桥梁隧道施工监控与检测讲稿

第一章 桥梁施工监控

第一节 桥梁施工监控的意义

桥梁监控是新桥施工过程中，按照实际施工工况，对桥梁结构的内力和线型进行量测，经过误差分析，继而修正调整以尽可能达到设计目标。桥梁监控，也称桥梁施工监控或桥梁施工控制。在大跨径悬索桥、斜拉桥、拱桥和连续刚构桥、连续梁桥的平衡悬臂浇筑施工中，其后一块件是通过预应力筋及砼与前一块件相接而成，因此，每一施工阶段都是密切相关的。为使结构达到或接近设计的几何线形和受力状态，施工各阶段需对结构的几何位置和受力状态进行监测，根据测试值对下一阶段控制变量进行预测和制定调整方案，实现对结构施工控制。由于建桥材料的特性、施工误差等是随机变化的，因而施工条件不可能是理想状态。 因此，决定上部结构每一待浇块件的预拱度具有头等的重要性。

虽然可采用各种施工计算方法算出各施工阶段的预抛高值、位移值、挠度，但当按这些理论值进行施工时，结构的实际变形却未必能达到预期的结果。

这主要是由于设计时所采用的诸如材料的弹性模量、构件自重、砼的收缩徐变系数、施工临时荷载等设计参数，与实际工程中所表现出来的参数不完全一致而引起的；或者是由于施工中的立模误差、测量误差、观测误差、悬拼梁段的预制误差等；或者两者兼而有之。

这种偏差随着悬臂的不断加伸，逐渐累积，如不加以有效的控制和调整，主梁标高最终将显著地偏离设计目标，造成合龙困难，并影响成桥后的内力和线形。 所以，桥梁施工监控就是一个施工→量测→识别→修正→预告→施工的循环过程。其最基本的目的是确保施工中结构的安全，保证结构的外形和内力在规定的误差范围之内符合设计要求。

由于桥梁施工过程的复杂性及施工监控对桥梁工程质量的决定性作用，施工监控工作越来越受到重视。中华人民共和国《工程建设标准强制性条文》15.1.6条规定：大桥、特大桥或重要结构在施工阶段，对结构物的应力、变形值应有针对性的施工监测控制，以保证结构物的强度和稳定。同时《工程建设标准强制性条文》18.1.3条也规定：施工过程中，必须进行施工监控，确保施工质量。

第二节 桥梁施工监控的主要内容

桥梁施工监控的内容主要包括桥梁施工仿真分析及理论控制数据计算、施工监测、控制分析与调整。

施工的最终及理想目标是按照设计预定的施工方法、施工顺序及设计图纸进行施工，达到设计预定的成桥理想状态。成桥理想状态是指在恒载作用下，结构达到设计预定的线形和受力状态； 由于在实际施工中存在许多不确定因素，要想完全达到理想成桥状态存在许多困难。施工监控是最大限度实现这一理想目标的重要手段。准施工理想状态以成桥理想状态为初始条件，按实际施工相逆的步骤，逐步拆去每一个施工项对结构的影响，从而确定结构在施工各阶段的状态参数（轴线高程和应力），一般由倒退分析法确定；施工适时控制是在施工时，根据施工理想状态，按一定的规则调整，通过对影响结构变形和内力主要设计参数的识别进行修正，使结构性能、内力达到目标状态。 2.1 施工仿真分析及理论控制数据计算

施工仿真分析及理论控制数据计算是按照设计预定的施工方法及施工顺序，根据设计参数，建立正确的力学模型进行仿真计算。具体来讲，就是依据设计参数和控制参数，结合桥梁结构的结构状态、施工工况、施工荷载、二期恒载、活载等，输入有限元力学分析系统中，从分析系统中可获得结构按施工阶段进行的每阶段的内力和挠度及最终成桥状态的内力和挠度。复核设计提供的成桥恒载状态和各施工状态的变形和内力以及应力计算结果，以确定各施工状态的控制数据，如主梁立模标高；并且得到施工过程相应的状态变量，如主梁标高、控制截面应力。

桥梁监控中理论控制数据计算主要有前进分析、倒退分析两种分析方法，具体如下： ⑴ 前进分析

前进分析的目的在于确定成桥结构及各施工阶段的受力状态。这种计算的特点是：随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在不断改变，前期结构发生徐变和几何位置的改变，因而，前一阶段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。前进分析的计算可按有限元方法进行，是目前主要采用的方法。

⑵ 倒退分析

前进分析系统可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析，但由于分析中荷载的不断变化以及结构节点的相互影响，使最终结构轴线不可能达到设计轴线。因此，采用倒退分析在施工过程中设置预拱度，使在成桥状态时，结构线形满足设计要求。

倒退分析的基本思想是，假定成桥时刻结构内力分布满足前进分析时刻的结果，线形满足设计轴线。在此初始状态下，按照前进分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次卸除一个施工段对剩余结构的影响。在一个阶段内分析得到的结构位移、内力便是理想施工状态。 2.2 施工监测

施工监测是施工监控中非常重要的一个环节，施工监测是为施工监控服务的，所进行测试内容也是围绕施工监控进行的。施工监测的主要内容有主梁标高、主梁及桥墩控制截面的应力应变、墩台沉降。对于斜拉桥还有斜拉索的张力、对于悬索桥还有主缆的张力及垂度等。 2.3 控制分析与调整

施工仿真分析及理论控制数据计算得到的理想状态是我们期望在施工中实现的目标，而实际施工中结构状态总是由于设计参数、施工误差、测量误差、结构分析模型误差等因素偏离目标。为了能及时有效地将实测数据（体系本身的变化、挠度、应力、现场气温等）、调整参数信息、误差信息反馈到实际施工控制中，指导现场施工作业，可编制基于现代控制论中的随机最优控制理论和有限元法的的计算程序，将实测结构控制参数输入，得出有效调整量，获得最优调整方案，同时预告下阶段结构状态。桥梁施工中比较典型的误差、误差的严重程度以及解决方法分析如下： 1、结构刚度误差

引起结构刚度误差的因素，一方面是混凝土弹性模量的改变，另一方面截面尺寸的变化，都对刚度有所影响。对于对称悬臂施工的连续梁桥来说，如果整体刚度提高，虽然浇筑混凝土过程中主梁变形量会减少，但是张拉预应力束过程中变形量也会减少。所以，结构刚度误差对施工控制质量的危害不大。 2、浇筑混凝土误差

浇筑混凝土误差，即超方现象是浇筑混凝土过程中难以克服的误差，产生的原因有两方面。一方面是浇筑混凝土时，由现场施工负责人估计顶、底板混凝土厚度而产生的误差，另一方面是由模板变形和混凝土容重变化而产生的误差。混凝土超方对连续梁桥施工阶段的内力和线型影响较大，特别是两侧出现不平衡超方时，影响就更大。当结构悬臂伸长时，危害急剧增加。在施工过程中，通过改进施工方法减少误差的产生是很有必要的，也是可行的。对悬臂施工的连续梁桥来说，由于两悬臂端对称荷载对结构的影响比单侧荷载要小的多，所以，施工中出现两侧不平衡荷载时，可以考虑在轻的一侧增加重量，只要保持平衡，影响不会太大。

3、桥面临时荷载影响

桥面临时荷载的影响类似于混凝土超方，既存在对称荷载，也存在单侧荷载。桥面临时荷载可分为两类，第一类相对固定，如卷扬机、压浆机、吊索机、施工简易房等；第二类比较随机，如桥面上堆放的钢筋、型钢、锚具等。由于桥面荷载随机性较大，只能通过实地观察，估计桥面荷载的重量以及位置，在计算数据中考虑。如果能准确估计第一类荷载的重量，并且随时记录第二类荷载堆放的时间和重量，是能够在计算中消除此类误差的。由于临时荷载是随机的，如果把每一种荷载影响作为荷载工况输入跟踪计算，并不方便。一般情况下，可先进行试算，将各种荷载影响的结果算出，作为修正值现场修正会比较方便。 当结构处于悬臂状态时，桥面临时荷载的影响效果同浇筑混凝土的超方现象。由于它是随机的，所以较难掌握。在施工过程中，加强施工管理，除了必须的施工设备外，对于无用的设备及时清理，并且尽可能保持桥面荷载的平衡性。在计算中要考虑临时荷载的影响，特别是在挂篮定位时要将不平衡的临时荷载影响排除。

4、挂篮及模板定位误差

由于挂篮是一个庞大的结构物，加上挂篮本身刚度的影响，实际施工时挂篮位置很难做到与设计一致。挂篮模板定位包括外模板和内模板的定位，外模板决定了梁底标高，而内模板决定了桥面的标高。 挂篮定位是控制主梁标高最重要也是最直接的手段，定位时只要态度认真，并且挂篮在设计上是合理的，挂篮定位误差能够控制在允许范围以内。一般桥梁工地都是24小时工作制，在挂篮定

位时其它工序仍在进行，所以挂篮定位必须考虑温度和临时荷载的影响。 5、挂篮变形误差

浇筑混凝土过程中，挂篮会发生变形，这包括纵向变形和横向变形，也包括弹性变形和非弹性变形。挂篮非弹性变形对施工控制质量有较大影响，特别是后支点挂篮，由于无拉索帮助，挂篮受力较大。前支点挂篮由于拉索帮助，其纵梁的受力得到很大改善，但是，对于宽桥，前支点挂篮优点不明显，其主要受力在横向，所以前支点挂篮的横向受力更为重要。 6、温度影响

温度影响是施工控制中较难掌握的因素，这主要是因为温度始终变化无常，而且在同一时刻，结构各部分也存在温差。所以，在结构计算中一般不把温度影响作为单独工况，而是将温度影响单独列出，作为修正。温度测量也比较困难，一般情况下，只能测气温，而气温和结构温度是有很大差别的。温度影响产生桥梁挠度变化有两种情况：均匀温差、箱梁内外侧的相对温差。温度变化虽然随时存在，但其对施工控制的危害主要表现在挂篮定位时，选择夜间或者早晨进行挂篮定位比较合适。温度影响变化无常，每座桥都有各自特点，所以施工控制前必须加强观测，及时掌握规律，尽可能排除温度影响。如果能掌握温度引起挠度的变化规律，可以将挂篮定位安排在任意的时间进行，对于加快施工进度是有好处的。

7、预应力束张拉力误差

预应力束张拉误差一方面由张拉千斤顶的油压表读数误差引起，另一方面由各种预应力损失引起。预应力损失包括：①管道摩阻力，②锚具损失，③温度损失，④钢丝松弛，⑤徐变损失。应定期或发现异常时对张拉千斤顶的油压表进行标定，施工时应尽量使预应力管道顺直，不得随意改变预应力管道的位置。在预应力张拉时，严格按双控工艺张拉。对于预应力一次施加到位的结构，应尽量延长混凝土的加载龄期。

⑴ 变形控制

通过对桥梁实施线形控制，使其结构在施工过程中的实际位置(平面位置、立面位置)与预期状态之间的误差在规范允许范围之内，保证桥梁顺利合龙、成桥线形符合设计要求。

⑵ 稳定控制

桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全。通过稳定分析计算(稳定安全系数)，并结合结构应力、变形的监测数据综合评定、控制施工过程中各阶段结构的稳定性

⑶ 安全控制

通过桥梁施工全过程监控，掌握桥梁施工过程中自重、施工以及由于安装误差和其它不定因素产生的结构内力，得出成桥状态的实际受力状态，评定结构的受力安全性。

⑷ 数据控制

通过桥梁施工全过程监控，为优化桥梁的施工工序提供可靠的数据。

第四节 桥梁施工监控的允许误差范围

桥梁施工监控的允许误差范围详见中华人民共和国行业标准《公路工程质量检验评定标准（土建工程）》（JTG F80/1-2004），不同的桥型有所区别。连续梁悬臂浇筑梁段的允许偏差见表1。

表1 悬臂浇筑梁体实测项目及偏差允许值

5.1 永顺不二门大桥 5.1.1 工程概况

永顺县不二门大桥桥梁全长377.62米,跨径布置采用46米+100米+160米+60米(预应力混凝土刚构-连续箱梁)。主梁断面为单箱单室箱形截面。变截面箱梁梁底线型按1.7次抛物线变化，箱梁根部梁高为8.5m，跨中梁高为3 m，箱梁顶板全宽为12.8 m，底板宽度为6.8 m。主桥连续箱梁预应力采用三向预应力体系。

2号桥墩墩身设计为两片空心薄壁墩，墩身采用箱形截面，顺桥向长2.2m，横桥向宽6.8m，壁厚顺桥向0.55m，横桥向1.2m，墩高75m；桥墩基础为6根D250cm挖孔桩基配2.75米高承台，承台顺桥向长为11.3m，横桥向宽为14m。3号桥墩墩身设计为箱形截面，顺桥向长3.8m，横桥向宽6.8m，壁厚顺桥向0.9m，横桥向1.2m，墩高23m；桥墩基础为6根D200cm挖孔桩基配2.75米高承台，承台顺桥向长为9m，横桥向宽为12.5m。

桥面宽度：0.5m（防撞栏杆）+12m（行车道）+0.5m（防撞栏杆），荷载等级：公路Ⅱ级，人群荷载3.5kN/m3。

永顺岸边跨63.75m现浇段采用搭设支架浇筑。边跨及中跨合龙段长均为225cm，每个合龙段砼约为18.3m3。全桥合龙顺序为永顺岸次边跨→中跨。

图1 主跨合龙施工结束后的永顺县不二门大桥

图2 永顺县不二门大桥主跨合龙施工

永顺不二门大桥的施工难点： ⑴ 墩高，2#墩高达75米； ⑵ 跨度较大，主跨达160米；

⑶ 3#墩挂篮不对称施工：1#-6#块为完全对称结构；7#-11#块截面相同，但保靖侧箱梁分别有J型、K型、L型、F型、R型齿块，为不对称结构；12#-17#块两侧箱梁截面尺寸不同，保靖侧箱梁腹板、底板都较永顺侧厚，为不对称结构；18#-22#块只有永顺侧有，故需要在保靖侧进行配重以平衡不对称力矩，是中南地区跨度最大的不对称刚构连续梁桥。

⑷ 结构复杂：2#墩为墩梁固结、1#及3#

墩为盆式支座，结构体系转换次数多。

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图3 永顺县不二门大桥桥型布置立面图

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5.1.2 桥梁施工阶段划分及梁段施工程序

箱梁每个梁段施工程序：

⑴ 安装挂篮就位； ⑵ 立模，测立模标高，； ⑶ 绑扎钢筋骨架； ⑷ 浇筑箱梁砼；

⑸ 测标高；

⑹ 待砼强度达到85%后，先张拉竖向预应力，后张拉纵向预应力束； ⑺ 测标高；

⑻ 移动挂篮，进行下一段的施工； ⑼ 对已张拉的预应力孔道及时压浆

5.1.3 施工仿真计算

计算程序采用空间杆系计算分析程序，严格按上述施工阶段划分及梁段施工程序进行仿真模拟。施工监控是个循环过程，必须根据测量、分析结果反复计算，这就牵涉到计算参数的不断修正，使计算模型更接近实际结构。在计算初期，一般采用设计参数或经验参数。计算参数如下：

主梁混凝土：C55混凝土，容重26.5kN/m3，弹性模量3.45E+4MPa； 墩身混凝土：C40混凝土，容重26.0kN/m3，弹性模量3.25E+4MPa； 墩身混凝土：C30混凝土，容重26.0kN/m3，弹性模量3.0E+4MPa； ④桥面混凝土铺装r=25kN/m3； ⑤桥面沥青混凝土铺装r=23kN/m3；

⑥预应力钢材：15.24mm低松弛钢绞线弹性模量E=1.95E+5MPa，标准抗拉强度Ryb=1860MPa，张拉控制力=0.75Ryb=1395MPa。 ⑦挂篮重量根据施工单位提供数据取800KN。

结构计算有限元模型见图4，全桥共有168个单元，168个节点。初步计算结果如下：

①在悬臂施工过程中，主梁混凝土最大压应力为11.73MPa，无拉应力出现，满足规范要求；

②合龙后，主梁混凝土最大压应力为14.34MPa，无拉应力出现，满足规范要求； ③考虑施工和运营状态，施工中主梁的最大预拱度约为100mm。

以上数据为初步计算结果，在施工过程中会随实际情况改变，现场监控数据以监控指令方式传递。

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图4 永顺县不二门大桥结构计算全桥有限元模型图

图5

永顺县不二门大桥结构计算最大悬臂状态有限元模型图

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图6 永顺不二门大桥施工控制流程图

5.1.4 施工监测的方法和具体内容

施工监测是施工监控中非常重要的一个环节，施工监测是为施工监控服务的，所进行测试内容也是围绕施工监控进行的。为了保证整个施工监控的顺利进行，需要进行如下测试内容： ⑴ 施工过程中的应力监控

本桥的应力监控如下： （1）测试方法

目前，砼的应变测试有多种方法，其中电阻式应变计长期观测效果差；光纤光栅应变计由于仪器太贵仍未普及；而振弦式应变计由于使用频率作为输出信号，特别适用于恶劣环境下的应变长期观测，其稳定性好，测试方便，精度高。

施工过程中控制截面的关键点位采用振弦式应变计，采用振弦检测仪JMZX-300及VU-403（精度：1με）测试。所有的测试元件都应有可靠的标定数据。

（2）测点布置

为做好大桥施工监控，确保大桥安全、正常施工和运营，必须测定主梁和桥墩控制截面的混凝土应变在施工过程中的变化情况。应力应变测试断面的测点布置如下：

（1）桥墩底部位置（承台上来2米的横截面位置），布置见图9； （2）主梁的根部位置，布置见图7； （3）主梁L/2跨的位置，布置见图8； （4）主梁L/4跨的位置，布置见图8；

图7 主梁根部横截面测点布置图

图8 主梁L/2跨、L/4跨横截面测点布置图

图9 桥墩底部横截面测点布置图

⑵ 施工过程中箱梁的线型监控

测定主梁挠度、主梁轴线偏差和桥墩位移的变化情况，主要观测混凝土浇筑前、浇筑后及预应力张拉后各控制点的线型等。箱梁的线型监控如下：

① 测点布置

当前施工梁段砼达到强度前测点临时布置在挂篮底模的最前端处，上游、中轴线、下游各布一个，共三个，这三个点是立模标高的观测点，断面中心测点同时也作为主梁轴线偏位的测点。同时在每个悬臂浇筑梁段的顶板处设置三个主梁标高控制测点，分别布置在梁段前端顶面的两侧和断面中心处，距箱梁最前沿约10cm的距离。待砼达到一强度后，测定顶板测点标志与挂蓝上立模测点间的高差，已施工完梁段的后续测量就全部转移至梁顶测点上。测点须用短钢筋预埋设置并用红漆标明编号，测点钢筋露出混凝土表面5cm。施工方一定要注意埋设在顶板的钢筋头测点的保护工作，所有梁段的钢筋头测点在桥面铺装之前不能被损坏。

为了确保桥面的平顺性，以利于桥面铺装的顺利实施，在控制梁底标高的同时，要同时控制梁高、桥面横坡和桥面的平整性。

② 测试方法

用精密水准仪DNA03（精度：0.01mm）测量测点标高，用高精度全站仪监测主墩上临时水准点标高。

主梁立模定位应尽量回避温度影响，一般在日出前完成测试工作。

5.1.5 监控效果

前后历经七年，在建桥各方的共同努力下，不二门大桥监控工作已顺利结束。在桥梁施工过程中，建桥各方严格执行“监控实施细则”的相关规定，合理安排工序作业时间，积极配合施工监控工作。从实测数据来看：

1. 上部结构箱梁线形平顺，符合设计要求；

2. 实测应力与理论值吻合良好，误差均在2Mpa以内。

监控工作保证了施工过程中结构受力的安全，取得了预期的成效。

5.2 张罗公路王村特大桥 5.2.1 工程概况

王村大桥为张家界至罗依溪二级公路的一座大型钢管混凝土桥梁，孔径布置为（2×13+200+5×13），设计荷载为：汽—20级，挂—100级。拱桥部分矢跨比=1/5，矢高40.426m(未计预拱度时之矢高)，拱轴系数m=1.543。每片拱肋由4Φ750×12mm的钢管用缀板缀条组成四肢式钢管混凝土格构柱结构，拱肋腹杆钢管规格Φ300×10mm，平联钢板厚度δ=10mm；横撑主弦管规格Φ=500×10mm，横撑腹杆钢管规格Φ250×8mm，均为16Mn钢。两条拱肋的中心距为14m，拱肋间共设置10道横撑，每道横撑为空钢管构成的桁式梁。拱上立柱采用Φ800×10mm钢管，管内浇筑50号微膨胀混凝土，拱上立柱通过预埋件与拱肋和横梁焊接牢固，横梁为预制钢筋混凝土构件，吊杆采用热挤聚乙烯防护吊杆，低松弛镀锌钢绞线，吊杆间距6.5米，锚具采用LM型冷铸镦头锚，下端为固定端，上端为张

且弹性模量的取值难以精确计算。此外，钢结构对温度的变化较为敏感，所有这些都使线形控制的难度非常之大。 5.2.2 桥梁施工阶段划分及施工程序

王村大桥施工工艺流程图

5.2.3 施工仿真计算

桥梁是一个复杂的受力系统，为了准确的对王村大桥进行受力分析，用美国大型有限元结构分析软件ANSYS，按照施工过程采用Beam44梁单元建立了一个

全空间力学模型，具体模型见图12、图13。

图12 王村大桥成桥后结构分析模型

图13 王村大桥施工过程仿真分析模型

拱桥施工过程中的受力状态与成拱后的受力状态有本质区别，施工过程中主要表现为梁的受力状态，往往会出现拉应力，而成拱后主要表现为小偏压构件的受力状态，一般不会出现拉应力。拱桥最危险的时候不是在成桥后，而是在成拱前。计算结果表明，在各施工工况下，钢管和砼的应力均满足规范要求。

为了保证吊装过程中的安全，采用缆索吊装施工的桥梁还需计算缆吊系统主塔架的垂直压力、水平不平衡力、主索张力、扣索张力。为稳妥起见，对于各工况下的扣索张力，长沙理工大学王村大桥施工监控部除了采用有限元程序ANSYS计算外，还采用了力法进行手算，手算过程如下：

手算考虑了三种情况，分别为：

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