浅论钢管混凝土系杆拱桥施工质量监控

1浅析钢管混凝土拱桥施工质量监控王少伟，周正富，李超（芜湖市公路管理局，芜湖241000）摘要：文章对钢管混凝土拱桥施工监控的目的和意义、指导原则、内容与方法等方面进行了总结分析，还分析了施工控制中造成控制误差的主要因素，最后针对性地提出了相应处理方法。关键词：钢管混凝土系杆拱桥；施工监控；理论研究钢管混凝土(FilledConcreteSteelTube，简称CFST)构件是指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件。钢管混凝土拱桥一般具有轴压承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好、经济效果好等特点，是近年来国内应用最多的桥型之一。作为一种新型桥梁结构，钢管混凝土拱桥在我国仍处于发展阶段，目前尚无专门的设计与施工规范。随着跨径的不断增大，结构体系愈来愈复杂，施工难度越来越大，在建设过程中逐渐暴露出一些问题。为了保证钢管混凝土拱桥这一新型桥梁结构安全可靠的使用，在其施工阶段有必要对桥梁施工过程进行有效监控。将有利于为施工质量及安全提供保障，同时也为桥梁运营阶段健康监测与维护管理积累宝贵资料。1钢管混凝土拱桥施工钢管混凝土拱桥结构性能优越、跨越能力大、结构体系灵活，既可做成有推力拱，也可做成无推力的系杆拱，并能较好地适应不同地质与地形，且外形优美[1]。因施工方法的不同，桥梁各阶段内力变化情况亦不尽相同。在大桥建设过程中需根据工程实际情况采用适当的施工方法。2图1钢管混凝土拱桥主要施工方法简图钢管混凝土拱桥的整个施工过程大致可划分为四个阶段:第一阶段是钢管拱肋制作；第二阶段是架设空钢管拱段形成裸拱(即骨架)；第三阶段是向空钢管拱内灌注混凝土形成钢管混凝土拱；第四阶段是桥道系的安装施工。钢管拱肋的架设可以根据不同的施工条件采用不同的施工方法，主要有支架施工法、缆索吊装法、平转法、竖转法，或几种方法综合应用(如少支架施工、平转与竖转结合等)如图1所示。2施工监控目的及意义桥梁施工监控的目的是使成桥后结构内力和线形处于有效的控制之内，并最大限度的符合设计理想状态，确保施工质量和安全性。通过对施工过程进行监测收集控制参数，经过理论计算和实测结果的比较分析、误差调整，预测后续施工过程的结构状态，进而提出后续施工过程应采取的技术措施[6]。3钢管混凝土拱桥施工监控原则及要求3.1施工监控原则根据钢管混凝土拱桥的结构特点，其施工控制应遵循以下控制原则:在拱肋稳定性满足要求的前提下，对变形、应力进行双控。其中，以变形控制为主，严格控制各个控制截面的挠度和拱轴线的偏移，同时兼顾应力发展情况。3.2施工监控的基本要求施工控制的基本要求是确保施工过程中的结构安全，保证桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，成桥状态(包括成桥线形、结构内力)符合设计要求。施工控制系统应满足以下要求:(l)控制系统应具有良好的适应性，对于施工过程中可能出现的各种情况，能够正确、及时处理；(2)控制项目应根据实际需要选择确定（如索力、扣点标高、拱肋应力等）；(3)施工过程中，对索力或轴线位置的控制都应有一定的宽容度，以适应实际需要；(4)施工控制系统应能根据现场情况，及时制定出最佳的索力调整方案，调整次数应尽量少。4钢管混凝土拱桥施工监控内容桥梁施工控制主要包括三个方面内容，即结构的几何(变形)控制、应力控制、稳定控制。大跨度钢管混凝土拱桥的施工控制是一个循环过程，即施工→量测→识别→修正→预告→施工的。该体系结构总框图如图2。3图2钢管混凝土拱桥的施工控制流程图图2中的施工控制流程图包含三个系统:虚线内为监测系统、点划线内为解析系统、其余的则为实时控制分析系统。施工监测系统是大跨度桥梁施工控制系统的一个重要组成部分，各种桥梁施工控制中都必须根据实际施工情况与控制目标建立完善的监测系统。监测系统在排除环境影响的条件下，可跟踪施工过程并获取结构的真实状态。监测系统的主要内容包括：结构设计参数监测、几何形态监测、应力监测、动力监测和温度监测。图3为施工监测系统示意图。图3钢管混凝土施工监测系统示意图5钢管混凝土拱桥施工监控的基本方法桥梁施工监控的主要任务是桥梁施工过程的安全及结构线形、内力状态控制。根据桥梁结构形式、施工特点及具体控制内容的不同，其施工控制方法也不尽相同。总的来讲，桥梁施工控制可分为开环控制法、闭环反馈控制法、自适应控制法、综合方法。5.1开环控制法对于较简单桥型施工，一般按照设计中估计的状态变量施工，完工后的结构基本上能够达到设计所需的线型和内力要求，此类即是开环施工过程。施工过程中控制是单向的，不需4要结构的反应来改变施工中的状态变量。当结构的安装误差影响不大时，开环控制方法较为可行。通常应用于大中小桥梁中。5.2闭环反馈控制对于较复杂的桥型，实际施工状态和计算状态之间存在差异，且在每个施工阶段的积累误差不可忽略。在出现误差之后须及时纠正，纠正的措施和控制量的大小必须由误差反馈计算决定，从而形成了闭环反馈控制过程。5.3自适应控制法对于钢管混凝土拱桥进行施工控制，通常采用自适应控制法。这种方法是在闭环反馈控制的基础上，消除由模型误差和测量噪声所引起的结构状态误差，然后加上系统参数（如截面几何特性、材料密度、弹性模量、混凝土收缩徐变）等识别过程系统。即施工→量测→参数识别→分析→修正→预测→施工的循环过程。最后比较测量的受力状态与模型计算结果，依据两者的误差进行参数调整，使得模型的输出结果与实际测量结果相一致，再利用修正的计算模型参数，重新计算各施工阶段理想状态，按反馈控制方法对结构进行综合分析和判断，并对误差原因进行分析。经过几个工况的反复识别后，计算模型基本上与实际结构相一致，在此基础上可对施工状态进行较好的控制。5.4综合方法除了上述三种控制方法之外，还有其他一些控制方法，如最优控制、模糊控制、专家系统控制等。随着桥梁结构形式、施工特点及具体施工方法的不同，其施工控制的方法也不同。一般而言，对于大跨度桥梁均需采用多种方法同时进行施工控制，即采用综合方法。6钢管混凝土拱桥施工控制影响因素对于钢管混凝土拱桥来说，影响施工控制的因素涉及范围极其广泛，包括设计参数误差、施工工艺误差、施工监测误差、结构分析计算模型误差、施工管理等。6.1设计参数误差设计参数误差，即在进行桥梁施工控制结构分析时所采用的理想设计参数值与结构实际状态所具有的相应设计参数值的偏差。对于钢管混凝土拱桥，设计参数误差主要包括以下几个方面:（1）结构几何形态参数误差、（2）结构构件截面尺寸误差、（3）材料特性参数误差、（4）与时间相关的参数误差、（5）荷载参数误差。6.2施工工艺误差钢管混凝土拱桥施工主要包括空钢管拱肋的安装、弦杆内混凝土浇注以及桥道系安装三个主要阶段。主要存在以下施工误差:拱肋的制作误差、拱肋线形的安装误差、管内灌注混凝土的密实度误差、混凝土配合比误差、桥道系预制构件制作误差及桥道系线形施工误差。56.3施工监测误差由于测量仪器、仪器安装、测量方法、数据采集、环境情况等情况引起的误差，称为施工监测误差。该误差一方面可能造成结构实际参数、状态与设计或控制值吻合较好的假象，也可能造成将本来较好的状态调整得更差的情况。因此，保证测量的可靠性对于施工控制极为重要。6.4结构分析计算模型误差在结构分析中需对实际桥梁结构进行建立计算模型简化。这种简化使得计算机模型与实际情况之间存在误差，包括各种假定、边界条件处理、模型化的本身精度等。控制中，必要时需要对简化进行专门的试验研究，以使建模误差所产生的影响减到最低限度。6.5施工管理质量桥梁施工控制的对象就是桥梁施工本身，施工管理的好坏直接影响到桥梁施工质量、进度等。特别是施工进度一旦不按计划进行，必然给施工控制带来一定的难度。6.6降低误差的方法通过对误差原因的分析，降低误差可从以下几个方面着手:(l)仿真计算与施工实施相互靠近；(2)计算参数的取值接近实际；(3)减小环境影响，应以年平均温度为准，根据实测数据进行修正，避免强日照及风大时测量；(4)严格施工管理，测量精心操作；(5)优化结构计算模型，对于空间析架拱桥应采用三维模型，考虑结构的几何非线性及材料非线性。7结语文章简单总结了桥梁施工监控的发展概况，列举了桥梁现场施工控制的原则、内容与方法，并详细分析了钢管混凝土拱桥施工控制中造成施工控制误差的因素，最后提出了应对方法。对于钢管混凝土拱桥施工质量监控具有一定指导意义。参考文献：[1]邵旭东.桥梁工程.北京：人民交通出版社，2004.[2]姚玲森.桥梁工程.北京：人民交通出版社，1985.[3]蔡绍怀.论钢筋混凝土在拱桥工程中的应用.中国土木工程学会第五届年会暨第二次全国城市桥梁学术会议论文集.天津:天津大学出版社，1999.[4]陈宝春.桥梁建设.钢管混凝土拱桥发展综述.1997(2).[5]陈宝春.钢管混凝土拱桥实例集(一).北京:人民交通出版社，2002.[6]刘浩.大跨径钢管混凝土拱桥力学行为分析与监侧.重庆:重庆交通学院，2001.6作者简介：王少伟男1981.10助工芜湖市公路管理局芜湖市赭山中路8号市公路局邮编：2410002008年毕业于长沙理工大学公路工程学院，工学硕士13955317880