大跨度钢结构桥梁施工过程中的变形监测与稳定性控制研究

一、引言

大跨度钢结构桥梁以钢材为主要受力构件，通过合理的结构体系（如斜拉桥、悬索桥、拱桥等）实现超大跨度跨越。在施工阶段，结构从零散构件逐步形成整体，经历多次荷载状态转换，如临时支撑搭设与拆除、钢构件吊装、预应力张拉等，这一过程中结构的内力与变形不断变化。同时，外界环境因素（如温度变化、风力作用、地基沉降）也会加剧结构变形风险。一旦变形超过允许范围，可能导致构件开裂、连接失效，甚至引发整体结构失稳，造成严重的安全事故与经济损失。因此，开展施工过程中的变形监测与稳定性控制研究，对保障桥梁施工安全、确保工程质量具有重要现实意义。

二、大跨度钢结构桥梁施工变形的主要诱因

（一）结构体系转换

大跨度钢结构桥梁施工通常采用 “分阶段施工” 模式，例如斜拉桥的塔梁同步施工、悬索桥的猫道架设与加劲梁吊装等。在每一个施工阶段，结构的受力体系都会发生变化：临时支撑承担的荷载逐渐转移至永久结构，构件的受力状态从局部受压、受拉转变为整体协同工作。若体系转换过程中荷载传递路径设计不合理，或施工顺序紊乱，易导致局部构件应力集中，进而引发非预期变形。

（二）材料特性与施工误差

钢材虽具有较高的强度与韧性，但在焊接过程中会因热胀冷缩产生焊接残余应力与变形，尤其是厚钢板焊接时，局部温度梯度过大易导致构件翘曲。此外，钢构件加工精度不足（如尺寸偏差、几何形状不规则）、吊装过程中吊点设置不合理、临时支撑沉降不均匀等施工误差，也会累积形成结构整体变形。

（三）环境因素影响

温度变化是诱发大跨度钢结构桥梁变形的重要因素。钢材的线膨胀系数较大，环境温度的昼夜波动或季节变化会导致结构产生伸缩变形，若约束条件下变形无法自由释放，将产生附加内力。同时，强风荷载会对施工中的桥梁结构产生水平推力与振动效应，特别是悬索桥施工阶段的猫道、斜拉桥的主梁悬臂段，在强风作用下易发生颤振或涡振，加剧结构变形风险。

三、施工过程中的变形监测技术与内容

（一）监测技术体系

1. 传统监测技术：主要包括水准仪、全站仪等仪器，用于监测桥梁基础沉降、构件高程变化及平面位移。该技术操作简便、成本较低，适用于对关键控制点的常规监测，但监测效率较低，难以实现实时连续监测。

2. 自动化监测技术：随着传感技术与物联网技术的发展，自动化监测系统逐渐成为主流。其中，GNSS（全球导航卫星系统）可实现对桥梁塔顶、主梁端点等关键部位的实时三维位移监测，精度可达毫米级；光纤光栅传感器可植入钢构件内部，实时采集应变、温度等参数，间接反映结构变形状态；倾角传感器则可用于监测主梁、塔柱的倾斜度变化，及时预警结构失稳趋势。

3. 三维激光扫描技术：通过激光扫描仪对施工中的桥梁结构进行全方位扫描，生成高精度三维点云模型，与设计模型进行对比分析，可直观获取结构整体及局部的变形量、偏差值，适用于复杂钢结构构件的变形监测，有效弥补了传统点式监测的局限性。

（二）核心监测内容

1. 基础与支撑体系监测：包括桥梁墩台基础的沉降量、不均匀沉降差，以及临时支撑的竖向位移、水平位移与倾角变化。基础与支撑体系的稳定性是结构安全的前提，需重点监测其变形是否在允许范围内。

2. 主体结构变形监测：针对塔柱、主梁、斜拉索（吊索）等核心构件，监测内容包括塔柱的倾斜度、主梁的挠度（竖向位移）、平面线形偏差，以及斜拉索的索力变化（索力与变形存在协同关系）。例如，斜拉桥悬臂施工阶段，需实时监测主梁悬臂端的挠度变化，避免因挠度超标导致梁段拼接困难或结构开裂。

3. 应力与温度监测：通过应变传感器监测钢构件的应力状态，判断是否存在应力集中现象；同时监测环境温度及构件内部温度，分析温度变化对结构变形的影响规律，为变形修正提供依据。

四、稳定性控制策略

（一）优化施工方案与工序

在施工前，通过有限元软件（如 ANSYS、Midas Civil）建立结构施工全过程仿真模型，模拟不同施工阶段的内力与变形状态，优化施工顺序、临时支撑布置及荷载转换路径。例如，对于大跨度钢拱桥施工，采用 “分节段吊装 + 临时支撑逐步卸载” 的方案，通过仿真计算确定每一步卸载量与卸载顺序，避免结构因荷载突变产生过大变形。同时，严格控制焊接工艺参数，采用分段焊接、对称焊接等方法减少焊接变形，并对焊接后的构件进行时效处理，释放残余应力。

（二）动态调整与主动控制

基于实时监测数据，建立 “监测 - 分析 - 反馈 - 调整” 的闭环控制体系。当监测到结构变形接近预警值时，及时分析变形原因，采取针对性调整措施：若因临时支撑沉降导致变形，可通过千斤顶对支撑进行高程微调；若因温度变化引发变形，可合理安排施工时间（如避开高温时段进行钢构件拼接），或采用温度补偿措施修正变形量。对于斜拉桥、悬索桥等索支撑结构，可通过调整斜拉索或吊索的张拉力，主动控制主梁的线形与内力状态，确保结构稳定性。

（三）加强环境风险管控

建立环境监测预警机制，实时监测风速、风向、温度等环境参数，当遭遇强风、暴雨等恶劣天气时，及时停止高空作业，对施工中的构件采取临时加固措施。例如，在悬索桥加劲梁吊装过程中，若风速超过安全阈值，可通过缆风绳固定梁段，避免其在风力作用下发生摆动变形。

五、结论

大跨度钢结构桥梁施工过程中的变形监测与稳定性控制是一项系统工程，需综合考虑结构体系转换、材料特性、环境因素等多方面影响。通过采用传统监测与自动化监测相结合的技术手段，明确核心监测内容，制定优化施工方案、动态调整控制、加强环境管控的综合策略，可有效降低结构变形风险，保障施工安全与工程质量。

参考文献：

[1] 陈星酉 ， 李莎 ， 张舒繁 . 大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题及探讨 [J]. 建筑与装饰 ，2021（15）：144，146.

[2] 高翔 ， 刘裕禄 . BIM 技术在香港机场天际走廊大跨度钢结构桥梁工程中的应用 [C]// 中国土木工程学会 2021 年学术年会论文集 . 2021：562-577.

[3] 唐香君 . 滑移技术在佛山西站站房大跨度屋盖钢结构施工过程中的成功应用[C]// 第六届全国钢结构工程技术交流会论文集. 2016：8-11.