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摘要：通过在施工过程中的监控，随时分析各施工阶段中主梁内力和变形与有限元计算结果的差异并找出原因，提出修正对策，以协助施工单位安全、优质、高效地进行施工，并确保在全桥建成以后桥梁的内力状态与外形曲线与设计尽量相符。
关键词：施工监测 箱梁 变形 应力
1 工程概况
哈尔滨绕城高速公路松花江大桥主桥结构为5跨预应力混凝土连续箱梁，其跨径布置为 ，全长595.5m。主梁箱梁采用单箱单室，主跨墩顶高度为7.7m，跨中高度为3.0m，其间的梁高在纵桥向按1.65次抛物线变化，曲线长度为61m。每个T墩包括21种节段(0～20)号，每节箱梁底按直线变化。主桥采用悬臂施工法，两对挂蓝对称现浇施工，并且两个“T”构同时施工，箱梁悬浇长度为2.5m～4.0m， 合龙段长度中跨为2m，边跨为1.5m。
2 施工控制的目标
松花江大桥施工控制的目标是：根据施工全过程中实际发生的各项影响桥梁内力与变形的参数，结合施工过程中测得的各阶段主梁内力(应力)与变形数据，随时分析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预测值的差异并找出原因，提出修正对策，以协助施工单位安全、优质、高效地进行施工，并确保在全桥建成以后桥梁的内力状态与外形曲线与设计尽量相符。
3 计算工况
在进行参数调整拟合后，利用实际的施工时间参数和实际的施工荷载参数进行施工监控、监测实时计算，产生施工控制实际目标真值，用于下一阶段的主梁预制块拼装标高确定和误差分析。
结构总体分析采用非线性计算理论。分析模型采用空间模型，采用有限元计算。挂篮作为结构单元进行拆装，参与受力计算。整个施工过程按施工循环周期分成若干阶段，每个阶段分3个工况，即：1)空挂篮就位；2)浇筑完毕节段混凝土；3)张拉預应力钢筋。
4 施工监测的方法及具体内容
4.1 几何形态挠度监测
4.1.1悬臂施工中挠度计算与控制
施工过程中的挠度计算不仅与力学计算模式的选取有关，而且更重要的是与许多影响挠度的因素相关。主要影响因素中，还有许多模糊不定及随机变化因素的情况，如混凝土材料自身的弹塑性性能、收缩与徐变变形的性能；各节段施工工期的不定性使混凝土加载龄期的变化与不规律性；预应力钢束的应力损失的随机性；日照温度使结构内外温度变化的不均衡等，再加上施工荷载及预应力筋张拉锚固的增多而随机变化，致使精确计算挠度变形比较困难。为了用理论指导施工的进行，必须按既定施工程序对挠度按弹性和徐变挠度两部分进行计算和控制。
桥梁悬臂施工时结构的总挠度计算包括短期弹性挠度和已发生的徐变挠度变形，计算公式为：
(1)
式中： ——扣除预应力损失后的预加力产生的挠度；
——梁段自身静载(即一期恒载)产生的下挠度；
——悬臂施工时的临时施工荷载产生的下挠度；
——混凝土随龄期增大的徐变系数。
对于桥梁长期荷载作用下的总挠度计算，还必须考虑二期恒载和活载的作用所产生的挠度，计算公式为：
(2)
式中： ——二期恒载作用下产生的挠度；
——混凝土的徐变系数终值；
——静活载作用下产生的挠度。
4.1.2悬臂施工时预拱度的设置方法
为了克服桥梁悬臂施工引起的结构的短期弹性挠度和长期徐变挠度，保证桥梁在同一跨内合龙时两悬臂端的标高相差不大，对于悬臂施工的两端应保持平衡并预设上拱度。考虑到各个桥梁工地的温度和湿度环境及桥梁施工方法及时间进度安排的不同，各系数取值不同，并与工地实际情况不完全相符，还必须依据各个桥梁施工中的实测值对系数项进行修正，并结合施工实际酌情调整和控制。
(1)设置预拱度应考虑的因素
除考虑一期恒载、混凝土徐变产生的挠度对设置预拱度的影响外，当悬臂梁合龙转换成连续体系以后，还有二期恒载、次内力(二次预应力、徐变、收缩及温度影响)和汽车静活载的影响。为了施工的简化，通常可以将这些影响值的总和作为跨中预拱度的最大值，以两桥墩支点为零点，其余各点可以近似地按二次抛物线进行分配。悬臂梁施工中预拱度的设置和方法参见表1。表中挂篮伸臂的挠曲，可通过调整吊带长度预先消除。
表1悬臂施工中的预拱度设置内容
节段 影响因素 增(+)
减(－) 施工方法 计算方法 预拱度分配
悬拼 悬浇
注：表中“+”表示预拱向上；“一”表示预拱向下(或扣除)。
4.1.3立模标高的设定
在建立了正确的模型和性能指标后，就要依据设计参数和控制参数，结合桥梁结构的结构状态、施工状况、施工荷载、二期恒载、活载等，输入分析系统中，进而获得结构按施工节段进行的每一个节段的内力和挠度及最终成桥状态的内力和挠度。接着假设成桥后的理想转台的各节段的预抛高值，得出各施工节段的立模标高及混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、钢筋张拉前、钢筋张拉后的预计标高。
立模标高为：
(3)
式中： ——立模标高；
——设计标高；
——计算所得的预抛高值；
——挂篮变形值。
4.1.4悬臂施工时预拱度监测方法
挠度线型监测包含对主梁高程、跨长、结构的线形、结构变形及位移和主梁轴线偏位等部分内容。挠度监测资料是控制成桥线形最主要的依据。
高程控制点布置在离块件前端10cm，采用Ø16钢筋在垂直方向与顶板的上下层钢筋点焊牢固，并要求垂直。测点(钢筋)露出箱梁混凝土表面5cm，测量磨平并用红油漆标记。
1. 0号块件高程测点布置
布置0号块件高程观测点是为了控制顶板的设计标高，同时也作为以后各悬臂浇筑节段高程观测的基准点。每个0号块件的顶板各布置11个高程观测点，测点布置位置 如图1所示。
2. 各悬臂浇筑节段高程测点布置
每个节段高程测点各设3个测点，对称布置在悬臂板与承托的交接点，离块件前端10cm，在下游幅桥上，上游测点长56cm，下游测点长54cm，如图2所示。
3. 观测时间与项目
每个标准梁段施工过程中，分别测量挂篮移动就位后、混凝土浇筑完成后、预应力张拉后三个工况下主梁悬臂前端5个梁段的标高。每完成L/4跨径的梁段施工后，全桥通测一次。墩顶偏位在主梁每悬臂施工完成4～5个节段进行一次复测。合龙前，对全桥主梁顶面标高、作一次全面复测。合龙后、桥面系施工完成后，分别对全桥主梁顶面标高、墩顶偏位各作一次全面复测。
为了尽量减少温度的影响，挠度的观测安排在早晨太阳出来之前进行。
4.2应力观测
在松花江大桥上部结构的控制截面布置应力测点，以观察在施工过程中这些截面的应力变化及应力分布情况，根据当前施工阶段向前计算至竣工，预告今后施工可能出现的状态并预告下一阶段当前已安装构件或即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态，以确定是否在本施工阶段对可调变量实施调整。在主梁各断面安放应力监测用钢弦应变计，测试是通过测其频率即可得到混凝土的应变，从而得到应力。
应变计按预定的测试方向固定在主筋上，测试导线引至混凝土表面。上部结构(箱梁)总共布置11个断面，分别为每个主跨的根部、1/4跨和跨中，每个边跨的根部、跨中截面和合龙截面。每个根部断面布置8个测点，除侧板2个测点与水平成45º方向角布置外(测主应力)，其余6个测点方向均为顺桥向布置；每个1/4跨断面、跨中断面、边跨合龙截面分别布置5个，其测点方向均为顺桥向布置，共计67个。具体位置如图3所示。
4.3其他监测
4.3.1温度监测
针对松花江大桥的温度监测，根据以往经验，我们通过对气温的测量，推算结构温度的影响，也取得了较好的效果。具体做法是在进行其它测试任务时，采用气温表测量箱内和箱外的温度，测量精度控制在0.5℃以内。
选择一个“T”的一个悬臂作为温度测试对象。共设2个观测截面，每个截面布置6个温度测试点，将测温铂电阻先贴在钢筋上，并做防潮和防机械损伤处理后埋入混凝土内，测试导线引到混凝土表面。
4.3.2截面尺寸测量
除了应变和标高数据能够反映超方的现象，对每一节段梁截面测量也是一个好方法。具体做法是每浇筑一節段梁，在悬臂端进行截面尺寸测量，包括截面高度、顶板、底板和腹板的厚度等等，测量精度应控制在2mm以内。
4.3.3混凝土弹性模量试验
1)混凝土弹性模量的测量
混凝土弹性模量的测试主要是为了测定混凝土弹性模量E随时间t的变化过程，即E-t曲线。针对与本桥由于混凝土材料的复杂性，弹性模量变化还是比较大的，所以采用现场取样通过万能试验机试压的方法，分别测定混凝土在3d、7d、14d、28d、60d龄期的值，以得到完整的E-t曲线。
5 实例分析
现将38#墩的实测挠度值变化列于下表2-表3，
表238#墩上游桥梁挠度变形值
注：表中拉应力为负，压应力为正。
通过以上监测数据可以看出：
1、箱梁底板底缘存在明显的横向拉应力，根据分析可能是由于底板是一个6.6米长，0.9米厚，2.5米宽的厚板，表现出单向板的力学行为。
2、腹板中间出现拉应力原因是混凝土的收缩徐变，因为传感器布置在0#-1#截面梁高中间，0#混凝土已经浇筑并张拉完毕，混凝土的初步收缩已经基本完成，而新浇的1#段初期收缩比较大，至使此截面就出现了拉应力。这种现象也能与混凝土在个别截面出现的横向裂缝原因相吻合。通过在38#墩上游桥幅2#腹板中间增加的竖向传感器进行测定，腹板中间还是受压的，而这与表面出现裂缝相违背，并且通过对裂缝凿开发现裂缝深度很浅，不是混凝土结构受力开裂造成，而是由于混凝土收缩造成的。
3、 顶板的挠度偏大，需要加强内模的加固处理，以减少顶板自身的挠度。
6 结语
桥梁施工控制作为桥梁施工技术的重要组成部分,其实施难度相对较大，但是它对于桥梁施工宏观质量控制、保证桥梁建设安全有着非常重要的意义。
松花江大桥已经顺利合龙。成桥后结构性能良好。主、边跨的主梁悬臂施工的变位及标高定位预报较为准确，施工过程中顶、底板应力状态发展趋势与理论计算相吻合。箱梁应力测试结果表明主桥在施工过程中受力满足设计要求，工作正常，确保了施工安全。证明施工控制理论正确，施工控制方法可行，能应用于大跨度预应力混凝土连续刚构桥的施工控制。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：施工监测 箱梁 变形 应力
1 工程概况
哈尔滨绕城高速公路松花江大桥主桥结构为5跨预应力混凝土连续箱梁，其跨径布置为 ，全长595.5m。主梁箱梁采用单箱单室，主跨墩顶高度为7.7m，跨中高度为3.0m，其间的梁高在纵桥向按1.65次抛物线变化，曲线长度为61m。每个T墩包括21种节段(0～20)号，每节箱梁底按直线变化。主桥采用悬臂施工法，两对挂蓝对称现浇施工，并且两个“T”构同时施工，箱梁悬浇长度为2.5m～4.0m， 合龙段长度中跨为2m，边跨为1.5m。
2 施工控制的目标
松花江大桥施工控制的目标是：根据施工全过程中实际发生的各项影响桥梁内力与变形的参数，结合施工过程中测得的各阶段主梁内力(应力)与变形数据，随时分析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预测值的差异并找出原因，提出修正对策，以协助施工单位安全、优质、高效地进行施工，并确保在全桥建成以后桥梁的内力状态与外形曲线与设计尽量相符。
3 计算工况
在进行参数调整拟合后，利用实际的施工时间参数和实际的施工荷载参数进行施工监控、监测实时计算，产生施工控制实际目标真值，用于下一阶段的主梁预制块拼装标高确定和误差分析。
结构总体分析采用非线性计算理论。分析模型采用空间模型，采用有限元计算。挂篮作为结构单元进行拆装，参与受力计算。整个施工过程按施工循环周期分成若干阶段，每个阶段分3个工况，即：1)空挂篮就位；2)浇筑完毕节段混凝土；3)张拉預应力钢筋。
4 施工监测的方法及具体内容
4.1 几何形态挠度监测
4.1.1悬臂施工中挠度计算与控制
施工过程中的挠度计算不仅与力学计算模式的选取有关，而且更重要的是与许多影响挠度的因素相关。主要影响因素中，还有许多模糊不定及随机变化因素的情况，如混凝土材料自身的弹塑性性能、收缩与徐变变形的性能；各节段施工工期的不定性使混凝土加载龄期的变化与不规律性；预应力钢束的应力损失的随机性；日照温度使结构内外温度变化的不均衡等，再加上施工荷载及预应力筋张拉锚固的增多而随机变化，致使精确计算挠度变形比较困难。为了用理论指导施工的进行，必须按既定施工程序对挠度按弹性和徐变挠度两部分进行计算和控制。
桥梁悬臂施工时结构的总挠度计算包括短期弹性挠度和已发生的徐变挠度变形，计算公式为：
(1)
式中： ——扣除预应力损失后的预加力产生的挠度；
——梁段自身静载(即一期恒载)产生的下挠度；
——悬臂施工时的临时施工荷载产生的下挠度；
——混凝土随龄期增大的徐变系数。
对于桥梁长期荷载作用下的总挠度计算，还必须考虑二期恒载和活载的作用所产生的挠度，计算公式为：
(2)
式中： ——二期恒载作用下产生的挠度；
——混凝土的徐变系数终值；
——静活载作用下产生的挠度。
4.1.2悬臂施工时预拱度的设置方法
为了克服桥梁悬臂施工引起的结构的短期弹性挠度和长期徐变挠度，保证桥梁在同一跨内合龙时两悬臂端的标高相差不大，对于悬臂施工的两端应保持平衡并预设上拱度。考虑到各个桥梁工地的温度和湿度环境及桥梁施工方法及时间进度安排的不同，各系数取值不同，并与工地实际情况不完全相符，还必须依据各个桥梁施工中的实测值对系数项进行修正，并结合施工实际酌情调整和控制。
(1)设置预拱度应考虑的因素
除考虑一期恒载、混凝土徐变产生的挠度对设置预拱度的影响外，当悬臂梁合龙转换成连续体系以后，还有二期恒载、次内力(二次预应力、徐变、收缩及温度影响)和汽车静活载的影响。为了施工的简化，通常可以将这些影响值的总和作为跨中预拱度的最大值，以两桥墩支点为零点，其余各点可以近似地按二次抛物线进行分配。悬臂梁施工中预拱度的设置和方法参见表1。表中挂篮伸臂的挠曲，可通过调整吊带长度预先消除。
表1悬臂施工中的预拱度设置内容
节段 影响因素 增(+)
减(－) 施工方法 计算方法 预拱度分配
悬拼 悬浇
注：表中“+”表示预拱向上；“一”表示预拱向下(或扣除)。
4.1.3立模标高的设定
在建立了正确的模型和性能指标后，就要依据设计参数和控制参数，结合桥梁结构的结构状态、施工状况、施工荷载、二期恒载、活载等，输入分析系统中，进而获得结构按施工节段进行的每一个节段的内力和挠度及最终成桥状态的内力和挠度。接着假设成桥后的理想转台的各节段的预抛高值，得出各施工节段的立模标高及混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、钢筋张拉前、钢筋张拉后的预计标高。
立模标高为：
(3)
式中： ——立模标高；
——设计标高；
——计算所得的预抛高值；
——挂篮变形值。
4.1.4悬臂施工时预拱度监测方法
挠度线型监测包含对主梁高程、跨长、结构的线形、结构变形及位移和主梁轴线偏位等部分内容。挠度监测资料是控制成桥线形最主要的依据。
高程控制点布置在离块件前端10cm，采用Ø16钢筋在垂直方向与顶板的上下层钢筋点焊牢固，并要求垂直。测点(钢筋)露出箱梁混凝土表面5cm，测量磨平并用红油漆标记。
1. 0号块件高程测点布置
布置0号块件高程观测点是为了控制顶板的设计标高，同时也作为以后各悬臂浇筑节段高程观测的基准点。每个0号块件的顶板各布置11个高程观测点，测点布置位置 如图1所示。
2. 各悬臂浇筑节段高程测点布置
每个节段高程测点各设3个测点，对称布置在悬臂板与承托的交接点，离块件前端10cm，在下游幅桥上，上游测点长56cm，下游测点长54cm，如图2所示。
3. 观测时间与项目
每个标准梁段施工过程中，分别测量挂篮移动就位后、混凝土浇筑完成后、预应力张拉后三个工况下主梁悬臂前端5个梁段的标高。每完成L/4跨径的梁段施工后，全桥通测一次。墩顶偏位在主梁每悬臂施工完成4～5个节段进行一次复测。合龙前，对全桥主梁顶面标高、作一次全面复测。合龙后、桥面系施工完成后，分别对全桥主梁顶面标高、墩顶偏位各作一次全面复测。
为了尽量减少温度的影响，挠度的观测安排在早晨太阳出来之前进行。
4.2应力观测
在松花江大桥上部结构的控制截面布置应力测点，以观察在施工过程中这些截面的应力变化及应力分布情况，根据当前施工阶段向前计算至竣工，预告今后施工可能出现的状态并预告下一阶段当前已安装构件或即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态，以确定是否在本施工阶段对可调变量实施调整。在主梁各断面安放应力监测用钢弦应变计，测试是通过测其频率即可得到混凝土的应变，从而得到应力。
应变计按预定的测试方向固定在主筋上，测试导线引至混凝土表面。上部结构(箱梁)总共布置11个断面，分别为每个主跨的根部、1/4跨和跨中，每个边跨的根部、跨中截面和合龙截面。每个根部断面布置8个测点，除侧板2个测点与水平成45º方向角布置外(测主应力)，其余6个测点方向均为顺桥向布置；每个1/4跨断面、跨中断面、边跨合龙截面分别布置5个，其测点方向均为顺桥向布置，共计67个。具体位置如图3所示。
4.3其他监测
4.3.1温度监测
针对松花江大桥的温度监测，根据以往经验，我们通过对气温的测量，推算结构温度的影响，也取得了较好的效果。具体做法是在进行其它测试任务时，采用气温表测量箱内和箱外的温度，测量精度控制在0.5℃以内。
选择一个“T”的一个悬臂作为温度测试对象。共设2个观测截面，每个截面布置6个温度测试点，将测温铂电阻先贴在钢筋上，并做防潮和防机械损伤处理后埋入混凝土内，测试导线引到混凝土表面。
4.3.2截面尺寸测量
除了应变和标高数据能够反映超方的现象，对每一节段梁截面测量也是一个好方法。具体做法是每浇筑一節段梁，在悬臂端进行截面尺寸测量，包括截面高度、顶板、底板和腹板的厚度等等，测量精度应控制在2mm以内。
4.3.3混凝土弹性模量试验
1)混凝土弹性模量的测量
混凝土弹性模量的测试主要是为了测定混凝土弹性模量E随时间t的变化过程，即E-t曲线。针对与本桥由于混凝土材料的复杂性，弹性模量变化还是比较大的，所以采用现场取样通过万能试验机试压的方法，分别测定混凝土在3d、7d、14d、28d、60d龄期的值，以得到完整的E-t曲线。
5 实例分析
现将38#墩的实测挠度值变化列于下表2-表3，
表238#墩上游桥梁挠度变形值
注：表中拉应力为负，压应力为正。
通过以上监测数据可以看出：
1、箱梁底板底缘存在明显的横向拉应力，根据分析可能是由于底板是一个6.6米长，0.9米厚，2.5米宽的厚板，表现出单向板的力学行为。
2、腹板中间出现拉应力原因是混凝土的收缩徐变，因为传感器布置在0#-1#截面梁高中间，0#混凝土已经浇筑并张拉完毕，混凝土的初步收缩已经基本完成，而新浇的1#段初期收缩比较大，至使此截面就出现了拉应力。这种现象也能与混凝土在个别截面出现的横向裂缝原因相吻合。通过在38#墩上游桥幅2#腹板中间增加的竖向传感器进行测定，腹板中间还是受压的，而这与表面出现裂缝相违背，并且通过对裂缝凿开发现裂缝深度很浅，不是混凝土结构受力开裂造成，而是由于混凝土收缩造成的。
3、 顶板的挠度偏大，需要加强内模的加固处理，以减少顶板自身的挠度。
6 结语
桥梁施工控制作为桥梁施工技术的重要组成部分,其实施难度相对较大，但是它对于桥梁施工宏观质量控制、保证桥梁建设安全有着非常重要的意义。
松花江大桥已经顺利合龙。成桥后结构性能良好。主、边跨的主梁悬臂施工的变位及标高定位预报较为准确，施工过程中顶、底板应力状态发展趋势与理论计算相吻合。箱梁应力测试结果表明主桥在施工过程中受力满足设计要求，工作正常，确保了施工安全。证明施工控制理论正确，施工控制方法可行，能应用于大跨度预应力混凝土连续刚构桥的施工控制。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。