【摘要】江西湖口大橋是一座高、低塔不對(duì)稱的P．C．斜拉橋，文中總結(jié)了在監(jiān)測(cè)和控制中的一些基本的方法，重點(diǎn)對(duì)高、低塔P．C．斜拉橋施工控制中的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討，并給出了實(shí)施的結(jié)果，得出了一些有益的認(rèn)識(shí)。
【關(guān)鍵詞】斜拉橋
高、低塔 監(jiān)測(cè) 監(jiān)控
湖口大橋位于江西省九江市至景德鎮(zhèn)的高速公路的鄱陽(yáng)湖湖口縣境內(nèi)，跨越鄱陽(yáng)湖的湖口地段，主孔結(jié)構(gòu)為65+123+318+130m的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土高、低塔斜拉橋，其連續(xù)長(zhǎng)度為636m。主孔采用梁塔分離，在主塔下橫梁上設(shè)置豎向支座的半漂浮的結(jié)構(gòu)形式，高塔（九江岸）邊跨輔助墩頂設(shè)有拉壓力支座。主梁斷面為雙肋板式截面，梁高2.6m，頂板厚0.28m，橋全寬27.5m，高塔22對(duì)索，低塔16對(duì)索，除低塔邊跨尾索索距外，主梁索距均為8m，8m設(shè)一道橫隔梁，小塔邊跨實(shí)心段長(zhǎng)4.8m，橋塔均為"H"型，高塔自橋面起算高約90.364m，低塔自橋面起算66．864m，見(jiàn)圖l。低塔基礎(chǔ)采用冷凍法施工。
主梁0號(hào)～l號(hào)塊的施工，是同時(shí)在由掛籃主體結(jié)構(gòu)組成的支架體系上一次澆筑完成的，自第2號(hào)梁段開(kāi)始使用前支點(diǎn)掛籃懸澆，每次施工長(zhǎng)度為8m，其中，掛籃重量約200t，斜拉索的安裝索力在當(dāng)前施工梁段分三次張拉到位。
全橋的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控基本達(dá)到了預(yù)先制定的湖口大橋控制精度要求，即索力誤差限在±5％，主梁標(biāo)高誤差控制在±30mm之內(nèi)。施工期間，除索力、標(biāo)高和塔頂偏位外，還重點(diǎn)同步實(shí)測(cè)了不同季節(jié)索、梁溫差（溫度場(chǎng)規(guī)律）；典型工況下的風(fēng)向、風(fēng)速與斜拉索、橋面振動(dòng)的規(guī)律；典型斷面的應(yīng)變等。合理而有效的控制，為湖口橋的高質(zhì)量、高速度、高效率的建成提供了技術(shù)上的保證。
在主梁的懸澆施工中，為了最大限度地減少理論和實(shí)際間的差別，我們做了一些有益的工作，下面將簡(jiǎn)要地作一個(gè)小結(jié)。
一、監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的組織機(jī)構(gòu)及運(yùn)作方式
斜拉橋施工控制中的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，是一項(xiàng)包含測(cè)試和測(cè)量、計(jì)算與分析、預(yù)測(cè)與控制等多項(xiàng)系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)含量較高的智能行為，要正常、高效的運(yùn)作，必須要有強(qiáng)有力的統(tǒng)一的組織上的保證。湖口大橋橋標(biāo)管理部牽頭成立了由業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和控制等一橋五方組成的控制領(lǐng)導(dǎo)小組和控制研究小組，控制研究小組的立模標(biāo)高和張拉力聯(lián)系單發(fā)出去前；
必須由設(shè)計(jì)代表簽字認(rèn)可，實(shí)踐證明了這種機(jī)構(gòu)對(duì)保證湖口大橋的施工控制起到了宏觀統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)的重要作用，使整個(gè)控制工作中的信息反饋、數(shù)據(jù)傳遞路徑暢通無(wú)組。
二、施工控制工作小組的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控思路
在湖口大橋施工控制中，把成橋狀態(tài)（成橋三年后的狀態(tài)軌跡為設(shè)計(jì)線形）作為控制的最終目標(biāo)，而把施工的中間狀態(tài)（過(guò)程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)軌跡）作為中間控制目標(biāo)和糾偏的依據(jù)，而把立模標(biāo)高和當(dāng)前安裝索的張拉索力作為能控性的狀態(tài)變量，把已建主梁的標(biāo)高、斜拉索的索力和關(guān)鍵截面的應(yīng)力以及典型工況下的塔頂偏位作為可觀性和待調(diào)性狀態(tài)變量。采用了斜
拉橋施工的自適應(yīng)控制思想，我們?cè)谝延械目刂乒ぷ骰A(chǔ)上（[2][3]），重點(diǎn)對(duì)控制目標(biāo)中的索力、標(biāo)高、塔頂偏位和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值間的誤差進(jìn)行權(quán)重識(shí)別計(jì)算與分析，反算出施工控制仿真計(jì)算中所選用的設(shè)計(jì)參數(shù)，另一方面，通過(guò)采用高精度索力傳感器對(duì)斜拉索頻率計(jì)（如IFM68動(dòng)力儀）測(cè)得的索力進(jìn)行標(biāo)定，以提高索力實(shí)測(cè)值的精度。其中的參數(shù)識(shí)別算法是采用于最小二乘法使誤差最小的最優(yōu)控制算法（[4]）。
控制監(jiān)測(cè)的工況和內(nèi)容是：對(duì)當(dāng)前施工梁段各工況下的當(dāng)前斜拉索索力和標(biāo)高都進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；在立模和最后一次張拉斜拉索后，執(zhí)行了鄰近5對(duì)索的索力、鄰近5段梁的標(biāo)高、已埋的全部應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變值、塔頂偏位、溫度場(chǎng)的同步測(cè)試，即開(kāi)展了全過(guò)程控制。
三、施工控制中的計(jì)算與分析
1．采用湖口橋的設(shè)計(jì)資料和設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)范值進(jìn)行正裝理論計(jì)算
對(duì)成橋和主要施工階段的索力、變形、應(yīng)力和設(shè)計(jì)線形等進(jìn)行計(jì)算并與設(shè)計(jì)方的成果進(jìn)行相互核核對(duì)比，分不考慮和考慮收縮、徐變的工況。對(duì)比發(fā)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果和和設(shè)計(jì)值有一些差別，最后通過(guò)與設(shè)計(jì)方一起相互檢查，找出了原因，統(tǒng)一校準(zhǔn)了原始數(shù)據(jù)，反復(fù)獨(dú)立計(jì)算，直到兩套計(jì)算結(jié)果基本接近為止。
2．修改設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算
由于主梁施工前，混凝土標(biāo)號(hào)改到C55（原設(shè)計(jì)C59），0號(hào)～l號(hào)塊主梁肋寬加寬至2．7m（標(biāo)準(zhǔn)肋寬1．7m），頂板加厚至0．35m（標(biāo)準(zhǔn)頂板厚0．28m），施工單位的前支點(diǎn)掛籃也與原設(shè)計(jì)的假定值存在差別（剛度和重量），預(yù)應(yīng)力配索數(shù)量和位置也有一些變更，為此，又必須重新計(jì)算。在此項(xiàng)工作中，還充分考慮了施工單位對(duì)掛籃支承反力的安全要求，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)調(diào)整了斜拉索的第一、二次張拉力值。
3．跟蹤各施工階段詳細(xì)計(jì)算
通過(guò)掛籃的試壓結(jié)果，獲得了掛籃的彈性、非彈性變形值，進(jìn)一步調(diào)查了掛籃縱梁的剛度；對(duì)于能觀性狀態(tài)變量（如標(biāo)高、塔頂偏位、應(yīng)力等）的理論、實(shí)際值間存在的差別，通過(guò)參數(shù)識(shí)別法擬合出橋梁的新的設(shè)計(jì)參數(shù)，使理論、實(shí)測(cè)間的差別達(dá)到最小，如主梁容重、彈模及塔、梁的剛度、混凝土的收縮、徐變系數(shù)等。最后計(jì)算出下一段梁的合理索力和線形的修正量。
4．施工方案改變的調(diào)整計(jì)算
由于施工中存在著外界不利因素的影響，如風(fēng)振的影響（湖口橋10min平均設(shè)計(jì)風(fēng)速34m／s）等，施工中有風(fēng)期長(zhǎng)和風(fēng)速較大，實(shí)測(cè)到橋面的風(fēng)速和通過(guò)臨近氣象站資料按理論推算的相應(yīng)風(fēng)速有較大差別，尤其是實(shí)測(cè)到主梁的抖振位移比較大，原方案中，大塔邊跨中的輔助墩（15號(hào)索位）上的拉壓力支座待施工完22號(hào)斜拉索后再安裝（因?yàn)楣て诎才啪o張，輔助墩立柱只有待掛籃完成17號(hào)梁段后才可施工），但因抗風(fēng)安全問(wèn)題，中途又改變了施工方案（已施工到了14號(hào)梁段）"待完成17號(hào)梁段后，立即安裝臨時(shí)抗風(fēng)的拉壓力支座，在22號(hào)索完成后，再進(jìn)行永久拉壓力支座和臨時(shí)拉壓力支座的轉(zhuǎn)換"這兩種不同的施工方案使得理論立模標(biāo)高在12～22號(hào)梁段最大點(diǎn)有近600mm的差別，為此必須進(jìn)行線形（立模標(biāo)高）等
的修正、擬合計(jì)算，在這施工階段中，塔的彎曲剛度經(jīng)識(shí)別后提高了5％，合龍前，掛索完成后，理論同實(shí)測(cè)線形比較，標(biāo)高誤差大都在±30mm以內(nèi)。
5．開(kāi)放交通前的調(diào)索計(jì)算
在二期恒載完成后，統(tǒng)測(cè)索力和標(biāo)高、應(yīng)力，以索力和應(yīng)力為主，把偏差較大的索力調(diào)整到靠近設(shè)計(jì)的理論值、滿足索力控制精度要求為止，為長(zhǎng)期觀測(cè)研究打下基礎(chǔ)。
四、施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容和特點(diǎn)
1．索力測(cè)量
斜拉索索力測(cè)試的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到主梁內(nèi)力和主梁的線形和塔頂偏位，它的誤差有時(shí)可以掩蓋其他權(quán)重相對(duì)較小的一系列可觀性狀態(tài)變量誤差的表現(xiàn)，如不足夠重視它，乃至關(guān)系到施工安全，因此，在健康的監(jiān)測(cè)中，必須把保證索力測(cè)試結(jié)果正確可靠放在第一位。
湖口橋的索力測(cè)量主要采用了頻譜分析法（也稱脈動(dòng)法），把高靈敏度傳感器綁在待測(cè)的斜拉索合適的位置上，采集拉索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大和頻譜自動(dòng)計(jì)算分析后，就可在頻譜圖上確定拉索的自振頻率，最后根據(jù)自振頻率和索力的關(guān)系確定索力。
影響斜拉索索力測(cè)試果的準(zhǔn)確性因素較多，主要有斜拉索兩端錨固點(diǎn)間的有效長(zhǎng)度、綜合容重、邊界條件和拉索彎曲剛度以及風(fēng)振引起的橋面振動(dòng)等而形成的組合振動(dòng)等，在測(cè)試中的典型工況下進(jìn)行了標(biāo)定，一方面用INV-306動(dòng)力儀和IFM8動(dòng)力儀互校測(cè)索的頻率，再用高精度測(cè)力傳感器標(biāo)定索力（分錨在前支點(diǎn)掛籃上和描在主梁上張拉的兩種工況）。同時(shí)應(yīng)盡量對(duì)混凝土的澆筑方量控制好，因?yàn)樗苯佑绊懙诙螐埨Φ拇笮〉目刂啤?BR>索力測(cè)試中，對(duì)當(dāng)前施工梁段的斜拉索進(jìn)行了全部工況下的同步測(cè)試，并對(duì)立模、澆完混凝土以及最后一次張拉工況測(cè)試了前5對(duì)索的索力，此外，對(duì)典型工況下的素力進(jìn)行了統(tǒng)測(cè)，也進(jìn)行過(guò)索力隨溫度24h變化的測(cè)試工作，還進(jìn)行了斜拉索有風(fēng)振時(shí)的索力與無(wú)風(fēng)振時(shí)的索力的對(duì)比工作。
2．主梁中線和標(biāo)高測(cè)量
中線測(cè)量的目的是控制主梁的平面位置，保證在和龍口的主梁的中線正確，控制精度為±10mm。通過(guò)觀測(cè)己施工梁段的中線控制點(diǎn)與理論橋軸線的偏差，在主梁掛籃立模時(shí)，對(duì)掛籃最前端的中線控制點(diǎn)平面坐標(biāo)進(jìn)行修正。
主梁標(biāo)高測(cè)量一般選在索、塔、梁間溫差較小和氣溫穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行，尤其是在掛籃的立模和最后一次張拉從嚴(yán)執(zhí)行。一個(gè)截面的雙助上各布一個(gè)標(biāo)高測(cè)點(diǎn)，對(duì)梁助底的標(biāo)高進(jìn)行有效的控制，在典型工況下，24h內(nèi)連續(xù)實(shí)測(cè)主梁線形隨溫度的變化值。
3．溫度測(cè)試和風(fēng)速測(cè)試
施工期內(nèi)，重點(diǎn)實(shí)測(cè)了不同季節(jié)、不同天氣下的索、梁溫差和溫度場(chǎng)，主梁選了一個(gè)有代表性截面，在主肋和頂板沿高度共布設(shè)了40個(gè)高性能的熱敏電阻，在2m長(zhǎng)的同實(shí)索等直徑的試驗(yàn)索中心和鋼絲外圈與PE層內(nèi)部共布5個(gè)高性能的熱敏電阻，橋面板與梁肋的溫度差大于規(guī)范的5℃，索與梁助的平均溫差也大于10℃，所測(cè)結(jié)果對(duì)主梁狀態(tài)標(biāo)高控制和加快施工進(jìn)度起到了較大的作用，但遺憾的是未對(duì)塔的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。此外，因本橋處在鄱陽(yáng)湖出口與長(zhǎng)江交匯處附近，有風(fēng)期較長(zhǎng)，給測(cè)試索力和標(biāo)高帶來(lái)較多困難，我們也同時(shí)用三臺(tái)風(fēng)速儀對(duì)橋面的風(fēng)速等進(jìn)行了典型天氣下的觀測(cè)，并與湖口縣氣象站的實(shí)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行了對(duì)比，初步認(rèn)識(shí)了風(fēng)力對(duì)索力測(cè)試影響的一些規(guī)律；有關(guān)這部分的工作，將另文單獨(dú)探討。
4．應(yīng)力測(cè)試
斜拉橋施工中的主梁應(yīng)力測(cè)試是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、艱苦的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，我們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用大量的不同類型的應(yīng)變測(cè)試元件進(jìn)行測(cè)試分析，認(rèn)為針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)選用振弦式應(yīng)變計(jì)，測(cè)試結(jié)果較好，且長(zhǎng)期的穩(wěn)定性也較好，對(duì)于不同截面可選用不同任應(yīng)變量程的應(yīng)變計(jì)，受拉區(qū)采用振弦式鋼筋應(yīng)變計(jì)。湖口橋采用了國(guó)產(chǎn)和少量進(jìn)口的應(yīng)變計(jì)，在受外力之前測(cè)試初值，與相同部位的無(wú)應(yīng)力應(yīng)變計(jì)同步測(cè)試。
湖口橋在近12個(gè)段梁和兩道橫梁里共埋設(shè)了206個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)，對(duì)于有代表性的梁段，在掛籃立模和張拉預(yù)應(yīng)力以及斜拉索第三次張拉的前后，進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)于橋面板的"剪力滯'現(xiàn)象又有了進(jìn)一步的深刻認(rèn)識(shí)，如橋面板的"負(fù)剪力滯"現(xiàn)象等，把應(yīng)變的結(jié)果與理論值（含收縮、徐變）對(duì)比，未間接控制主梁中的應(yīng)力，另一方面，還可作為修正收縮、徐變系數(shù)
的直接依據(jù)之一，所測(cè)的應(yīng)變結(jié)果，對(duì)湖口橋的主梁施工中安全起到了較大的作用。
五、湖口橋控制特點(diǎn)和結(jié)果
在湖口橋的控制工作中，對(duì)于計(jì)算分析方面重點(diǎn)做了設(shè)計(jì)參數(shù)識(shí)別；在監(jiān)測(cè)方面做了大量而細(xì)致的測(cè)試工作；全過(guò)程的索力、標(biāo)高和應(yīng)力控制，積累了施工中的橋面板的應(yīng)力分布規(guī)律的資料；實(shí)測(cè)了肋板式斷面的溫度梯度和索、梁溫差規(guī)律；實(shí)測(cè)了多種典型天氣下的斜拉索風(fēng)振時(shí)的風(fēng)向與風(fēng)速資料，認(rèn)識(shí)了斜拉索風(fēng)振和索力以及橋面振動(dòng)的一些基本規(guī)律。以上這些工作，對(duì)湖口大橋的控制起到了非常重要的作用?？刂平Y(jié)果符合精度要求，令人滿意。
下面給出合龍前高塔完成22號(hào)索第三次張拉的結(jié)果，如圖2，索力均住制在±5％以內(nèi)，標(biāo)高基本上都控制在±30mm以內(nèi)。
六、結(jié)束語(yǔ)
湖口大橋的控制實(shí)踐說(shuō)明了在混凝土斜拉橋的懸澆施工中，當(dāng)前施工梁段斜拉索的分次索力和標(biāo)高的全過(guò)程控制也同等重要，它將決定相鄰梁段線型的控制精度；對(duì)長(zhǎng)索用傳感器進(jìn)行標(biāo)定可減少外界因素的干擾，提高測(cè)力的精度。
立模和第三次張拉時(shí)，同步實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)（特別是索、梁溫差等）有利于設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確識(shí)別。
跟蹤監(jiān)測(cè)主梁中關(guān)鍵截面的應(yīng)變，不僅可對(duì)主梁應(yīng)力安全起預(yù)警作用，而且還可對(duì)理論的收縮、徐變參數(shù)進(jìn)行校核。
參加和支持湖口大橋監(jiān)測(cè)和監(jiān)控工作的專家和領(lǐng)導(dǎo)還有：交通部長(zhǎng)沙交通學(xué)院的張建仁教授和李學(xué)文及張向陽(yáng)老師，中南大學(xué)的陳政清教授，廣東虎門咨詢公司的程翔云教授，湖口大橋橋標(biāo)管理部潘濤、鄒記根副主任和鄒顯華工程處處長(zhǎng)，江西省交通設(shè)計(jì)院聶復(fù)生總工、魏建華工程師等，交通部二公局湖口橋項(xiàng)目經(jīng)理李新形高工等，湖口大橋監(jiān)理處的馮小平、肖敏和鐘任耀工程師等。在此一并致謝！
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