高低塔P.C.斜拉桥
（江西鄱阳湖口桥）的监测与监控
田仲初颜东煌 席芳柏 李强
（长沙交通学院）（湖口大桥桥标管理部）（北京建达道桥咨询公司）
【摘要】江西湖口大桥是一座高、低塔不对称的P．C．斜拉桥，文中总结了在监测和控制中的一些基本的方法，重点对高、低塔P．C．斜拉桥施工控制中的一些问题进行了探讨，并给出了实施的结果，得出了一些有益的认识。
【关键词】斜拉桥 高、低塔 监测 监控
湖口大桥位于江西省九江市至景德镇的高速公路的鄱阳湖湖口县境内，跨越鄱阳湖的湖口地段，主孔结构为65+123+318+130m的四跨预应力混凝土高、低塔斜拉桥，其连续长度为636m。主孔采用梁塔分离，在主塔下横梁上设置竖向支座的半漂浮的结构形式，高塔（九江岸）边跨辅助墩顶设有拉压力支座。主梁断面为双肋板式截面，梁高2.6m，顶板厚0.28m，桥全宽27.5m，高塔22对索，低塔16对索，除低塔边跨尾索索距外，主梁索距均为8m，8m设一道横隔梁，小塔边跨实心段长4.8m，桥塔均为"H"型，高塔自桥面起算高约90.364m，低塔自桥面起算66．864m，见图l。低塔基础采用冷冻法施工。
主梁0号～l号块的施工，是同时在由挂篮主体结构组成的支架体系上一次浇筑完成的，自第2号梁段开始使用前支点挂篮悬浇，每次施工长度为8m，其中，挂篮重量约200t，斜拉索的安装索力在当前施工梁段分三次张拉到位。
全桥的监测和监控基本达到了预先制定的湖口大桥控制精度要求，即索力误差限在±5％，主梁标高误差控制在±30mm之内。施工期间，除索力、标高和塔顶偏位外，还重点同步实测了不同季节索、梁温差（温度场规律）；典型工况下的风向、风速与斜拉索、桥面振动的规律；典型断面的应变等。合理而有效的控制，为湖口桥的高质量、高速度、高效率的建成提供了技术上的保证。
在主梁的悬浇施工中，为了最大限度地减少理论和实际间的差别，我们做了一些有益的工作，下面将简要地作一个小结。
一、监测和监控的组织机构及运作方式
斜拉桥施工控制中的监测和监控，是一项包含测试和测量、计算与分析、预测与控制等多项系统复杂、技术含量较高的智能行为，要正常、高效的运作，必须要有强有力的统一的组织上的保证。湖口大桥桥标管理部牵头成立了由业主、设计、施工、监理和控制等一桥五方组成的控制领导小组和控制研究小组，控制研究小组的立模标高和张拉力联系单发出去前；
必须由设计代表签字认可，实践证明了这种机构对保证湖口大桥的施工控制起到了宏观统筹、协调的重要作用，使整个控制工作中的信息反馈、数据传递路径畅通无组。
二、施工控制工作小组的监测和监控思路
在湖口大桥施工控制中，把成桥状态（成桥三年后的状态轨迹为设计线形）作为控制的最终目标，而把施工的中间状态（过程运动状态轨迹）作为中间控制目标和纠偏的依据，而把立模标高和当前安装索的张拉索力作为能控性的状态变量，把已建主梁的标高、斜拉索的索力和关键截面的应力以及典型工况下的塔顶偏位作为可观性和待调性状态变量。采用了斜
拉桥施工的自适应控制思想，我们在已有的控制工作基础上（[2][3]），重点对控制目标中的索力、标高、塔顶偏位和结构应力的实测值和计算值间的误差进行权重识别计算与分析，反算出施工控制仿真计算中所选用的设计参数，另一方面，通过采用高精度索力传感器对斜拉索频率计（如IFM68动力仪）测得的索力进行标定，以提高索力实测值的精度。其中的参数识别算法是采用于最小二乘法使误差最小的最优控制算法（[4]）。
控制监测的工况和内容是：对当前施工梁段各工况下的当前斜拉索索力和标高都进行了监测；在立模和最后一次张拉斜拉索后，执行了邻近5对索的索力、邻近5段梁的标高、已埋的全部应变计的应变值、塔顶偏位、温度场的同步测试，即开展了全过程控制。
三、施工控制中的计算与分析
1．采用湖口桥的设计资料和设计参数的规范值进行正装理论计算
对成桥和主要施工阶段的索力、变形、应力和设计线形等进行计算并与设计方的成果进行相互核核对比，分不考虑和考虑收缩、徐变的工况。对比发现了计算结果和和设计值有一些差别，最后通过与设计方一起相互检查，找出了原因，统一校准了原始数据，反复独立计算，直到两套计算结果基本接近为止。
2．修改设计参数计算
由于主梁施工前，混凝土标号改到C55（原设计C59），0号～l号块主梁肋宽加宽至2．7m（标准肋宽1．7m），顶板加厚至0．35m（标准顶板厚0．28m），施工单位的前支点挂篮也与原设计的假定值存在差别（刚度和重量），预应力配索数量和位置也有一些变更，为此，又必须重新计算。在此项工作中，还充分考虑了施工单位对挂篮支承反力的安全要求，在设计允许范围内调整了斜拉索的第一、二次张拉力值。
3．跟踪各施工阶段详细计算
通过挂篮的试压结果，获得了挂篮的弹性、非弹性变形值，进一步调查了挂篮纵梁的刚度；对于能观性状态变量（如标高、塔顶偏位、应力等）的理论、实际值间存在的差别，通过参数识别法拟合出桥梁的新的设计参数，使理论、实测间的差别达到最小，如主梁容重、弹模及塔、梁的刚度、混凝土的收缩、徐变系数等。最后计算出下一段梁的合理索力和线形的修正量。
4．施工方案改变的调整计算
由于施工中存在着外界不利因素的影响，如风振的影响（湖口桥10min平均设计风速34m／s）等，施工中有风期长和风速较大，实测到桥面的风速和通过临近气象站资料按理论推算的相应风速有较大差别，尤其是实测到主梁的抖振位移比较大，原方案中，大塔边跨中的辅助墩（15号索位）上的拉压力支座待施工完22号斜拉索后再安装（因为工期安排紧张，辅助墩立柱只有待挂篮完成17号梁段后才可施工），但因抗风安全问题，中途又改变了施工方案（已施工到了14号梁段）"待完成17号梁段后，立即安装临时抗风的拉压力支座，在22号索完成后，再进行永久拉压力支座和临时拉压力支座的转换"这两种不同的施工方案使得理论立模标高在12～22号梁段最大点有近600mm的差别，为此必须进行线形（立模标高）等
的修正、拟合计算，在这施工阶段中，塔的弯曲刚度经识别后提高了5％，合龙前，挂索完成后，理论同实测线形比较，标高误差大都在±30mm以内。
5．开放交通前的调索计算
在二期恒载完成后，统测索力和标高、应力，以索力和应力为主，把偏差较大的索力调整到靠近设计的理论值、满足索力控制精度要求为止，为长期观测研究打下基础。
四、施工监测内容和特点
1．索力测量
斜拉索索力测试的准确性直接关系到主梁内力和主梁的线形和塔顶偏位，它的误差有时可以掩盖其他权重相对较小的一系列可观性状态变量误差的表现，如不足够重视它，乃至关系到施工安全，因此，在健康的监测中，必须把保证索力测试结果正确可靠放在第一位。
湖口桥的索力测量主要采用了频谱分析法（也称脉动法），把高灵敏度传感器绑在待测的斜拉索合适的位置上，采集拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大和频谱自动计算分析后，就可在频谱图上确定拉索的自振频率，最后根据自振频率和索力的关系确定索力。
影响斜拉索索力测试果的准确性因素较多，主要有斜拉索两端锚固点间的有效长度、综合容重、边界条件和拉索弯曲刚度以及风振引起的桥面振动等而形成的组合振动等，在测试中的典型工况下进行了标定，一方面用INV-306动力仪和IFM8动力仪互校测索的频率，再用高精度测力传感器标定索力（分锚在前支点挂篮上和描在主梁上张拉的两种工况）。同时应尽量对混凝土的浇筑方量控制好，因为它直接影响第二次张拉力的大小的控制。
索力测试中，对当前施工梁段的斜拉索进行了全部工况下的同步测试，并对立模、浇完混凝土以及最后一次张拉工况测试了前5对索的索力，此外，对典型工况下的素力进行了统测，也进行过索力随温度24h变化的测试工作，还进行了斜拉索有风振时的索力与无风振时的索力的对比工作。
2．主梁中线和标高测量
中线测量的目的是控制主梁的平面位置，保证在和龙口的主梁的中线正确，控制精度为±10mm。通过观测己施工梁段的中线控制点与理论桥轴线的偏差，在主梁挂篮立模时，对挂篮最前端的中线控制点平面坐标进行修正。
主梁标高测量一般选在索、塔、梁间温差较小和气温稳定的时间段进行，尤其是在挂篮的立模和最后一次张拉从严执行。一个截面的双助上各布一个标高测点，对梁助底的标高进行有效的控制，在典型工况下，24h内连续实测主梁线形随温度的变化值。
3．温度测试和风速测试
施工期内，重点实测了不同季节、不同天气下的索、梁温差和温度场，主梁选了一个有代表性截面，在主肋和顶板沿高度共布设了40个高性能的热敏电阻，在2m长的同实索等直径的试验索中心和钢丝外圈与PE层内部共布5个高性能的热敏电阻，桥面板与梁肋的温度差大于规范的5℃，索与梁助的平均温差也大于10℃，所测结果对主梁状态标高控制和加快施工进度起到了较大的作用，但遗憾的是未对塔的温度场进行测试。此外，因本桥处在鄱阳湖出口与长江交汇处附近，有风期较长，给测试索力和标高带来较多困难，我们也同时用三台风速仪对桥面的风速等进行了典型天气下的观测，并与湖口县气象站的实测风速、风向进行了对比，初步认识了风力对索力测试影响的一些规律；有关这部分的工作，将另文单独探讨。
4．应力测试
斜拉桥施工中的主梁应力测试是一项长期的、艰苦的现场监测工作，我们经过长期使用大量的不同类型的应变测试元件进行测试分析，认为针对混凝土结构选用振弦式应变计，测试结果较好，且长期的稳定性也较好，对于不同截面可选用不同任应变量程的应变计，受拉区采用振弦式钢筋应变计。湖口桥采用了国产和少量进口的应变计，在受外力之前测试初值，与相同部位的无应力应变计同步测试。
湖口桥在近12个段梁和两道横梁里共埋设了206个振弦式应变计，对于有代表性的梁段，在挂篮立模和张拉预应力以及斜拉索第三次张拉的前后，进行了测试，对于桥面板的"剪力滞'现象又有了进一步的深刻认识，如桥面板的"负剪力滞"现象等，把应变的结果与理论值（含收缩、徐变）对比，未间接控制主梁中的应力，另一方面，还可作为修正收缩、徐变系数
的直接依据之一，所测的应变结果，对湖口桥的主梁施工中安全起到了较大的作用。
五、湖口桥控制特点和结果
在湖口桥的控制工作中，对于计算分析方面重点做了设计参数识别；在监测方面做了大量而细致的测试工作；全过程的索力、标高和应力控制，积累了施工中的桥面板的应力分布规律的资料；实测了肋板式断面的温度梯度和索、梁温差规律；实测了多种典型天气下的斜拉索风振时的风向与风速资料，认识了斜拉索风振和索力以及桥面振动的一些基本规律。以上这些工作，对湖口大桥的控制起到了非常重要的作用。控制结果符合精度要求，令人满意。
下面给出合龙前高塔完成22号索第三次张拉的结果，如图2，索力均住制在±5％以内，标高基本上都控制在±30mm以内。
六、结束语
湖口大桥的控制实践说明了在混凝土斜拉桥的悬浇施工中，当前施工梁段斜拉索的分次索力和标高的全过程控制也同等重要，它将决定相邻梁段线型的控制精度；对长索用传感器进行标定可减少外界因素的干扰，提高测力的精度。
立模和第三次张拉时，同步实测温度场（特别是索、梁温差等）有利于设计参数的准确识别。
跟踪监测主梁中关键截面的应变，不仅可对主梁应力安全起预警作用，而且还可对理论的收缩、徐变参数进行校核。
参加和支持湖口大桥监测和监控工作的专家和领导还有：交通部长沙交通学院的张建仁教授和李学文及张向阳老师，中南大学的陈政清教授，广东虎门咨询公司的程翔云教授，湖口大桥桥标管理部潘涛、邹记根副主任和邹显华工程处处长，江西省交通设计院聂复生总工、魏建华工程师等，交通部二公局湖口桥项目经理李新形高工等，湖口大桥监理处的冯小平、肖敏和钟任耀工程师等。在此一并致谢！
参考文献
［1］（JTJ027-96）公路斜拉桥设计规范（试行）．北京：人民交通出版社，1996
［2］田仲初，颜东煌，宁平华．结合梁斜拉桥施工任制技术．长沙交通学院学报，1998，6（2）
［3］颜东煌，崔冰，彭力军，陈明宪．铜陵长江公路大桥施工控制中的仿真计算．中国公路学会桥梁和结构工程分会论文集．北京：人民交通出版社，1995
［1］颜东煌，文钰等．斜拉桥施工的最优控制．国外公路，1993，6（3）
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