大跨度公路桥梁悬臂施工的土木工程力学特性与监控

1、引言

大跨度公路桥梁是交通网络的重要组成部分，悬臂施工是一种常见的方式，它是采用分段浇筑或者拼装的方式逐渐形成整体结构的一种桥梁形式，适合连续梁，刚构和斜拉桥等各种桥型的施工。这一过程的优点是不打断桥下交通和对复杂地形的适应性强，但是在施工阶段结构体系是不断变换的，受力状态也是不断变化的，容易受到材料特性和施工荷载的影响、环境因素及其他因素的作用会产生超过容许范围的变形或者内力而对施工安全构成威胁。开展悬臂施工力学特性与监控技术研究对于优化施工方案，控制结构响应和确保工程质量等方面都有着十分重要的意义。

2、大跨度公路桥梁悬臂施工的力学特性

2.1 结构变形特性

悬臂施工中，结构变形呈现阶段性和累积性特点。每段施工时，新增荷载会导致已建梁段产生挠度，且随悬臂长度增加，挠度逐渐增大。施工阶段的变形包括永久变形和临时变形，永久变形由结构自重、二期恒载等引起，临时变形则与施工荷载、温度变化、混凝土收缩徐变相关。温度变形尤为显著，日照温差会使梁体产生纵向伸缩和竖向弯曲，均匀温度变化主要影响结构轴向变形，梯度温度则导致梁体上下缘温差，产生附加挠度和内力。

2.2 内力分布特性

悬臂施工阶段，结构内力随施工步骤动态调整。悬臂梁段在自重作用下，截面主要承受负弯矩，根部弯矩最大，向悬臂端逐渐减小；施工荷载（如挂篮重量、人群机具）会使梁体产生附加弯矩，改变内力分布。合龙阶段是内力转换的关键节点，合龙前悬臂端存在一定高差和位移，合龙时的强制对位会产生附加内力，需通过临时锁定装置平衡两侧力系，避免合龙后结构内力超限。斜拉桥悬臂施工中，斜拉索张力的调整直接影响梁体内力，需与梁体变形协同控制。

2.3 结构稳定性特性

悬臂施工的稳定性包括整体稳定和局部稳定。整体稳定指结构在施工阶段抵抗倾覆、失稳的能力，随着悬臂长度增加，结构的抗倾覆安全系数降低，需通过临时支撑、配重等措施维持平衡。挂篮作为悬臂施工的关键设备，其自身稳定性直接影响施工安全，挂篮的抗倾覆、抗滑移性能需满足规范要求。局部稳定涉及梁体截面的局部变形，如腹板剪切变形、翼缘板屈曲等，施工中需控制混凝土浇筑顺序和养护条件，避免截面应力集中导致局部破坏。

2.4 材料力学特性影响

混凝土收缩徐变对于悬臂施工力学特性具有显着影响。收缩使得混凝土体积变小并对悬臂梁体施加附加拉力会引起裂缝；徐变导致结构在长时间的荷载影响下呈现持续的形变，这对合龙的准确性和最后的线形产生了影响。钢筋与混凝土的粘结性能、钢结构的焊接残余应力也会改变局部受力状态，施工中需通过材料选择、工艺控制（例如，混凝土配合比的优化，焊接工艺的评价等）减少其不利影响。

3、大跨度公路桥梁悬臂施工的监控内容

3.1 变形监控

变形监控在施工监控中处于核心地位，主要有高程监控，平面位置监控以及轴线偏位监控等。高程监控采用全站仪和水准仪对每个悬臂段端点竖向挠度进行检测，并与理论计算值进行比对，以便及时对后续施工参数进行调整。平面位置监控重点监控梁体轴线的偏差，以免累积偏差造成合龙难度大。在施工过程中，需要记录温度变化引起的变形效应，并采用回归分析的方法建立了温度与变形关系模型以作为数据修正的基础。在合龙之前需要准确地测量出两侧悬臂端的相对高差及距离，以便对合龙段的施工提供调整参数。

3.2 内力监控

内力监控通过在梁体关键截面布设应力传感器（如应变片、应力计），实时监测截面应力变化。着重对悬臂根部，靠近合龙段等内力大的断面进行监测，以保证其应力值处于设计容许范围之内。对于斜拉桥或者悬索桥而言，拉索张力或者吊杆力需要进行同步监测，并通过张力的调节来优化梁体内力的分布。内力监控数据需要结合结构的变形情况加以分析，以判断结构的受力状态符合设计的要求，避免应力集中或者超限的状况发生。

3.3 结构稳定性监控

稳定性监控主要包括挂篮的稳定性及结构整体稳定性的监控。挂篮监控需要对其位移，锚固点的受力状态进行考察，以保证浇筑时不发生倾覆和滑移的危险。结构整体稳定性的监测是通过实测墩顶位移和梁体转角来评价结构的抗倾覆能力的，并在必要的情况下采用临时配重的方法来调整结构的重心位置。对于高墩桥梁需要对墩身的垂直度及水平位移进行监测以预防施工期墩身的不稳定。

3.4 环境与荷载监控

环境监控主要包括温度，风力及降水的实测，并分析它们对结构变形及内力的影响。温度监控需要记录大气温度，梁体表面温度以及内部温度等信息，从而提供变形修正的数据。荷载监控主要统计施工荷载（例如，材料堆放，施工机械等）的分布和大小，避免局部荷载过大导致结构受力异常。大风天气需要对风速风向进行监测，在风速大于施工允许值后停止悬臂作业，采取防风措

施。

4、大跨度公路桥梁悬臂施工的监控方法与技术

4.1 监控体系建立

构建了一个以“监控 -- 分析 -- 反馈 -- 调节”为核心的闭环监控架构。在施工前应依据设计文件及施工方案编制详细监控计划并确定监控点布设，测量频率及预警阈值等。建立专业监控团队、安装高精度测量设备及数据采集系统保证数据准确及时。需要将监控数据实时传送到分析平台上，技术人员对理论计算值进行比对，产生监控报告供施工决策参考。

4.2 测量技术应用

利用全站仪测量三维坐标得到梁体的变形数据；利用水准仪控制高程的精度可以达到毫米级。对于跨度较大的桥梁，可以使用全球导航卫星系统（GNSS）来进行实时的动态观测，确保对其变形的持续追踪。应力监测通常使用预埋光纤光栅传感器或电阻应变片，这些设备具有高灵敏度和良好的稳定性，能够远程传输数据并自动预警。在合龙阶段可以利用高精度位移传感器对悬臂端相对位移的变化进行实时监测。

4.3 数据处理与反馈

监控数据需要经过标准化处理以排除温度和仪器误差的干扰因素。通过构建力学分析模型对实测数据和理论计算值进行了比较，并对偏差产生的原因进行了分析，例如材料参数偏差和施工荷载偏差。依据偏差分析结果制定了调整措施，包括调整挂篮的预抬量，优化混凝土的浇筑顺序和调整拉索的张力。反馈调整需要按照“小步微调”的原则进行，以免大幅度的调整造成结构受力突变。

4.4 应急监控与预警

针对施工中可能出现的异常情况（例如，变形突增，应力超限，设备故障等），建立应急监控机制。设置监控指标预警值及极限值，监测数据到达预警值后及时告知施工单位停业整顿、分析原因、采取措施；当到达极限值后启动应急预案以保障人员和装备的安全。应急监控需要对测量频率进行加密并不断追踪结构状态的变化直到异常被排除。

5、结论

大跨度公路桥梁悬臂施工的力学特性复杂，结构变形、内力分布、稳定性及材料特性共同影响施工安全与结构质量。通过变形、内力、稳定性及环境荷载的全面监控，结合高精度测量技术和闭环反馈体系，可实现施工过程的动态控制。监控过程中需注重数据的准确性与及时性，通过科学分析制定调整措施，确保结构受力与变形符合设计预期。未来需进一步发展智能化监控技术，如无人机巡检、BIM + 监控融合等，提升监控效率和精度，为大跨度桥梁悬臂施工提供更可靠的技术保障。

参考文献

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