钢管混凝土系杆拱桥施工监控.pdf

第 l 1 卷O 2 期 2 0 1 3 年 6 月 南水北调与水利 科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e T e c h n o l o g y Vo I 1 1 No 0 2 J u n 2 0 1 3 钢管混凝土系杆拱桥施工监控 宋维侠 ， 晋智斌 ， 沈建华 ( 中国水利水电第十一工程局有限公司， 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要： 在钢管混凝土系杆拱桥整个施工过程中施工现场布置了应力和变形监测点， 实时监测桥梁结构的实际状态， 运用现代控制理论对误差进行识别， 调整预测 ， 使桥梁施工状态最大限度地接近理想状态， 保证桥梁结构在施工过 程中的安全。钢管混凝土系杆拱桥施工监控就施工控制的各阶段较好地控制了施工中的结构应变行为， 保证了大 桥的顺利施工， 为钢管混凝土系杆拱桥的安全施工提供了可靠依据。 关键词： 钢管混凝土； 系杆拱桥； 预应力 ； 监测； 应力 ； 变形； 支架 ； 实施方案 中图分类号 ： U4 4 8 2 2 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 一 l 6 8 3 ( 2 O 1 3 ) O O 2 0 1 2 9 0 4 The Co ns t r u c t i o n M o ni t o r i ng 0 f Ti e d Co nc r e t e - fil l e d St e e l Tub u l a r Ar c h Br i d g e s S ONG W e i x i a 。 J I N Z h i b i n ， S HE N J i a n - h u a ( Ch i n a Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hydr o po e r Co n s t r u c t i o n Bu r e au C O， LTD 1 1， Zhe n gz h o u 4 5 0 0 0 1， Ch i n a) Ab s t r a c t ： B y me a ns o f s e t t i n g u p s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n mo n i t or i n g p o i nt s i n t he c o n s t r u c t io n s i t e f o r t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s o f c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b u l a r a r c h b r i d g e a nd mo n i t o r i n g t h e a c t u a l s t a t e o f t h e b r i d g e s t r u c t u r e i n r e a l t i me ， c o u p l e d wi t h t h e e r r o r s i d e n t i f i c a t io n， a d j u s t me n t a n d p r e d i c t i o n b a s e d o n mo d e r n c o nt r o l t he o r y I t i s f e a s i b l e t o a c h i e v e r a t i o n a l c o mp l e t e b r id ge s t a t e a nd t o e n s u r e t h e s a f e t y o f c o n s t r u c t i n g b r i d g e I n o r d e r t o p r o v i d e t h e t h e o r y ba s i s f o r t he s mo o t h a nd s a f e c o n s t r uc t i o n o f t h e c o nc r e t e - f i l l e d s t e e l t u b u l a r a r c h b r i d g e ， i t h a s b e e n d i s c u s s e d o n h o w t o s c i e n t i f i c a l l y mo n i t o r t h e s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n i n d i f f e r e nt c o n s t r u c t i o n p r o c e d ur e s Ke y wo r d s ： c on c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b e ； t i e d - a r c h br i d g e； p r e s t r e s s ； mo n i t o r i n g； s t r e s s ； d e f orm a t i o n； s u p p o r t ； imp l e me n t i n g s c h e me 管混凝土拱桥由于圆形钢管平面形状为轴对称， 压力作 用下钢管环向应力均匀， 施加于内填混凝土的紧箍力也均 匀， 因而受力性能较好 ， 且钢管加工容易， 因此应用较为广 泛。钢管混凝土拱桥由于材料强度的提高， 施工过程及成桥 后的稳定问题突出， 因此， 对钢管混凝土拱桥在施工及成桥 后的施工监测与控制是非常必要的。 1 工程概 况 南阳姚湾东南跨渠公路桥全长 3 0 5 9 1 T I ， 引桥为 2 3 0 m装配式简支箱梁， 主桥单跨度为 1 8 0 r n的梁拱组合体系下 承式钢管混凝土系杆拱桥， 拱肋中轴向立面为二次抛物线 形 ， 矢跨 比为 1 5 。双 幅桥设 计 ， 单 幅桥 桥 宽 2 1 3 5 IT I ， 每 幅 桥设置双拱肋 ， 拱肋为格构式钢管桁， 每拱肋由 4肢钢管组 成( 上下弦各两肢) ， 之间用水平、 竖直和斜腹钢管连接。公 路桥拱肋钢管直径 1 1 2 0 IT l n 2 ， 壁厚 2 2 I T I r n ， 拱肋桁高 4 5 0 0 r n r n 。吊杆为高强低松弛预应力钢丝束成型产品， 由 1 2 1 根 d 9 7 镀锌高强低松弛预应力钢丝组成。吊杆横梁为预应力混 凝土构件 ， 吊杆横梁为 I 形截面， 系梁与横梁整体浇筑。系 梁内设预应力管道， 以预应力钢绞线作为结构的系杆单元。 桥面结构为 T梁简支在横梁之上。主跨桥道系采用先简支 结构后连续混凝土 T梁， 纵向简支在横梁之上。T梁在吊杆 横梁上设置 4 0 c m宽的横向湿接缝， 湿接缝混凝土采用 C A0 微膨胀混凝土构成桥道整体连续体系。 2 施工监控的目的、 任务 根据实际的施工工序， 通过在施工过程中对桥梁结构进 行实时监测， 对桥跨结构进行实时理论分析和结构验算 ； 根 据分析验算结果给出其主梁端的挠度等施工控制参数， 分析 施工误差状态， 评估各主要施工阶段拱肋等主要构件的变形 及材料应力变化状态是否符合设计要求， 判断施工过程中结 构是否安全， 结构构件是否正常工作； 而当施工控制监测发 现结构施工过程中出现较大误差时， 应及时对结构进行误差 调整 ， 提出后续施工过程应采取的技术措施， 确保施工期间 的结构安全、 施工质量和施工工期。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 施工监控体系 由建设单位、 施工单位、 设计单位、 监理单位和监控单位 的负责人组成“ 桥梁施工监控、 监测工作领导小组” 。各小组 之间建立信息沟通制度， 加强相互之间的协调， 保证检测工 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 0 3 修 回 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 4 作者简介： 宋维侠( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 山东东营人 ， 高级工程师， 硕士， 主要从事水利水电工程施工技术的开发应用 E - m a i l ： 5 8 4 4 8 0 5 7 0 q q t o m 国 1 2 9 宋维侠等 钢管混凝土系杆拱桥施工监控 力， 超过时应立即停止施工查明原因。支架横向变形出现加 速增大 的时机 即有可能 出现失稳 ， 此时也应停止施工 。 5 2 系杆( 系梁) 应力监控 通过桥梁主要控制截面的应力监测， 可以掌握桥梁在施 工各阶段的应力变化情况， 可以帮助分析判定桥梁施工过 程、 受力有无异常。是施工安全预警的重要依据。 5 2 1 系梁坐标测点布置 系梁标高影响到最终桥面线形， 也会影响到行车平顺 性。同时系梁挠度也是应了吊杆力大小、 拱梁受力分配的反 应。系梁标高控制对桥梁线性和内力控制有重要意义。系 梁坐标测点布置图。即在系梁 的各横梁位置处布置坐标 测点 。 5 2 2系梁测点应力传感器 系梁的截面布置钢弦式表面应力传感器及应力测试断 面见图 3 ， 各系梁设 3 个应力测试截面。各系梁 I 、 I I I 测试截 面在顶板中心、 底板中心各安装一应变计( 埋入式) ， I I 测试 截面在截面 4角各布置一个应变计。绑扎在纵向受力钢筋 上。全桥系梁共计 8 4 3 2 个埋入式应变计 。 图3 系杆测点应力传感器 系杆力决定了拱脚水平推力 ， 因而对拱肋的内力影响很 大， 为了在施工过程中保证结构按设计意图受力， 应监控系 杆张力。系杆力主要以标定过的油泵油表读数为准， 辅以锚 索测力计测量 。 测试仪器用钢弦式表面应力传感器。传感器固定在系 杆两侧， 用应力读数仪自动采集系杆拉力数据。 5 2 3 系杆( 系梁) 张拉控制 系梁( 系杆) 施工完成后， 在每次张拉前( 按加载过程共 分四次张拉) ， 均应对拱轴线进行复测， 以保证成桥后的拱轴 线精度。 5 3拱 肋 变形监 控 拱肋实际轴线若偏离设计值 ， 将引起拱肋内力变化。施 工过程中拱肋局部偏离拱轴线过大将会造成施工安全隐患， 处理较为困难。特别是在钢管拼装、 灌注混凝土和脱架阶 段， 必须严格控制拱轴线的偏移量， 根据监控数据， 提出调整 建议 。 拱肋变形监控不仅需测试拱肋的横向变位， 还要测试拱 肋在 1 3 8 、 L 4 、 L 2 、 1 I 8等特征点的标高， 保证成桥阶段 的轴线与设计相吻合。 5 3 1 拱肋线形测点布置 拱轴线形控制包括标高和横向偏位。拱肋标高与设计 位置的偏差会引起拱肋内力的增大， 拱肋横向偏位对施工和 运营时拱肋的稳定性影响很大， 关乎结构安全。因此在施工 过程中必须严格控制拱轴向的水平和横向位置。 测点布置： 在接近拱肋拱段分界线( 法兰盘) 处、 拱段长 度中心处布置线型监测点。钢管节段接头测点建议设在距 离端竖杆 5 O c m处( 由制造、 安装单位确定) 。 桥宽中心处两拱肋 间距很小， 为保证测量时的通视条 件 ， 后架设者应把测点标志固定在桥面内侧管内壁上。其余 拱肋均布置在单幅桥的外侧管外壁上。 测试仪器： 拱肋在上下弦位置均布置变形测点。变形测 量用全站仪， 在每道拱肋( 全桥共 4道拱肋) 设置 2个棱镜测 点， 其余位置粘贴反光片。 测点位置标记： 在工厂制造试拼时标记变形测点位置， 棱镜位置直接焊接棱镜底座螺母。反光片位置用十字线标 记反光片中心。钢管制造单位在标记所有测点位置后， 实测 各测点的初始坐标。 根据监控数据， 提出调整建议， 拱肋变形监控不仅需测 试拱肋的横向变位， 还要测试拱肋在 L 4 、 L 2 、 1 L 8等特征 点的标高， 保证成桥阶段的轴线与设计相吻合。 5 3 2 拱肋应力监控 ( 1 ) 在无支架拼装拱肋过程 中， 拱肋和施工设施( 如扣 索) 等共同受力并且施工 中难以控制 ， 因此在进行轴线及标 高跟踪检测的同时， 对拱肋及临时设施进行应力监控， 根据 结构的受力特点和施工阶段的受力变化， 选择控制参数， 对 结构进行有效的监控测试 ， 为施工控制及时提供可靠的数 据， 并确保施工安全。 ( 2 ) 该桥钢管拱肋应力监测和拱肋截面监控点的布置原 则是对关键部位重点详细测试 ， 并布置一定数量的校核测 点， 对其部位测点， 采用对比的方法， 进行一般监控， 并结合 关键部位的数据进行监控。通过对拱肋主要控制截面的应 力监测， 可掌握拱肋在施工过程中的内力变化。可以帮助分 析判定桥梁施工过程、 受力有无异常。是施工安全预警的重 要依据。各拱肋每测试截面布置 4 个应变测点。 ( 3 ) 测试仪器用钢弦式表面应力传感器。这种传感器长 期稳定性好 ， 抗干扰能力强， 数据采集也方便。传感器支座 在拱肋吊装前焊接到拱肋表面， 在拱肋吊装前一天， 在支座 上安装应力计 ， 并测读初读数。安装好后应加盒保护。传感 器应留出足够长的导线引致桥面， 注意保护接头。 5 4 吊杆 应 力监控 5 4 1 吊杆测点布置 吊杆是系杆拱桥的主要传力构件 ， 桥面荷载主要通过吊 杆传递给拱肋， 吊杆能否正常工作 ， 将会影响到整个桥梁的 正常运营， 所以必须实时对吊杆进行应力监控。 5 4 2 吊杆力的测试机具的选择 鉴 于施 加准确的 吊杆 力对 桥梁 的受力线 形控 制至关 重 要 ， 采用多种方法相校核的办法测试索力， 具体方案如下。 ( 1 ) 每桥 2根最短 吊索下安装锚索测力计直接测试索力。 ( 2 ) 张拉吊杆时， 在千斤顶与张拉螺栓或撑脚之间安装锚索 测力计 ， 用千斤顶油压表和锚索测力计相校核保证吊杆张拉 力的精确。( 3 ) 在每根吊杆张拉过程中， 用动测仪测试吊杆 振动频率 ； 由于已知吊杆力， 可以反推出吊杆有效长度 ； 每个 吊杆张拉过程中测试 3 个以上的工况， 以准确计算吊杆有效 长度。在后续施工过程中， 用动测仪测试 吊杆力。 _水 譬i建 1 3 1 第 1 1 卷 O 2期 南水北调 与水利科技 2 0 1 3年 6月 每桥用锚索测力计 3个， 动测仪 I台。锚索测力计的直 径按照吊杆锚头尺寸与定制， 量程根据吊杆力范围确定。 5 5温度 监测 温度对钢管混凝土拱桥位移的影响很显著。在应力测 量中应扣除温度影响。在线形控制中也要考虑温度影响。 尤其在成拱阶段要选择合适的合拢温度。 温度监测点布置与应力点相同， 选购同时具有测温和测 应变功能的弦式应变计测量。在合拢前几天要连续测试拱 肋温度， 选择合适的合拢时机。大气环 境温度测量用温 度计。 5 6 拱脚位移、 桥墩应力和 变形测量 5 6 1 拱脚位移 拱脚位移反应拱肋变形、 是拱肋受力的一个重要指标。 拱脚相对位移偏大会使得拱肋正弯矩偏大， 也反映了系杆张 拉不足。因此拱脚变形时拱肋受力和系杆张拉力的综合效 应。施工过程中与拱肋线形一样要对拱脚变形进行监测。 5 6 2 桥墩应力测点布置 施工过程的前几个阶段， 桥墩和系梁间是临时 固结关 系， 因此， 桥墩不仅承受轴向力， 还承受梁体传递下来的弯 矩。而且桥墩较高度不大， 系梁纵向变形引起的桥墩弯矩会 较显著， 为此， 在桥墩底部( 距离承台顶面 0 5 m处) 布置应 力监测点。 6 桥梁状态的识别和预测 在桥梁的设计和施工中分别会采用假定参数( 材料的弹 性模量、 容重、 施工时间等) 和真实参数( 施TI顺序等) 进行计 算， 以反映出设计与施工的差异。 6 1 对反馈施工信息分析确定施工误差状态 6 I I 误差分析 施工误差的出现是不可避免的 计算模型本身与实际 模型不可能完全一致， 并且 目前采用的平面杆系程序进行施 工计算存在着不能全面反映空间应力分布、 对温度效应只能 模拟分析等缺点。施工控制计算只能提供 目标的理论计算 值或修正的理论计算值， 并以此作为误差分析中的真值来评 价误差状态 。 各类测量仪器、 测试元件及测试方法本身会导致测量误 差 ， 其产生识别和对结构产生的影响相对容易控制。 由于特大跨度桥梁存在着由构件分步形成桥梁和桥梁 分步加载受力、 变形分步累加形成的特点， 在施工操作的结 果中必然会产生相应的误差。焊接钢箱梁， 存在焊缝收缩产 生的施工状态误差。对此类误差的产生及误差影响的消除 调整是施工控制分析的重点。 6 1 。 2 常见的误差形态 ( 1 ) 自噪声形态分布： 单个误差峰值较小， 且正负误差分 布均匀， 是施工控制所追求的理想状态。( 2 ) 连续单向分布 形态： 整体误差分布出现连续的正向或负向分布 ， 有积累的 连续分布误差会对结构线型及内力产生严重不利影响。( 3 ) 1 32 一 * 瓣 大峰值 ： 出现单个误差峰值较大的情况， 会对结构的内力和 线型产生严重影响， 必须加以控制和调整。 6 1 3 误 差 比较 施工监控、 监测中应根据施工反馈的数据与施工控制的 预测计算的理论 目标真值及施工监控、 监测的实时计算结果 的修正 目标真值进行 比较， 确定误差的实际分布状态， 对连 续分布误差和大峰值误差进行及时调整。 6 2 利用参数识别系统对计算参数进行识别、 修正 施工中如出现有发散趋势的连续分布误差状态， 这类误 差的产生大多源于计算参数失真引起的 目标真值失真， 必须 进行参数识别、 参数修正或参数拟合， 提供合理的目标真值 对于产生参数失真的原因必须进行认真分析， 以便在施工中 加以控 制。 6 3 利用施 工监控实时计算调整控制 目标值 根据目标值 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 ， 用于下一阶段的施工控制 和误差分析 。 6 4 确 定适 用的施 工误 差允许 度 指 标和 应 力预 警 机 制 要确定误差峰值的大小和确定是否进行误差调整， 要有 一 套符合施工实际情况的误差容许度指标体系。误差允许 度的确定还必须满足设计和监理对施工质量的要求。 7 方案实施过程效果检验 监控的应用及时为桥梁安全施工提供了可靠的安全数 据， 而且使该桥的各阶段的施工状态处于监控之中， 大大避 免施工中失控而造成施工费用增加和对质量影响等后果。 8 结语 钢管混凝土系杆拱桥施工阶段的监控过程是一个复杂 的过程 ， 特别是拱肋 吊装施工过程 。后续 吊装均会影 响前面 已吊装的节段， 使原有状态发生改变， 所以需要采用一定的 措施进行施工监控， 确保施工质量和安全。 参考文献： 1 周传林 钢管混凝土系杆拱桥施工控制的研究 D 南京： 南京 林业大学 ， 2 0 0 7 E 8刘浩 大跨径钢管混凝土拱桥 力学行为分析 与监侧 E J 3 重庆 ： 重庆交通学院 ， 2 0 0 1 E 3 彭卫 ， 陈岩 大跨度钢管混凝土拱桥 的施工控 制E J 2 浙江建 筑， 2 0 0 2， ( S1 ) E 4 3 顾安邦， 张永水 桥梁施工监测与控制 M 机械工业出版社， 2 0 05 E 5 1 江样林， 曾明水 钢管混凝土拱桥的施工监测E J 3 华东公路， 2 0 02 ， ( 6 ) E 6 贾其友 ， 白晓平 ， 陈建军 大跨度钢管混凝土拱桥施工及控制 E J 3 交通与社会， 2 0 0 2 ， ( 1 5 )