圖12 預制階段監控工作流程

鋼主梁、鋼主塔、斜拉索安裝階段施工控制工作是主橋施工控制工作最重要的組成部分。根據本橋特點，以主梁線形控制為主，內力調控為輔的方式進行。這種方法能夠最大限度地提高施工進度及安裝精度。根本目標是保證橋梁在控制容許的安裝誤差內完成所有安裝步驟，以及施加了所有的恒載后能達到目標幾何線形，如圖13所示。

圖13 安裝階段監控工作流程

施工過程中，如發現線形、索力或應力等控制指標與監控預期偏差較大或呈現持續累積放大的趨勢時，應進行原因查找，評定分析，確定合理有效的調整措施，以修正安裝誤差。

根據實際施工中的現場測試或核定參數進行施工監控計算，仿真計算根據實際施工中的實時測量數據對參數進行分析擬合，使得施工監控計算結果能與實際施工工況相符?，F場測定的參數主要包括實際材料的物理力學性能參數、實際施工中的荷載參數和現場監測數據。施工監測系統分為索力監測、應力監測、幾何監測、溫度監測以及風速監測，將實測結果與理論計算結果進行分析對比，適時評估和調整安全度，保證結構狀態的安全。

3.2 施工監測

(1)幾何監測

幾何監測主要包括對主塔節段位置、節段軸線、塔頂高程及偏位的測量等內容。主梁預拼裝階段的無應力線形測量(主要為拼裝折角和中線)，主梁架設階段主要包含對主梁高程、主梁軸線偏位、相鄰節段間偏位等內容。

主塔線形監測設置3個主塔幾何測點(圖14)，布置于橋面上方、塔柱變彎點及塔頂，安裝全站儀棱鏡。主橋索塔竣工時(斜拉索施工前)，施工監控單位根據實測的錨點坐標進行斜拉索張拉索力和無應力長度驗算。斜拉索張拉施工過程中，索塔的幾何變形參數是控制主梁線形誤差的重要實測數據之一。索塔的幾何變形參數和指定測點的水平變位用于推算塔柱的傾斜。

圖14 主塔線形測點布置示意圖

主梁吊裝采用臨時支架施工，主梁線形通過臨時支架頂面標高進行控制，隨著支架變形、斜拉索張拉、橋面鋪裝等荷載作用主梁線形會發生變化。主梁線形3個測點橫向布置，分別在頂板與縱端板、斜腹板、直腹板交點位置，每截面 3個測點，縱向22個截面，共66個測點，如圖15所示。

圖15 主梁線形測點布置示意圖

(2)索力監測

斜拉索的索力直接影響主梁和主塔的內力和線形。施工過程跟蹤監測結構反應，同時根據測試結果不斷調整索力值，保證斜拉天橋在施工過程中，主體結構受力和變形狀態始終處于設計要求的范圍內，保證工程順利安全進行，也保證成橋后的主梁內力和線形達到設計預期要求。

(3)應力監測

應力監測可實時、準確了解施工過程主梁和主塔關鍵截面應力狀況，可對主梁和主塔應力安全和變形狀態變化起預警作用，并校核計算參數，為施工監控提供數據。施工階段對主梁截面進行施工應力監控測量，為施工安全監控提供參考數據，確保斜拉橋工程安全順利完成。

應力監控采用無線采集傳輸與人工巡檢相結合的方法(圖16)進行斜拉橋的應變測試。核心元件采用振弦式傳感器，抗干擾能力強，有利于傳輸和遠程測量。通過應力傳感器，將現場測試得到的應力信號轉換為電信號，通過高增益放大器放大送入模數轉換器，將模擬信號轉換成數字信號，經單片機編碼處理后，通過無線發射器發射信號，再經電平轉換器處理后導入電腦，電腦分析軟件計算處理后圖形和數據等顯示輸出?，F場應力測量設備測試數據準確、施工高效安全、數據采集便捷等特點，測試效果比較理想。

圖16 應力無線自動化采集系統示意圖

主梁應變測試截面及測點選擇依據是主梁最大計算應力截面、主梁中最不利受力狀態斷面應力分布規律及特征截面。斜拉橋主塔應變測試截面及測點選擇依據，應是能監控施工階段最大計算應力截面的應力水平，能充分反映結構縱向應力的分布規律、兼顧橋梁動靜載試驗對截面及測點布置的要求，能構成主塔應力監測預警系統。因此，在主塔塔底、下塔柱、變彎點、上塔柱錨固區設置5個應力監測斷面，每個斷面布置4個傳感器，共計20個，如圖17所示。

圖17 主塔應變監測測點布置圖

4 現場監測成果分析

線形監測采用美國天寶DiNi型電子水準儀，線形測點分別布置在主梁、主塔以及頂板與縱端板、斜腹板、直腹板交點位置；索力監測采用源清慧虹HCF100型智能索力計，監測點布設在張拉斜拉索上；應力監測采用應變式傳感器，根據結構受力分析，安裝在最不利受力位置。

4.1 幾何監測成果

通過在施工過程中對主塔偏位、主梁標高進行監測，主塔頂偏位實測與理論最大偏差8 mm，主梁標高最大偏差出現在SFH-10斷面外側測點，理論標高14.643 m實測標高14.649 m，實測與理論最大偏差6 mm，其余測點偏差均小于該點。橋梁主塔偏位及線形滿足規范及設計要求，整體線形平順。

4.2 索力監測成果

斜拉索在施工過程中，按照計算初張力進行張拉，施工完成后索力最大偏差出現在ZLS06，理論索力163kN，實測索力176kN，最大偏差7.9%，其余斜拉索偏差均小于ZLS06的偏差值，且斜拉索安全系數大于5，滿足規范及設計要求，結構安全。

4.3 應力監測成果

根據現場施工進程的測試分析可知，應力最大正偏差出現在主塔變彎處內側，理論應力為73.50 MPa，實測應力為71.02，偏差2.48 MPa；最大負偏差出現在塔梁結合斷面頂板處外側，理論應力為30.12 MPa，實測應力34.05 MPa，最大偏差3.93 MPa，結構受力狀態可控，在施工過程中和成橋狀態下受力滿足規范及設計要求，結構安全。

5 結論

本文基于空間索面異型獨塔斜拉人行天橋工程項目，開展全過程施工監控和監測研究，根據實際施工參數進行施工過程監控模擬分析計算，結合現場主梁、主塔吊裝及斜拉索掛設等過程的結構內力和線形監測，結果表明整體結構安全可控，斜拉橋受力總體上處于安全范圍，施工方案總體可行。

(1)空間索面異型獨塔斜拉人行天橋力學特性和施工條件復雜，天橋施工過程中的超限位移、應力以及運營條件下的振動頻率的模擬分析，可以指導施工和結構優化，開展信息化施工監控可起到預評估作用，規避風險，保證施工及運營安全。

(2)斜拉橋鋼箱梁為圓曲線布置，不對稱結構，易發生傾覆問題，通過鋼箱梁吊裝、架設期間進行抗傾覆驗算，施工過程加強防傾覆施工措施，確保整體結構安全可靠。

(3)主塔安裝時應注意配合背索張拉，保證主塔施工期間穩定性和臨時支架不出現脫空，線形和索力監測成果確保主塔結構安全和斜拉索張拉力的準確、合理調整。

(4)模擬分析得到主梁豎向自振基頻為1.333Hz，不滿足設計要求大于3Hz的規定，施工過程在安裝阻尼器前后對主梁進行模態監測測試，檢驗阻尼器的工作性能，滿足人行天橋的設計施工要求和天橋通過的舒適性。

(5)實測數據與理論數據對比，偏差均在可控范圍內，滿足規范及設計要求，結構狀態安全，受力合理，線形平順，達到了施工監控目標。