施工监测监控技术在大型斜拉桥施工中的应用

来源：核心期刊咨询网核心期刊论文2014-02-14 11:351

摘要：摘要：大型斜拉桥施工监测监控是一个施工测量计算分析修正预告的循环过程，最根本的要求是在确保结构安全施工的前提下，要做到主梁线形和内力符合设计规定的允许误差范围，而测量是施工监测监控中的重要环节，它包括几何指标参量的测量和力学指标参量的测量

　　摘要：大型斜拉桥施工监测监控是一个“施工→测量→计算分析→修正→预告”的循环过程，最根本的要求是在确保结构安全施工的前提下，要做到主梁线形和内力符合设计规定的允许误差范围，而测量是施工监测监控中的重要环节，它包括几何指标参量的测量和力学指标参量的测量两部分。本文结合湛江海湾大桥主梁施工工程实践，介绍在该项工程中实施的测量监测的项目和施测方案。

　　关键词：湛江海湾大桥 斜拉桥  施工监测监控

　　湛江海湾大桥主桥为斜拉桥全长840m，为双塔双索面混合梁斜拉桥，跨度组成为60+120+480+120+60m。主桥主跨为跨径480m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主梁钢箱梁采用架梁机吊装施工。

　　因斜拉桥为高次超静定结构，它对成桥线形即主梁线形有很严格的要求，一旦主梁线形偏离设计值，势必导致结构内力偏离设计值，从而影响拉索、索塔和主梁内力的分配，造成合拢困难。而影响斜拉桥主梁施工线形的因素众多，既有设计方面的因素，如设计计算时所采用材料的弹性模量、构件重量、混凝土的收缩徐变系数、施工中温度变化以及施工临时荷载等与实际工程中所表现出来的不完全一致的原因；又有施工方面的因素，如混凝土配合比误差、预应力张拉和索力调整的误差、钢筋绑扎误差等；还有施工测量方面的因素，如梁段断面尺寸的误差、测量定位的误差和测量控制基准的误差等；以及外界因素的影响，如温度的变化、风力和日照的作用等，由于上述众多因素的影响及其间的相互干扰，使斜拉桥结构内力与主梁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，但在实际工程中按理论计算的索力和线形进行施工时，结构的实际变形却未必能达到预期的效果，大型斜拉桥在施工中所表现出来的这种理论与实际的偏差，随着梁段长度的增加具有累积性，如不施加及时有效的控制和调整措施，随着主梁悬臂施工长度的增加，主梁标高最终会明显地偏离计算目标，造成上述所说的合拢困难和影响成桥后的内力及线形，因此文献[1]明确规定：在大型斜拉桥主梁施工期间必须

　　进行监测监控，它是保证斜拉桥达到设计线形的重要和必不可少的手段。

　　1 测量监测的项目

　　1.1 主梁挠度变形监测

　　采用架梁机吊装钢箱梁法进行主梁施工，每个梁段一般分以下几个施工步骤进行施工：架梁机就位→吊装钢箱梁→张拉索力到50%~60%→解除吊机约束→张拉至100%索力，上述每个施工工况的交替改变，都将引起主梁线形竖向变化即挠度，这种挠度变形是否与理论计算的变形值相吻合，应进行实际测量并比较，以确定下一个梁段的施工标高，因此主梁施工期间的挠度变形监测是测量监测的主要项目之一。

　　1.2 索塔变形监测

　　斜拉桥主梁的重量，主要是通过斜拉索作用在索塔上，因此索塔两侧的主梁，在斜拉索的牵扯下，和索塔处于一种相对稳定的状态。斜拉桥的索塔，多为高大、结构内力分布复杂、受力的作用和外界环境变化影响敏感的柔性塔墩，一旦索塔两侧主梁施工出现不对称的施工误差，索塔就会产生弯曲变形，除此之外，温度和日照方向的变化，亦将引起索塔的变形，而索塔的变形，将直接通过斜拉索，使索塔两侧的主梁亦随之产生变形，这种由索塔变形所引起的主梁挠度变形，在大小和方向上与索塔顶顺桥向方向的水平位移的大小和方向有一一对应的关系，此外索塔过大的弯曲变形还将危及索塔的安全，因此，主梁施工期间的索塔变形监测亦是测量监测的主要项目之一。

　　1.3 索塔基础的沉降变形监测

　　在主梁施工期间，随着悬臂长度的不断增加，作用在索塔基础上的荷载愈来愈大，不断增加的荷载，有可能使索塔基础产生均匀或不均匀沉降，索塔基础的均匀沉降不会影响主梁施工的质量和安全，但两索塔间不等量的均匀沉降，将会造成中跨竖向合拢困难，除此之外，过大的均匀沉降，还会造成主梁与边跨的竖向合拢困难；索塔基础的不均匀沉降，首先导致索塔的倾斜，在斜拉索的作用下，索塔的倾斜间接地导致主梁的竖向挠度变形，因此主梁施工期间索塔基础的沉降变形监测，是测量监测的项目之一，除此之外，此项变形监测也是验证索塔基础设计计算是否合理和桩基施工质量的主要手段。

　　1.4 主梁中线的变形监测

　　湛江海湾大桥双索面斜拉桥同一块箱梁上有两根斜拉索，若两根拉索间的索力（长度）控制的不均匀，有可能造成箱梁中线的水平错位，此外索塔的扭转变形、风力和温度的作用，也有可能使已吊装箱梁的中线在水平方向上产生变形，此项变形的结果，将导致中跨和边跨的中线合拢困难而影响成桥线形，因此为及时发现和调整此项变形，在主梁施工期间，主梁中线的变形监测也是测量监测的项目之一。

　　综上所述，主梁挠度、中线的变形监测、索塔水平位移监测和索塔基础的沉降监测，是湛江海湾大桥上部构造（主梁）施工期间测量监测的主要内容。

　　2 主梁挠度变形监测的方法与精度

　　2.1 挠度变形监测的方法

　　主梁挠度变形监测，拟采用传统的精密水准仪+因瓦水准尺的精密水准测量方法，通过埋设在零号块上的基准点，定期向埋设在主梁各梁段上的监测点进行观测，则主梁上各监测点在不同工况下的标高变化，即代表该梁段在上述各种工况下的挠度变形。作为此项变形监测的基准点，埋设在索塔根部的零号块顶面，此处的桥面标高，基本上不受索塔变形和主梁施工及温度的影响，因此，可确保挠度变形监测基准的稳定性，基准点的数量，可布设2~3个，以便基准点间的相互检核以及某一点受到施工干扰时启用备用点；作为此项变形监测的监测点，布设在每一个梁段前端断面线附近，每个梁段布设三个点，其中一个点布设在桥中线上，另外两个点分别对称布设在左右翼板距外侧边缘约3m处，监测点用直径2~5mm的钢球加工制作而成，在钢箱梁吊装后焊接在钢箱梁顶面上，同一个梁段布设三个监测点，有二方面的作用：其一是通过三个监测点的挠度比较，可全面反映同一梁段各部位的挠度变形情况，包括左右侧翼板不对称的挠度变形即扭曲变形的情况，其二是通过三个点的挠度比较，可以验证测量成果的可靠性和精度；挠度变形监测的周期，以施工工况改变为划分标准，即在待施工梁段架梁机前移就位后、吊装钢箱梁后和拉索张拉100%索力后，分别对布设在已施工梁段上的监测点进行挠度变形观测，这种观测方法，即为所谓的斜拉桥主梁悬臂施工三阶段挠度观测法。

　　挠度监测的水准路线形式，常采用以基准点为起闭点的闭合水准路线，中跨和边跨主梁上的监测点，可构成两个独立的闭合水准路线。观测时采用西南交通大学研制的电子记簿系统进行外业记录和计算检核，合格后用在线连接的方式，把外业数据传输到计算机中，进行闭合差处理和挠度计算及分析。

　　2.2 挠度变形监测的精度

　　在目前的精密水准测量中，采用的精度等级主要有一等、二等和三等，其每测站高差观测的中误差分别为±0.07mm、±0.13mm和±0.30mm[2]，在大型土木工程建设中，常采用三等精密水准测量的精度进行挠度监测，下面分析这种监测精度在湛江海湾大桥主梁挠度变形观测中的灵敏度。

　　湛江海湾大桥主桥悬臂最大长度为240m，而三等精密水准每测站最大路线长度应不小于50m，因此，从基准点到最远监测点的水准测量测站数将不超过5个，则相对于基准点，最远监测点的高程中误差为：

　　最远监测点的挠度中误差为：

　　取2倍中误差为允许的极限误差，则最不利时挠度监测的误差为±1.9mm，显然这样的挠度监测的灵敏度，能满足主梁线形监控的需要，因此，欲在本次挠度监测中按三等精密水准的精度要求施测（相当于国家二等水准测量的精度），测站和路线的其它限差标准分别为：前后视距差小于0.5m，视距累积差小于1.0m，视线高度大于0.5m，基辅分划读数差和高差之差应分别小于±0.3mm和±0.7mm，路线的往返测高差较差或环闭合差，应小于（n为测站数）。

　　3 索塔变形监测的方法和精度

　　3.1索塔变形监测的方法

　　索塔在主梁施工期间的塔顶水平位移变形，拟采用测角和测距标称精度为±2秒和±（2+2×10-6）mm/km的全站仪及其配套棱镜，按极坐标测量的方法，以埋设在桥轴线（大致）方向上的两个测站点（一个为测站，另一个为后视方向点）为基准点，定期地向埋设在索塔顶的监测点进行监测，则不同工况下监测点x（顺桥向）和y（横桥向）坐标的变化量△x、△y，即为施工工况改变所引起的索塔顶在顺、横桥向方向的水平位移变形。作为此项变形监测的两个基准点，即为桥轴线附近的两个建有观测墩和强制对中器的平面控制网点，这两点的点位应稳定，点与点之间的相对精度在1/25万以上，因而也具有足够的精度作为索塔变形监测的基准点；作为此项变形监测的监测点，布设在索塔顶的四个角上，也焊接有强制对中装置，每个索塔布设四个监测点，也有两方面的作用，既可通过四个点的位移量比较，全面反映索塔的变形情况，包括索塔的扭转变形，也可通过四个点的位移量比较，验证测量成果的可靠性和精度情况；索塔变形监测的周期，也以施工工况改变为划分标准，同主梁挠度变形监测的周期类似，也采用“四阶段观测法”进行索塔变形监测。

　　3.2索塔变形监测的精度

　　极坐标法变形监测，变形量的中误差主要受仪器的测角和测距误差、测站点和后视点的对中误差及点位误差、监测点的对中误差、后视点和监测点的照准误差以及气象元素误差等的影响，由于测站点、后视点和监测点均采用了强制对中装置，因而可不考虑对中误差的影响；由于变形量为两坐标值之差，因而上述误差源中的固定误差部分，如测站点及后视点的点位误差、后视点及监测点的照准误差和光电测距中的固定误差等，在变形量计算时相互抵消了，因而也可不考虑这些误差的影响；根据有关资料统计，当温度的量测精度为±1℃，气压的量测精度为±2mb，则在1km范围内，气象元素误差所引起的乘常数误差将小于±1mm，因而只要对光电测距值进行气象改正，也可不考虑气象元素误差的影响，由此可见，索塔变形量的中误差主要受测角误差和测距中比例误差的影响。

　　考虑到测角误差主要影响监测点的横向精度，测距误差主要影响监测点的纵向精度，以及若由桥轴线附近的基准点（已施工的边墩顶面上所建立的控制网点）监测索塔的位移，则测站点到监测点的距离将不超过300m，按全站仪的标称精度，估算监测点的横向和纵向中误差分别为：

　　则横桥向和顺桥向位移量的中误差为：

　　仍取2倍中误差为允许的极限误差，则按上述方法和精度监测的索塔水平位移量的最大误差分别为：横桥向±8.22mm和顺桥向±1.70mm，考虑到湛江海湾大桥索塔在主梁施工过程中的最大变形量在100mm以上，则上述监测方法的精度为最大变形量的1/10，因而满足有关变形监测精度的规定，此外工程上最为关心的顺桥向方向位移量的监测精度达到±1.70mm，因此上述方法及其监测精度，能满足湛江海湾大桥主梁施工监测控制的精度要求。施测时，水平角应至少观测3个测回以上，测回间的角值互差应小于±4秒，测距时应注意量取温度和气压，并施加气象改正，此外还应注意仪器的整平和棱镜的倾角及指向。

　　4 索塔基础沉降监测的方法与精度

　　4.1沉降监测的方法

　　索塔基础沉降监测，仍采用传统的精密水准测量和精密跨河水准测量的方法，通过设置在岸上的基准点，定期地向布设在索塔承台基础上的监测点进行观测，则监测点在不同观测周期间标高的变化，即为承台基础在不同工况下的沉降变形。作为此项变形监测的基准点，在岸上至少应布设二个；作为此项变形监测的监测点，布设在承台的四周，共布设8个点，可充分反映承台基础的均匀沉降和不均匀沉降；沉降监测的周期，在整个主梁施工期间共观测8周期，约2个月观测一期或每施工3~4个梁段观测一期。

　　4.2 沉降监测的精度

　　按照前述的主梁挠度监测的设计精度，进行索塔基础的沉降监测，由于岸上基准点到监测点水准联测的测站数，最多也不超过4个测站，因而沉降监测的灵敏度也为±1.70mm，显然也能满足该工程施工监测监控的技术要求。

　　5 主梁中线变形监测的方法与精度

　　5.1主梁中线变形监测的方法

　　主梁中线在主梁施工期间的变形监测，拟采用经纬仪或全站仪视准线法进行观测，通过设置在东、西边跨和中跨上的三条桥中线作为基准线，定期地对布设在每个梁段上的中线点进行监测，则不同观测周期观测所得到的中线点相对于基准线横桥向方向上的偏距值之差值，即为不同工况下主梁中线的变形值。作为主梁中线变形监测的基准点，应布设6个，东边跨、西边跨和中跨各布设2个点，其中中跨的2个基准点，分别布设在斜拉桥两主墩河侧的零号块顶面，而东边跨或西边跨的两个基准点，一个布设在主墩岸侧的零号块顶面，另一个布设在岸上的适当位置处，布设时应注意基准点的稳定性和不受施工的干扰；作为主梁中线变形监测的监测点，在每个已施工梁段上各布设1个，具体位置为每个梁段前端断面线后退10~15cm的桥中线处，最好在浇筑混凝土前预埋10cm见方的钢板，并在钢板上放样出中点后冲眼作为监测点；中线变形监测的周期，建议在每个梁段施工全部完成后观测一次，这样，愈靠近零号块的梁段，其监测点被观测的次数愈多，该点相对于基准线横向偏距的变化，就代表该点所在梁段中线在后续梁段施工中的中线变形情况。

　　5.2主梁中线变形监测的精度

　　视准线法监测主梁中线的变形，变形量的中误差（M）主要地受测站点和后视点仪器和目标对中误差（M测中，M后中）、后视点和监测点的照准误差（M后照，M监照）、监测点的对点误差（M监点）和读数误差（M监读）等的影响，即：

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　　据报导上述各项误差在400m范围内的统计值为±1mm，则M=±2.45mm，即中线变形监测的灵敏度为±4.9mm，考虑到中线变形为不同周期观测横向偏距值之差，因而对横向偏距影响相同的误差在相减时可大部分抵消，故上述估算精度为最不利时的情况，实际的监测精度应比该值高得多，因此按上述方法和精度观测中线变形，应该也能满足中线变形监测的精度要求。

　　6 测量监测合理观测时间的确定

　　日照方向和温度变化对长悬臂挠度的影响规律是：温度上升、主梁下挠，下挠的幅度随悬臂长度的增加而增大，反之则相反；日照和温度变化对高大索塔水平位移的影响规律是：上午日照方向由东向西，温度上升，则索塔亦由东向西扭转，下午日照方向由西向东，温度下降，则索塔亦由西向东扭转，上述由日照方向和温度变化所引起的主梁挠度变形、索塔变形和中线变形的最佳监测时间，应选择在温度对主梁和主塔变形影响最小的时间段内完成，经过众多的工程实践证明， 这个时间段应为凌晨5:00~8:00，在湛江海湾大桥施工测量监控中同样也应遵循这个规律。

　　7 结束语

　　本文主要分析湛江海湾大桥斜拉桥主梁施工期间引起主梁和主塔变形的原因以及影响主梁线形和合拢精度的因素，据此确定主梁施工期间测量监测的内容和项目，最后结合湛江海湾大桥的实际情况，提出针对这些监测项目的变形监测方法及其施测精度。实践证明，本文所提出的监测方法和精度，能满足湛江海湾大桥主梁施工线形监控的技术要求和安全施工的目的。