混凝土現(xiàn)澆梁與斜拉索綜合線性內(nèi)力監(jiān)控技術(shù)

摘" 要：隨著大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，其施工安全與精度控制愈發(fā)受到重視。該文圍繞混凝土現(xiàn)澆梁與斜拉索的綜合線性內(nèi)力監(jiān)控技術(shù)展開，旨在提高施工階段的監(jiān)控效率和精確度。通過設(shè)置詳盡的監(jiān)測點和采用高精度監(jiān)測儀器，對主塔偏位、承臺沉降和結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行實時監(jiān)測。預(yù)期通過實施系統(tǒng)的監(jiān)控方案，能有效控制結(jié)構(gòu)在施工過程中的偏移和變形，確保結(jié)構(gòu)安全和施工質(zhì)量。該研究強調(diào)精確監(jiān)控在確保大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)施工安全中的關(guān)鍵作用，為今后類似工程提供重要的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：施工監(jiān)控；混凝土現(xiàn)澆梁與斜拉索；綜合線性內(nèi)力監(jiān)控；施工安全；施工精度

中圖分類號：U445" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0193-04

Abstract： With the widespread application of long-span cable-stayed bridge structures， their construction safety and accuracy control have been paid more and more attention. This article focuses on the comprehensive linear internal force monitoring technology of cast-in-place concrete beams and stay cables， aiming to improve the monitoring efficiency and accuracy during the construction stage. By setting up detailed monitoring points and using high-precision monitoring instruments， real-time monitoring of the main tower deflection， pile cap settlement and structural stress was carried out. It is expected that by implementing a systematic monitoring plan， the deviation and deformation of the structure during the construction process can be effectively controlled to ensure structural safety and construction quality. This study emphasizes the key role of accurate monitoring in ensuring the construction safety of long-span cable-stayed bridges and provides important technical reference for similar projects in the future.

Keywords： construction monitoring; cast-in-place concrete beams and stayed cable; comprehensive linear internal force monitoring; construction safety; construction accuracy

混凝土現(xiàn)澆梁與斜拉索因其卓越的承載能力和靈活的設(shè)計特性，成為各類橋梁及高層建筑的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元素。這些結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到人員的生命財產(chǎn)安全。然而，傳統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)常因技術(shù)手段和監(jiān)控范圍的限制，難以實時、全面捕捉結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境與負(fù)荷作用下的內(nèi)力變化[1]，從而無法有效預(yù)警潛在的結(jié)構(gòu)安全問題。本研究旨在突破現(xiàn)有技術(shù)的局限，探索和驗證綜合監(jiān)控技術(shù)在實際工程應(yīng)用中的有效性與可行性，以期最大化工程結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟性。

1" 工程概況

清江市政特大橋項目是一項集現(xiàn)代設(shè)計理念和復(fù)雜工程技術(shù)于一體的挑戰(zhàn)性建設(shè)。該橋梁位于長陽土家族自治縣，是一座長度為358.5 m的中央雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用三跨高低塔布局，主要用途為雙向四車道交通。橋梁的設(shè)計充分考慮了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性，將先進的工程技術(shù)和材料應(yīng)用于各個建設(shè)階段。

橋梁主梁部分采用全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，梁體截面設(shè)計考慮了力學(xué)性能和經(jīng)濟效益，以C55高強度混凝土確保長期耐用性。主梁的懸臂澆筑施工方法特別適用于大跨度斜拉橋，此種施工技術(shù)有助于控制結(jié)構(gòu)在施工過程中的穩(wěn)定性。此外，主梁的縱向、橫向和豎向預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)均采用高效的錨固和張拉技術(shù)，保證了整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力優(yōu)化分布。斜拉索作為橋梁的關(guān)鍵承載元素，采用高強度鋼材和先進的防腐護套技術(shù)，確保了其在復(fù)雜環(huán)境下的長期性能。橋塔設(shè)計采用不對稱獨柱型，以應(yīng)對由橋面荷載產(chǎn)生的不平衡力，同時也優(yōu)化了視覺美觀性和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性。在橋面系統(tǒng)方面，采用了多層瀝青砼結(jié)構(gòu)，確保了良好的行車舒適性和耐用性。橋面設(shè)計同時考慮了安全和功能性，通過合理的人行道和車道分配，以及高效的排水和防滑系統(tǒng)，確保了橋梁在各種天氣條件下的安全使用。下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料選擇反映了對地質(zhì)條件的深入考慮。主塔承臺和墩基采用高性能混凝土，結(jié)合深基礎(chǔ)技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的地下水流和地質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外，橋梁支撐體系的設(shè)計采用了創(chuàng)新的固定和活動支座系統(tǒng)，以適應(yīng)溫度變化和結(jié)構(gòu)變形。該橋的關(guān)鍵參數(shù)見表1。

整體而言，清江市政特大橋不僅是一座功能性交通設(shè)施，也是工程技術(shù)的展示平臺，其設(shè)計和施工充分體現(xiàn)了現(xiàn)代橋梁工程的高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求。

2" 施工監(jiān)控技術(shù)概述

2.1" 施工監(jiān)控的作用

施工監(jiān)控的核心在于通過持續(xù)的數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化控制，確保施工過程中的結(jié)構(gòu)受力和變形始終保持在安全和合理的范圍內(nèi)[2]。這不僅涉及到實時監(jiān)測，也包括對數(shù)據(jù)進行深入分析，預(yù)測成橋狀態(tài)，并據(jù)此調(diào)整施工策略。通過這種方法，可以實現(xiàn)施工中的結(jié)構(gòu)受力合理化，控制結(jié)構(gòu)變形在允許的安全范圍內(nèi)[3]。此外，施工監(jiān)控通過對施工過程中出現(xiàn)的各種影響因素，如施工荷載變化、混凝土澆筑誤差、材料彈性模量變化、溫度變化及結(jié)構(gòu)體系調(diào)整等進行動態(tài)調(diào)整。這些因素在設(shè)計階段往往難以完全預(yù)測，但其變化直接影響到結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力分布，進而影響施工質(zhì)量和橋梁的最終性能。

2.2" 施工監(jiān)控的目標(biāo)

施工監(jiān)控的目標(biāo)（表2）是確保整個建設(shè)過程中的結(jié)構(gòu)安全性和符合設(shè)計規(guī)范，同時達到高效的施工管理和質(zhì)量控制。

結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性：確保施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形接近控制目標(biāo)狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)狀態(tài)始終處于安全可控的范圍內(nèi)。通過實施有效的結(jié)構(gòu)仿真分析和對關(guān)鍵構(gòu)件進行應(yīng)力及變形測試，形成實時的結(jié)構(gòu)行為監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

異常情況的及時發(fā)現(xiàn)與預(yù)警：通過持續(xù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的應(yīng)力和變形，及時發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)問題，并實施預(yù)警機制，以防止任何可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或安全事故的情況。

監(jiān)控精度與技術(shù)規(guī)范的一致性：確保所有監(jiān)控活動的精度符合JTG/T 3650-01—2022《公路橋梁施工監(jiān)控技術(shù)規(guī)程》和相關(guān)工程施工及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)，保證施工質(zhì)量和監(jiān)控活動的高標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

施工進度與質(zhì)量的平衡：采取的監(jiān)控和誤差調(diào)整措施應(yīng)保證不對施工工期產(chǎn)生負(fù)面影響，同時保持結(jié)構(gòu)質(zhì)量和施工效率。

成橋后的結(jié)構(gòu)性能：監(jiān)控目標(biāo)包括確保成橋后主梁的線形平順和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理，以及斜拉索的索力接近設(shè)計狀態(tài)，確保長期的結(jié)構(gòu)性能和安全。

通過上述目標(biāo)約束，保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的內(nèi)力和線形控制在設(shè)計的安全和功能范圍之內(nèi)。

2.3" 施工監(jiān)控的計算方法

2.3.1" 前進分析法

前進分析法根據(jù)施工方案逐階段計算，每一階段基于前一階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行分析。這種方法適合于施工過程中結(jié)構(gòu)狀態(tài)逐步演化的情況，允許精確跟蹤結(jié)構(gòu)受力和變形的變化。計算表達式形式如下

σi+1=f（σi，i，Δi），（1）

式中：σi+1和σi分別表示第1i+1和i階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，i為第i階段的結(jié)構(gòu)變形，Δi為該階段施加的變形增量。

2.3.2" 倒拆分析法

倒拆分析法從假設(shè)的成橋合理狀態(tài)出發(fā)，按照施工步驟的逆過程進行結(jié)構(gòu)解析，從而確定合理的施工狀態(tài)。這種方法特別適用于需要精確控制施工結(jié)束狀態(tài)的大型橋梁工程

σi=f-1（σi+1，Δσi+1），（2）

式中：Δσi+1是從1i+1到i階段應(yīng)力的逆變化。

2.3.3" 正裝-倒拆迭代法

該方法結(jié)合了正裝和倒拆的優(yōu)點，通過迭代改進計算精度，特別適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和施工精度要求極高的橋梁。迭代過程采用如下形式

σ=g（σ，Δσ），（3）

式中：n表示迭代次數(shù)（次），σ和σ分別是迭代過程中第i和1i+1階段的應(yīng)力狀態(tài)（MPa）。

2.3.4" 無應(yīng)力狀態(tài)控制法

無應(yīng)力狀態(tài)控制法基于的核心假設(shè)是，斜拉橋的各個構(gòu)件在無應(yīng)力狀態(tài)下的長度和形狀是固定的。這種方法通過分析斜拉橋在完全無應(yīng)力狀態(tài)下的幾何參數(shù)，預(yù)測施工中應(yīng)維持的控制量。

在施工過程中，各構(gòu)件的無應(yīng)力狀態(tài)可以表示為

L0=L-∫dx，（4）

k0=k-∫dx，（5）

式中：L0k0分別是構(gòu)件的無應(yīng)力長度（m）和無應(yīng)力曲率（1/m），L是實際測量長度（m），是由于外部荷載、溫度變化等因素引起的應(yīng)變，k是實際曲率（1/m），M是彎矩（kN·m），EI是構(gòu)件的彎曲剛度（kN·m2）。

無應(yīng)力狀態(tài)控制法的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計算出在施工過程中各構(gòu)件應(yīng)維持的無應(yīng)力狀態(tài)，本研究即以此為基礎(chǔ)進行施工控制。

3" 混凝土現(xiàn)澆梁與斜拉索的綜合線性內(nèi)力監(jiān)控

3.1" 幾何參數(shù)控制

3.1.1" 塔柱線形控制

塔柱線形控制主要目的是確保橋塔在施工完畢后的幾何線形滿足設(shè)計規(guī)范，包括塔柱的直線度和垂直度。這需要在施工過程中持續(xù)監(jiān)測塔柱的位移和傾斜，以及時進行調(diào)整。具體見表3。

3.1.2" 拉索錨點坐標(biāo)和索導(dǎo)管傾角控制

拉索錨點坐標(biāo)和索導(dǎo)管傾角的精確控制對于斜拉索的無應(yīng)力長度和主梁的線形具有決定性影響。具體見表4。

設(shè)計參數(shù)確認(rèn)：先通過設(shè)計參數(shù)確認(rèn)每個錨點和索導(dǎo)管的理論位置和角度。

施工放樣：利用全站儀和其他精確測量工具，進行初步的錨點和導(dǎo)管位置放樣。

預(yù)埋套筒調(diào)整：預(yù)埋套筒的位置需要預(yù)先計算包括彈性壓縮和收縮、徐變在內(nèi)的預(yù)抬高，以補償施工過程中的變形。

測量與調(diào)整：在錨點和索導(dǎo)管安裝過程中，重復(fù)測量并調(diào)整至設(shè)計位置，確保偏差控制在允許范圍內(nèi)。

復(fù)測與校正：每次調(diào)整后都需要復(fù)測，確保每一步調(diào)整都精確無誤。

3.2" 偏位監(jiān)測

偏位監(jiān)測是斜拉橋施工中的關(guān)鍵活動，尤其是對于主塔的施工和運營階段。主塔偏位監(jiān)測旨在確保塔體在順橋向和橫橋向的位置精確，以控制和優(yōu)化橋梁的整體線形和穩(wěn)定性。主塔偏位監(jiān)測的主要目的是評估和控制主塔在施工和成橋狀態(tài)下的位置變化[4]。主塔的偏位監(jiān)測工作在施工過程中由施工單位配合完成。使用全站儀進行主塔頂部的偏位測量是標(biāo)準(zhǔn)做法。

具體包括以下步驟。

測量布點：監(jiān)測單位和施工單位需在相同的位置設(shè)置測點，并對測點坐標(biāo)進行復(fù)核，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)采集：在主梁各施工節(jié)段完成后，使用全站儀測量塔頂?shù)娜S坐標(biāo)變化，從而計算出塔頂?shù)钠?。具體測量工作需要施工單位的協(xié)助。

測點布設(shè)：主塔偏位測點應(yīng)設(shè)置在主塔頂部，每個方向設(shè)2個棱鏡，以提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

結(jié)構(gòu)完成后的測量：每完成一節(jié)主梁施工后進行一次偏位測試。

連續(xù)監(jiān)測：為了研究溫度變化對塔頂位移的影響，選取典型氣候條件下，進行連續(xù)24 h的偏位測量。

3.3" 承臺沉降

隨著主塔和主梁施工的推進，承臺承受的壓力增大，可能導(dǎo)致承臺出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，這對橋梁的結(jié)構(gòu)整體性和功能性都可能產(chǎn)生顯著影響。主塔承臺沉降監(jiān)測的主要目的是確保橋梁的上部結(jié)構(gòu)安裝精度和標(biāo)高一致性，以及維護整體結(jié)構(gòu)的受力平衡。承臺的均勻沉降雖然對結(jié)構(gòu)受力的直接影響較小，但可能會顯著影響主梁的整體標(biāo)高，導(dǎo)致與設(shè)計標(biāo)高出現(xiàn)偏差，影響橋梁與相鄰引橋的順暢連接[5]。而不均勻沉降則可能對結(jié)構(gòu)受力和上部主梁線形產(chǎn)生較大影響，因此監(jiān)測和控制沉降至關(guān)重要。

測點布設(shè)：在主塔承臺上布置沉降觀測點，每個承臺通常布置4個觀測點。這些觀測點均勻分布于承臺的關(guān)鍵位置，以全面捕捉可能的沉降行為。

監(jiān)測儀器及方法：承臺沉降的監(jiān)測主要采用精密水準(zhǔn)儀進行。

監(jiān)測流程包括：①初始測量，在承臺施工完成后立即進行首次標(biāo)高測量，以建立初始數(shù)據(jù)基線。②定期跟蹤測量，隨后根據(jù)施工進度和結(jié)構(gòu)負(fù)荷情況，定期測量承臺觀測點的標(biāo)高變化。在主塔施工期間，建議每2個月進行一次測量；在主梁施工期間，每完成2個梁段后進行一次測試。

3.4" 應(yīng)力監(jiān)測

施工應(yīng)力監(jiān)測主要是為了補充設(shè)計計算中的不確定性，比如物理力學(xué)參數(shù)和時間參數(shù)在實際工程中的偏差。通過對主塔和梁體的控制截面進行應(yīng)力監(jiān)控，可以提供必要的數(shù)據(jù)支持，確保設(shè)計和施工控制的準(zhǔn)確性。

測點布設(shè)：在主塔的關(guān)鍵部位，特別是塔柱根部和主梁與主塔交接截面附近，布置應(yīng)力監(jiān)測截面。全橋主塔應(yīng)力監(jiān)測截面共設(shè)4個，每個截面配置8個應(yīng)變傳感器。在主塔塔柱安裝并澆筑混凝土后立即進行應(yīng)力測試。在上/下塔柱節(jié)段施工進行至一半時，再次測試A-A斷面及B-B斷面的應(yīng)力。在主梁施工過程中，分別在施工完成1/4、1/2、3/4階段及合龍前后各進行一次應(yīng)力測試。

橋面鋪裝完成后，進行最終的應(yīng)力測試，以驗證整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。通過這些綜合的應(yīng)力監(jiān)測措施，可以確保施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)始終得到有效控制，及時發(fā)現(xiàn)并解決由應(yīng)力異常引起的結(jié)構(gòu)問題，從而保障斜拉橋的長期穩(wěn)定性和安全性。

4" 結(jié)束語

本研究通過深入分析和實施綜合的監(jiān)控策略，預(yù)期能有效調(diào)節(jié)斜拉橋在施工過程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)的安全性和功能性。精確的施工監(jiān)控不僅能提高工程質(zhì)量，還能為未來類似的大型橋梁工程提供重要的實踐經(jīng)驗和技術(shù)支持，展示系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)在現(xiàn)代橋梁工程中的應(yīng)用價值。

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