莲沱特大桥施工监测与监控
提要 莲沱特大桥是三峡对外交通公路上的一座重要桥梁，主桥为(48.3+114+48.3)m钢管混凝土拱桥。其结构复杂，科技含量高，施工难度大。该桥在空钢管拼装合拢后，上部结构的施工加载过程采用了计算机技术进行全面监控，确保施工质量和施工安全。
一 概述
由于科学技术的飞速发展，高强度建筑材料和预应力工艺的广泛应用，大跨度桥梁的设计建造日新月异，方兴未艾。近年来涌现出许多大跨度斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥、连续刚构桥，气势恢宏、造型完美。
然而，这些桥梁的施工过程是极其复杂的，都必须受到监测与监控。技术人员必须详尽计算和反复量测结构物关键断面及主要控制点在每道工序产生的应力和位移，使之控制在我们设置的范围之内，以保证施工的安全与质量。
莲沱特大桥是三峡对外交通专用公路上的一座重要桥梁，也是一座具有国内先进水平的桥梁。桥全长340.87m，桥面总宽20m，主桥采用(48.3+114+48.3)m 中承式钢管混凝土连续拱。结构新颖，桥型优美。本桥设计荷载为汽-36级，验算荷载为2000KN平板车组。施工过程中，主桥拱上结构需多次变换受力体系，拱肋受力变化复杂，施工难度比较大，我们要求在空钢管合拢后，对上部结构的施工加载过程进行现场监测监控，避免出现不可预见的因素导致主拱肋局部应力超限或失稳，以及产生过大的变形而发生事故。
尽管计算机目前已经十分普及，但应用于复杂桥梁工程施工监控的报道并不多，无论就监控理论方面的系统研究，还是计算机数学处理模式的具体应用都缺少可借鉴的经验与资料。
本文就我们开发监控软件、对莲沱特大桥施工过程进行计算机监控的具体应用过程作一总结。
二 监控软件系统
铁道部第一勘测设计院兰州分院为莲沱特大桥施工监控立项开发了微机专用软件〈钢管混凝土拱桥施工过程的微机监控系统〉。
１ 监控软件开发的必要性
在过去的同类桥梁施工中，往往只靠人工计算来完成施工中的计算分析，尽管计算机已相当普及，但是国内外并没有与此相适应配套的专用监控软件，因此施工技术人员也只是用计算机做一些局部的计算工作，而对数据的分析及对整个施工过程的控制大都由人工判断分析来完成。因此对现场技术人员的素质水平要求较高，不仅因为其计算繁杂、工作量大，而且有些施工过程是连续进行不间断的，计算、分析、判断都要求同步进行，刻不容缓，故单靠现有的技术人员来完成整座大桥的施工监控过程，其难度是相当大的。而且在计算机技术飞速发展的今天，这种监控方式已显得跟不上时代的步伐。如何应用现代的计算机来做好施工监控工作，是我们急需解决的一个课题。为此我们组织力量开发了这个软件。
２ 监控软件原理和功能
对于钢管混凝土拱桥，其监控的对象是钢管混凝土主拱肋，由于荷载作用、气温变化直接影响到主拱肋的受力，而这种影响将直接通过钢管和混凝土本身的变形反映出来，通过仪器测量拱肋各关键部位的应变及位移变化，就可以获得拱肋该部位的实测应力及位移。
计算机监控的主要工作就是通过对监测到的主拱肋的应变数据以及施工过程计算的理论数据分析判断，采取相应有效的处理措施，来控制主拱肋的应力及变形限制在一定的范围之内，使其不发生超限，进而控制施工进程，以保证施工安全与质量。
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┃监测数据 ┣━┓ ┏━━━━━┓ ┏━━━━━┓ ┏━━━━┓
┗━━━━━┛ ┗━┫数据处理 ┣━┫ 综合分析 ┣━┫输出监控┃
┏━━━━━┓ ┏━┫ ┃ ┃ 预测 ┃ ┃实施措施┃
┃理论数据 ┣━┛ ┗━━━━━┛ ┗━━━━━┛ ┗━━━━┛
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监控系统流程图
从监控系统流程图来看，监控软件应具备以下功能：
(1)系统预处理
对于一个结构，首先应通过预处理，对各个施工过程(施工阶段)的受力，变形情况做出理论分析，它将成为监控分析的基础资料和基本依据。
(2)监测数据处理
在施工过程中，通过监测采集到的数据，即使是与理论分析相当吻合，也必将存在一定的离散性，这与采集时间的同步性、采集的精度等因素有关，且很难避免不出现失效点数据。因此，对监测数据进行处理是必要的，应通过处理将明显不合理的测点数据剔除，方能保证程序在接下来的分析中不致出现错误的结论。
(3)预测分析
这一部分应将视之为整体监控体系的核心，计算机自动处理与人工操作的区别就体现在能否根据理论分析值，结合已获得的实测数据，对未来施工阶段结构是否会出现应力，位移超限等问题作出正确的判断。
(4)监控措施分析
当预测分析表明，需要采取措施以避免结构在施工过程发生应力超限，位移超限等问题后，软件应提供必要的分析功能，帮助用户进行监控处理方案的决策。这种分析方法随着对象的不同，可能是多种多样的，本软件系统采用了线性规划优化及人机交互处理两种方式。
３ 监控方法简介
从钢管混凝土拱桥的受力特点进行分析，拱肋结构体系在施工过程中主要在以下三个阶段发生改变:
阶段(一):拱肋在吊装、合拢、浇筑下钢管混凝土的过程中，其断面为空钢管形式受力。
阶段(二):拱肋在浇筑上钢管及腹腔混凝土过程中，其断面形式为下钢管有混凝土的组合截面。
阶段(三):拱肋在进行上部构件的安装过程中，(如:横、斜撑浇筑混凝土，安装立柱，吊杆，预应力横梁， 刚性横梁，张拉预应力钢束，铺设桥面板，桥面铺装等)，其断面形式为上、下钢管均有混凝土的组合截面。
在上述阶段中，由于拱肋结构的刚度变化剧烈，故拱肋在荷载作用下的受力、变形必须分别进行计算和分析。为了便于更清楚地表述，我们采用术语 “监控模式” 来对这三个大阶段的监控加以区别。
从钢管混凝土拱桥的施工特点及预期可采用的监控措施方面进行分析，主要采取两种”监控方式”。
监控方式(一):在拱肋钢管浇筑混凝土的过程中，即上文中的监控模式(一)、(二)，混凝土由拱脚开始向拱顶连续浇筑，中间不允许停顿，因而不可能改变该模式下的施工子阶段实施顺序只能采用临时加载(或卸载)的施工监控措施，且要求监控系统具备根据采集的监测数据，对未来的混凝土浇筑进程中，结构的应力位移变化作出预测的功能。并能够在很短的时间内作出分析判断提出几种可供用户选择的临时加载(或卸载)方案。
监控方式(二):在拱肋钢管浇筑混凝土达到强度后，进入上部结构的安装过程。即上文中的监控模式(三)，由于各上部构件的安装是间歇进行的，所需周期较长，此时采用的监控措施，一般以调整施工子阶段的实施顺序为主。
本系统对上述两种监控方式， 采用不同的方法进行分析处理对于监控方式(一)， 系统采用线性规划原理对临时加载措施进行多目标优化处理， 向用户提交建议的加载措施，由用户以人机交互方式确认采取的监控实施措施。对于监控方式(二)， 系统采用屏幕图形方式显示各监测点量值的理论过程曲线和实测过程曲线，由用户以人机交互方式决定是否调整和如何调整上部构件的施工安装顺序。
1>监测数据应按照监控计划及监控人员的要求按时提供。
2>监测数据应保证正确无误。
3>中拱监测数据的软盘文件存放格式监控系统的要求存放。
4>中拱拱肋钢管灌注混凝土的过程中，要求每灌注完一个节间后进行一次监测，并在２０分钟内用软盘提供监测数据。
５ 监控软件系统的特点
1> 采用了最新的结构化比较强的BORLAND C++语言进行编程设计，代码紧凑，效率高，结构化程度高，运行速度快。
2>软件采用了先进的屏幕界面设计技术，运用了弹出式窗口技术和汉化下拉式菜单技术，方便了用户操作。
3>施工过程中的各种数据都配以文字和图形显示，使用户可以直接对计算结果以图形来判断分析。
4>施工监控过程中图文并茂的动态图形显示，使整个监控系统更具直观性。
5>监控软件与监测数据以文件形式接口，减少了用户输入数据的繁琐。
6>软件采用了合理的数据接口方案，使该软件可以应用于同类钢管混凝土拱桥施工的监控中。
三 监控实施方案
１ 拱肋应力、位移及其它各项目标控制范围按下表所列值采用。
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项目
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最小值
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最大值
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钢管应力
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-150MPa(拉)
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+150Mpa(压)
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钢管混凝土应力
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-1.9MPa(拉)
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+25Mpa(压)
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拱肋竖向位移
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-35mm(下)
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+25mm(上)
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墩身水平位移
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-5mm
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+5mm
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恒载下边拱支座反力
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100吨
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180吨
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２ 根据莲沱特大桥中承式拱上部结构的施工步骤，对下列工序实行监控：
1>.钢管拱肋、横斜撑、立柱、系梁混凝土的灌注；
2>.Ｂ型预应力横梁吊装、Ａ型预应力横梁吊装（或现浇）；
3>.临时预应力束与永久预应力束的张拉及转换；
4>.桥面板的架设；
5>.桥面铺装层施工；
6>.支座反力的调整；
３ 根据实际情况，在中拱拱肋钢管灌注混凝土的施工过程中，采用临时加载的方案作为监控处理措施，在进行上部结构的安装施工过程中，采用调整上部构件施工顺序的方案作为监控处理措施。
４ 根据边拱的结构受力特点及施工方案，采用对胎架预顶的方法来改善边拱的受力状况，对支座反力采用调整张拉吨位及调整支座高度的方法进行调整。
５ 在施工各阶段，特别是临时预应力束和通长预应力束张拉及转换阶段，对桥墩的水平位移、钢丝束应力、钢管及砼应力、拱轴线座标进行随时监测，监控人员根据监测数据来决定是否对张拉吨位进行调整。
６ 主要监控设备及人员
AST486电子计算机 1台
便携式微机COMPAQ486 1台
打印机 1台
专业监控人员 3名
四 监控实施过程
１中拱下钢管灌注混凝土阶段过程中的施工监控
拱肋合拢后，作为空钢管截面时的拱肋刚度较小，而混凝土自重又较大，此时钢管内混凝土不能一次性进行灌注，只宜进行单管灌注。按照施工组织计划，先进行下钢管混凝土的灌注工作。下钢管灌注混凝土施工阶段是中拱合拢后的关键性的施工阶段，它能否顺利进行直接关系到以后的施工的进展，因此，我们对此项施工的监控工作十分重视。在下钢管灌注混凝土阶段，我们把灌注过程按顺序共划分了十个子阶段进行监控分析，经监控软件理论分析表明，在整个灌注过程中，拱脚钢管应力在-400～+800Kg/cm攩2攪之间变化，在进行到4、5子阶段时，拱脚钢管应力最大将达到800Kg/cm攩2攪，拱顶将向上发生25mm的位移，考虑到拱肋在空钢管阶段时的整体刚度比较小，不宜使其承受较大范围的变化应力和上下位移，为了将应力变化幅度控制在较小的范围之内，并降低最大钢管应力值和拱肋冒顶位移，我们将最大钢管应力和冒顶位移的限制值输入到监控软件的目标数据中，经软件分析，理论上应在灌注到3、4、5阶段时分别在拱顶压重至10、20、30T，在最后7、8、9阶段分步拆除。根据监控软件提出的建议，我们通知施工单位对压重做好了准备。在实际的混凝土灌注施工过程中，我们应用监控软件对施工全过程的监测数据实时地进行了系统的分析，从监测数据整体情况来看，基本上与理论分析比较吻合。故根据监控软件的结果，决定按原监控实施计划进行压重。在整个灌注过程中有效地控制了拱顶的向上冒顶的位移没有超过10mm，拱脚的最大应力控制在-350～+700Kg/cm攩2攪以内。
２上钢管及腹腔灌注混凝土阶段过程中的施工监控
下钢管灌注混凝土之后，混凝土经过一段时间后达到一定强度，同时拱肋也较空钢管阶段加大了刚度，此时可将上钢管和腹腔混凝土一起进行灌注。在上钢管及腹腔灌注混凝土阶段，我们把灌注过程按顺序共划分了十个子阶段进行监控分析，经监控软件理论分析表明，在灌注过程中，拱脚钢管应力在-600～+550Kg/cm攩2攪之间变化，在进行到4、5子阶段时，拱脚钢管应力最大将达到600Kg/cm攩2攪，拱顶将向上发生20mm的位移，考虑到拱肋在此时的整体刚度比较小，不宜使其承受较大范围的变化应力和上下位移，为了将应力变化幅度控制在较小的范围之内，并降低最大钢管应力值和拱肋冒顶位移，我们制定了相应的应力及位移限制目标值，根据监控软件的分析结果，理论上应在灌注到3、4阶段时分别在拱顶压重至20、50T，在最后8、9阶段分步拆除。在实际的混凝土灌注施工过程中，我们应用监控软件对施工监测数据实时地进行了系统的分析，从监测数据整体情况来看，基本上与理论分析比较吻合。故决定按原监控实施计划进行压重。在整个灌注过程中有效地控制了拱顶的向上冒顶的位移没有超过15mm，拱脚的最大应力控制在-560～+500Kg/cm攩2攪以内。
３上部构件安装阶段过程中的施工监控
在上，下钢管及腹腔灌注完混凝土之后，拱肋的整体刚度已形成，此时要进行上部构件的安装工作。包括下列工序:
1.横斜撑、立柱砼的灌注；
2.Ｂ型横梁吊装、Ａ型横梁现浇；
3.桥面板的架设；
4.桥面铺装层施工；
我们把上部构件的安装过程按施工计划顺序共划分了13个子阶段进行监控分析，监控软件的初步的理论分析表明，在安装过程中，只要安排好各施工加载的顺序，使拱肋的加载平均分散在各个部位，则拱肋钢管及混凝土的应力变化平稳，拱肋各部位的位移也变化缓慢。因此各阶段的施工顺序可以有较大的调整范围。具体施工时，受施工组织安排和施工进度的变化影响，各有关工序可同时进行。因此在现场的实际实施过程中，根据实际的施工进展情况，并结合施工监测数据，应用监控软件对监测数据实时地进行了系统的分析，对一些构件的安装顺序作了一些相应的调整，其中对控制工期的B型预应力横梁的吊装顺序作了一些变动，从而加快了施工的进度，保证了施工的安全。
４临时束张拉
为平衡中拱施工阶段的水平推力，根据需要在不同阶段共张拉了八根临时预应力钢束(每侧拱肋下四根)。我们对张拉全过程进行了监控。监测资料并结合长委对两桥墩的观测证明张拉吨位准确合理（钢绞线上布有测点），达到设计要求。
５边拱各施工阶段（含通长束张拉）
莲沱特大桥边拱较之中拱受力简单、明确，采取了在支架上进行上部结构施工的方法。所以，我们事先对支架的刚度提出要求，并对各支架进行预压以消除连接间隙及非弹性变形。为了保证支架在各阶段施工过程中有效地起到应有的作用，不使拱肋受力和变形处于不利状态，我们对支架采取了分阶段预顶的方法进行调整，从而改善了边拱的受力情况。两侧边拱均按４个截面进行监测监控。
临时束全桥纵向预应力通长束的张拉与体系转换是全桥成桥的关键之一，它的顺利与否直接关系到整座桥的成败。为了不使桥墩在张拉转换过程中承受过大的水平推力而发生危险，又要避免因张拉次数过多而使预应力钢绞线及锚具受到损伤，我们对全桥预应力通长束张拉和体系转换进行了详细的计算，分为四次张拉。第一次每侧张拉８束，每束105吨，共计840吨，临时束卸完620吨，并且具体布置了张拉和卸载的顺序。第二、三、四次张拉每次每侧张拉２至３束，每束55吨。在张拉过程中作了全面的监测监控，对整座大桥的安全提供了保障。
五 监控情况总结
１ 实测值与理论值偏差分析
从附图点绘的应力及位移对照图和我们提交的监控报告中列出的监控数据表中可以看出实测值和理论值有不同程度的偏差。
1>仪器系统及测试方法误差
经监测单位介绍:仪器自身误差±1με，系统误差±2με，测试方法误差为测试值的2％，总误差<5％ (不含施工破坏)。但由于数据采集不可重复， 致使监测结果难免出现偏差和错误。
2>外界因素影响
(1)采集时间与理论计算阶段不同步
这一影响尤其在拱肋钢管混凝土灌注、桥面板架设及浇注桥面铺装过程中特别明显， 拱肋钢管混凝土灌注时在现场进行监控， 实测数据读取时间由施工单位负责按设计要求通知， 混凝土灌注时共分20个( 下管、上管及腹腔各分10个工况 )工况进行监控， 每灌注两个计算单元测试一次， 灌注进程由专门人员根据敲打拱肋的回音判断， 难免出现偏差和错误且两边也难以保证灌注速度同步， 桥面板架设及浇注桥面铺装则由于施工周期较长， 测试时无法使仪器一直处于连续工作状态， 只能分段测试，从而不能很好地反应实际的变化过程。
(2)施工干扰
该桥在施工过程中协作单位及同时工作人员较多，测点及导线经常受到踩、拉和一些无法避免的干扰 ，致使监测结果受到影响，整个监控时间较长，施工干扰随施工进度而加大，致使许多测点甚至遭到破坏 ，虽监测人员对此很重视 ，投入不少人力及物力，想方设法保证监测质量 ，从整过监测情况来看效果较好， 但个别点难免出现偏差及错误。
3>.理论数据与实际的偏差
(1)计算假定和钢管混凝土计算理论不完善引起的偏差。
(2)混凝土浇注及横梁吊装过程中的动力影响。
(3)施工荷载实际发生量与设计考虑量的偏差。
(4)钢管和混凝土组合材料特性不一致的影响.
(5)混凝土的收缩徐变及弹模随时间变化的影响及自重的偏差。
２监控总结
莲沱特大桥设计新颖，施工难度大，施工过程中发生了一系列的体系转化，使得拱肋受力复杂，我们从1995年11月中拱合拢到1996年8月桥面铺装层打完 ，严格按照监控任务和监控计划对莲沱桥施工全过程进行了监控，并及时通报， 保证了大桥施工决策的顺利进行， 消除了施工前的一些疑虑和争议， 争取了宝贵的时间，确保了施工的顺利进行。从实测数据和理论数据、实测值与理论值对照图看， 实测值有一定的离散性( 其主要原因上已分析 ) ，少数十分明显的坏点和偏差较大者，人为的或程序预处理时作了修正和替换，目的是为了保证监测的完整性和系统性，也保证了后续阶段的顺利进行，同时也兼顾到能详实的反应实测结果，绝大多数点都保留了实测值。
从监测监控的实施过程中可以看出，在各阶段中，实测的结构的变形和应力变化基本上与设计相吻合，达到了通过监测监控指导施工的目的，也同时检验了结构设计计算的准确性，为今后同类桥梁的设计和施工提供了可借鉴的资料。
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