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1太平湖大桥总体概况 太平湖大桥位于安徽省黄山区太平湖柳家梁峡 谷风景区，是铜陵至汤口高速公路中一座重要桥梁。 桥梁总长504m，主跨336m，桥宽30.8m，共66对吊 索。 拱轴形心线采用悬链线，两拱肋在竖直面内向 桥轴线侧倾斜100028.73，形成提篮式，在竖直面 内，两拱脚中心跨度为336m，矢高68m，矢跨比为 1 4.94，拱轴系数为1.55，设计荷载为汽车超20级。 桥梁总体布置如图1所示。 主拱肋采用钢管混凝土桁架形式，拱脚截面高 度为11.28m，拱顶截面高7.28m。 主拱肋断面由4根 f1280钢管和缀板拼成四肢桁式平放哑铃形，从拱顶 128020分段过渡到拱脚128024。 拱肋在竖直平 面内，上弦管跨度为342.65m，矢高68.32m，拱轴系 数1.552；下弦管跨度329.35m，矢高69.78m，拱轴系 数1.553。 拱肋风撑采用22道X风撑。 本桥主桥采用先拼装预制钢管拱圈， 再灌注混 凝土的施工方案；施工过程采用缆索搬运及吊装，拱 圈采用斜拉索辅助节段拼装方法安装， 施工工艺复 杂，对施工的技术要求较高。 拱肋、拱上立柱、吊杆、 桥面结构等的安装是本桥施工中的关键步骤。 安装 全过程中，保证上述各种组合构件具有足够的强度及 稳定性，是大桥顺利建成通车的关键。 本桥的规模与 技术、施工难度，在同类桥梁中，不论在国内还是在 国际上均处于前列水平。 某大跨度钢管混凝土拱桥施工监控技术与实践 徐德志 （广东省公路勘察规划设计院股份有限公司广州510507） 摘要：随着近年我国各地大跨度钢管混凝土拱桥数量的不断增多，其施工监控已成为大跨径、新型桥粱施工中必不可少 的部分，文中结合太平湖大桥施工监控实践，介绍了其施工控制方法、监测方法和控制成果，供同行参考。 关键词：钢管混凝土拱桥； 施工监控； 最小二乘法 Construction Monitoring Technology and Practice of Great Span CFST Arch Bridge Xu Dezhi （Guangdong Highway Design Institute Co.，Ltd.Guangzhou 510507，China） Abstract：Great span CFST arch bridge construction is on the rise in our country in recent years. The construction monitoring has become an essential part of the great span，new type bridges construction. Based on the construction monitoring of the Taiping Lake bridge，this article introduces the control method，monitoring method and control achievements，for reference. Keywords：CFST arch bridge；construction Monitoring；least square method 图1太平湖大桥主桥立面图 1-1 1 1 主桥：中承式钢管混凝土提篮拱桥 主跨L=338m，两侧引桥68m 铜陵 2 2 114.356（测时水位） 122.90（300年一遇水位） 122.20（100年一遇水位） 北岸引桥：先简支后连续小箱梁 南岸引桥：先简支后连续小箱梁 汤口 O（0，116.300，0） O（0，116.300，0） 30.8m O（0，0）Z X 100028.73 96.000 94.000 O（0，116.300，0） 101.000 103.000 Y X Y 广东土木与建筑 GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2013年3月 第3期 MAR 2013 No3 61 图2主拱吊装施工控制框图 前期结构分析计算 主拱肋预制 误差分析 预制误差分析 主拱安装施工 调整已存在误差修改设计参数 测量 主拱肋预制 无应力长度 误差 允许标准 扣索索力 主拱肋施工标高 标高、扣索力、 应力、扣塔应力 扣索力误差温度 影响计算图式误差 施 工 过 程 跟 踪 分 析 计 算 主 拱 安 装 构 件 预 制 施 工 准 备 徐德志： 某大跨度钢管混凝土拱桥施工监控技术与实践 2施工控制方法 本桥的施工分为5个主要阶段，即：施工准备、 拱肋节段预制，拱肋拼装，钢管内混凝土浇筑，桥面 系安装。 施工准备阶段的控制工作是确定拱肋节段的无 应力长度，确定安装时的扣索力，制定合适的拱肋节 段预制误差标准。 无应力长度可以通过施工过程仿 真计算结果反加构件的变形得到。拱肋制造误差标准 可以参照国内其它类似桥梁确定，标准确定后进行误 差累计模拟分析，以确认误差标准的可行。 扣索力则 通过使拱轴在成桥后的弯矩最小的原则，通过优化方 法求得。 拱肋预制完成后检查实际误差，从而修正施 工阶段的扣索力。 本桥在主拱拼装阶段，控制的目标是使主拱安 装完成后达到设计预计的裸拱位置， 拱肋节段现场 拼装是多次循环的节段拼装施工工艺，可以采用目 前桥梁监控中采用较广的自适应控制方法，即当测 量到的受力状态与模型计算结果不相符时，通过将 误差输入到参数辩识算法中调节计算模型的参数， 使模型输出结果与实际测量结果相一致，得到修正 的计算模型参数，再重新计算以后各工况的扣索力， 这样经过若干节段的反复辩识后，计算模型就基本 上与实际结构相一致了，在此基础上对以后节段施 工进行控制。 图2为拱肋控制基本原理，其控制目 标是通过扣索力的调整达到理想的拱轴线形。 主拱钢管合拢后，在形成钢管混凝土拱、安装桥 面系的施工过程中循环性的工序相当少，且对已施工 结构进行调整的措施不多，这就意味着自适应的过程 很少，很接近于采用开环控制。 因此，在施工前确定 合理的施工步骤，现场严格按预定的施工步骤施工， 及时发现和纠正已存在的误差， 是本桥灌注钢管内 混凝土及桥面系施工控制的关键。为了减少误差出现 的可能性，吊杆的下料长度可以在钢管混凝土灌注完 成后确定。 根据以上特点， 本桥的施工控制采取在结构稳 定性满足要求的前提下，对结构变形（高程）、应力进 行双控，其中以变形控制为主，严格控制拱肋关键截 面在危险工况的挠度变化、拱轴线偏位，同时关注材 料应力发展状态及趋势。高程的变化反映了结构的总 体宏观表现， 是结构各控制截面整体位移的综合反 映，应力跟踪测试是控制截面受力状态的直接反应。 3施工监测方法 大跨度钢管混凝土拱桥施工过程复杂，影响其施 工控制目标顺利实现的因素很多，如所用材料性能与 设计取值之间的差异，施工荷载与计算取值之间的差 异等， 因此施工中必须对一些重要的结构设计参数、 状态参数进行监测， 以获取反映实际施工情况的数 据和技术信息， 据此修正原先确定的各施工阶段的 理想状态，使施工状态处于控制范围之中。 3.1应力监测 根据对本桥在施工和成桥状态仿真计算和施工 控制的特点和主要目的，确定应力状态监测位置布置 在拱肋的拱脚、四分点、八分点、拱顶截面。 共计9个 断面，每个断面布设24=8个测点，计有72个测点。 3.2线形监测 在钢管混凝土拱桥所有施工监测项目中，线形监 测是最为重要的，因为相对于内力控制来说，线形控 制属于宏观控制，其变化是桥梁结构的整体表现。 为保证施工过程中线形数据的可比性和测点的 连续性，线形测点在各个施工过程中统一设置，施工 控制中线形测点布置在每个节段的前端，计有22个 断面，每个断面4个测点，计有88个测点。 3.3扣索索力和吊杆内力测试 在成桥状态， 吊杆内力是决定拱桥内力及形状 的关键因素，保证吊杆内力准确对结构的内力状态、 结构线形以及结构的稳定性具有重要意义。而扣索索 MAR 2013No32013年3月第3期 62 图4混凝土灌注过程中部分截面实测标高与 理论标高的变化曲线 訳下游上弦汤口岸6#测点 施工阶段 灌注前 12345678 竖向位移mm -6 -4 -2 0 2 4 6 訴下游上弦汤口岸9#测点 施工阶段 灌注前 12345678 -12 -10 -8 -6 -2 0 4 -4 2 实测位移 理论位移 实测位移 理论位移 图5钢管内混凝土灌注过程中部分截面 实测标高与理论标高的变化曲线 訴铜陵岸下游下弦内侧拱脚截面钢管 訳铜陵岸下游下弦外侧拱脚截面钢管 施工阶段 合拢松扣 1#管2#管3#管4#管5#管6#管7#管8#管 应力值MPa 0 90 10 80 20 70 30 60 40 50 实测应力 理论应力 施工阶段 合拢松扣 1#管2#管3#管4#管5#管6#管7#管8#管 实测应力 理论应力 应力值MPa 0 90 10 80 20 70 30 60 40 50 图3拱肋控制截面应力随施工阶段的变化曲线 訴汤口岸下游上弦外侧拱脚截面 訳铜陵岸下游上弦内侧拱脚截面 施工阶段 1234567891011 合拢 应力值MPa 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 实测应力 理论应力 施工阶段 1234567891011 合拢 应力值MPa 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 实测应力 理论应力 力的监测直接影响到钢管拱肋拼装时的空间线形和 钢管拱肋的施工安全，在本桥的施工控制中对所有 吊杆的内力和扣索索力进行跟踪测量。 扣索力和吊杆内力的测试采用随机振动方法测 定，用专用的夹具将加速度计固定在吊杆上，以测定 吊杆的振动。测量时不必对被测吊杆进行人为激励， 加速度计将索的随机振动信号转变成电信号，信号 经放大后送至动态信号采集系统进行记录并储存。 4施工监控方法 由于受各种误差的影响，按照理论计算给出的 预抬标高和索力进行施工时，实际结构的每一状态 未必能达到设计值，即存在一定的误差。 如果不适 时调整拱肋线形，不仅严重影响到桥梁美观和行车 舒适，也使拱肋的内力状态严重偏离设计值，影响桥 梁的使用寿命。 在拱肋吊装过程中通过调整扣索索 力来纠偏是工程中较常用的方法，本桥拱肋节段多， 吊装重量大，扣索力调整较困难，因此确定合理可行 的扣索力调整方案尤为重要。 本文采用在实际工程 中应用较多的最小二乘法作为扣索力调整的方法。 对采用缆索吊装法施工的大跨度钢管混凝土拱 而言，拱圈节段吊装阶段可以通过扣索调整拱圈的 内力与变形，而拱圈拼装完成后的施工偏差调整手 段不多，在施工阶段应用最小乘法对施工偏差进行 调整，是施工控制的主要手段。 5施工监控成果分析 5.1拱肋吊装过程的施工 监控 拱肋线形控制：从 铜陵岸上游上弦吊装阶段 各节段对应观测点的理论 定位值与实际定位值 （数 据表略）可见，大部分测点 是基本一致的。 钢管应力监测：图3 给出了几个控制截面应力 随施工阶段的变化曲线， 可见实测应力值在数值和 变化趋势上与理论值基本 一致，计算结果是准确的。 5.2灌注混凝土过程的施工监测 线形控制： 尽管合拢后拱肋线形可调范围已 不大，但灌注顺序也会影响到最终的成桥线形和受力 状态，因此根据合拢后的拱肋线形，对不同的灌注顺 序进行计算并确定了其最优方案， 不仅调整了拱肋 线形，还使得结构应力分布更为合理。图4列出了灌 注过程中部分控制截面实测标高值与理论标高值的 全过程变化曲线，可见计算值与实测值吻合较好。 拱肋钢管应力监测：图5给出了灌注钢管内 混凝土过程中部分控制截面实测应力值与理论计算 值的全过程变化曲线，可见计算值与实测值吻合较好。 拱肋稳定研究：由于混凝土灌注过程中钢管 广东土木与建筑MAR 2013No32013年3月第3期 竖向位移mm 63 表2桥面系施工过程的标高理论值与实测值 观测 位置 铜陵岸上游铜陵岸下游汤口岸上游汤口岸下游 横纵 梁 桥面板 +徐变 横纵 梁 桥面板 +徐变 横纵 梁 桥面板 +徐变 横纵 梁 桥面板 +徐变 1 实测值-0.2-0.2-0.8-0.8- 理论值0.0-0.10.0-0.10.0-0.10.0-0.1 3 实测值-0.8-4.6-0.2-2.60.0-2.4-0.1-2.2 理论值-0.1-1.0-0.1-1.0-0.1-1.0-0.1-2.2 5 实测值-1.4-6.0-0.9-4.9-1.5-5.1-0.5-5.0 理论值-0.2-3.6-0.2-3.6-0.2-3.6-0.2-3.6 7 实测值1.9-8.7-2.3-8.3-2.6-8.2-1.6-8.4 理论值-0.6-7.5-0.6-7.5-0.6-7.5-0.6-7.5 9 实测值-3.0-12.3-3.4-11.2-3.1-11.4-3.2-11.4 理论值-0.9-11.2-0.9-11.2-0.9-11.2-0.9-11.2 11 实测值-3.5-12.7-3.5-12.6-3.1-13.4-3.4-12.6 理论值-1.0-13.3-1.0-13.3-1.0-13.3-1.0-13.3 表3桥面系施工过程的钢管理论应力和实测应力 位置数值 灌注 完成 横纵 梁 板铺装 汤口 拱脚 下游 上弦 外侧 理论值66.969.780.292.6 实测值69.380.280.086.3 上弦 内侧 理论值77.480.893.9107.0 实测值80.390.292.3100.3 下弦 外侧 理论值73.577.994.7113.0 实测值63.970.999.6116.3 下弦 内侧 理论值73.477.993.1110.0 实测值70.380.588.7100.3 表1灌注管内混凝土各阶段结构稳定系数 1#管28.9625.9323.3421.7323.05 2#管22.6020.8219.2018.2019.20 3#管19.1117.9316.8016.1016.91 4#管16.8116.4315.5114.9115.62 5#管15.4914.6414.1213.7114.63 6#管14.5113.9513.3512.9313.84 7#管13.8113.4112.8912.5113.57 8#管13.5613.1712.7112.4113.37 单管灌注阶段 总体 灌注 阶段 拱肋灌注 完成 硬化 后 （1 8）L（1 4）L（3 8）L 和混凝土材料应力较低，处于线弹性阶段，施工稳定 主要考虑一类稳定问题，即平衡分支失稳，一般要求 弹性稳定系数应在45以上。 稳定计算只考虑钢管 及管内混凝土的自重和结构自身刚度，拱肋上面的所 有浪风作为安全储备而不作计算考虑。表1列出混凝 土灌注至每根钢管（1 8、1 4、3 8）拱肋长度、灌注完 成、混凝土硬化时结构的稳定系数，以反映整个灌注过 程结构的稳定性。 可见，结构稳定系数最小为12.41， 出现在8#管灌注完成时，灌注各阶段的一阶失稳模态 均为面外对称失稳。 5.3桥面系安装过程的施工监控 桥面系采用悬浮体系，由钢横梁、钢纵梁和纵向 型行车道板组成。横梁通过35对吊杆悬挂于拱肋 上，钢横梁之间横桥向设置6道钢纵梁，纵向型行 车道板设置于横梁之上，并通过横向和纵向(吊杆横 梁处)现浇接头形成全桥连续的纵、横正交梁格体系。 桥面铺装由上至下依次为4cm厚沥青混凝土、YW- 1型防水材料、12cm厚钢纤维混凝土 位移监测：根据灌注完成后实测拱肋标高， 考虑横纵梁、桥面板、铺装、徐变和活载抛高后，计算 了吊杆的下料长度，并以此指导吊杆和横梁的施工， 从桥面板安装后的实测数据（见表2）可见，理论计 算结果和实测值还是较吻合的。 应力监测：表3给出了桥面系施工过程中拱 肋汤口岸拱脚下游控制截面在各个施工阶段的理论 应力与实测应力的结果， 可见实测应力与理论计算 结果是基本吻合的。 6太平湖大桥施工监控总结 从对太平湖大桥施工过程的施工监控结果来 看，在全桥的施工过程中，各关键截面的应力均在允 许范围内变化，有力保证了施工过程的安全性。在悬 臂吊装施工过程中，各节段的施工抬高值控制良好， 保证了悬臂吊装节段的胜利合拢。 在全桥施工完成 后，各观测点的标高均在设计允许误差的范围内，桥 梁线形良好，达到了施工监控的预计目的。 通过本桥的施工实践， 证明了本施工监控方案 是成功的，监控理论与方法是正确的，它不仅为大跨 径钢管混凝土桁架式组合拱桥的施工控制提供了宝 贵经验， 而且对其它桥型的施工控制也具有一定的 参考作用，具有较强的应用推广价值。 参考文献 1 范立础.桥梁工程M北京：人民交通出版社，2001 2 陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工M北京：人民交 通出版社，1999 徐德志： 某大跨度钢管混凝土拱桥施工监控技术与实践MAR 2013No32013年3月第3期 64