钢筋混凝土连拱廊桥施工监控研究.pdf

公路交通技术2 0 1 1年 4月 第 2期T e c h n o l o o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A p r 2 0 1 1 N o 2 钢筋混凝 土连拱廊桥施工监控研究 刘 锦 ， 耿 波 ( 1 重庆交通大学土木建筑学院 ， 重庆4 0 0 0 7 4 ； 2 招商局重庆交通科研设计院有限公司 ， 重庆4 0 0 0 6 7 ) 摘要： 结合四川省北川新县城禹王桥建设S - 程实例 。 介绍钢筋混凝土连拱廊桥施工监控的内容、 方法等， 根据施工 节段划分， 建立有限元模型， 对施工节段进行仿真计算， 将有限元理论的计算结果与施工监控所测量的位移值和应 力值进行比较， 验证监控工作的有效性 ， 为桥梁安全施工提供依据和参考。 关键 词 ： 钢筋混凝土拱桥 ； 理论模型 ； 监控 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 8 2 0 5 中图分类号 ： U 4 4 8 3 4 文献标识码 ： B St u d y o n Su p e r v i s io n f o r Co n s t r u c t io n o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Mu lt i - a r c h Ga l le r y Br id g e s L I U J i n G EN G B o 随着现代交通事业 的不断发展 ， 各种桥梁结构 形式不断得到开发 ， 其中拱桥 由于受力合理， 外形美 观 ， 更是受到设计者的青睐。钢筋混凝土肋拱桥便 是其中之一 ， 其拱肋由钢筋与混凝土浇筑而成 。 钢筋混凝土肋拱桥在竖向荷载作用下 ， 两端产 生水平推力 ， 拱 内产生轴向压力 ， 大大减小 了拱 圈的 截面弯矩 ， 使之成为偏心受压构件 ， 但由于结构断面 同时受到轴力 、 剪力和弯矩的共 同作用 ， 故结构受力 复杂 。为检验每一施工工况是否正常 ， 确保成桥 线形和施工质量 ， 必须对上部箱梁结构进行施工力 学分析和现场监控 ， 以保证成桥线形和受力状态与 设计一致 j 。本文采用有限元软件 mi d a s 建立禹 王桥模型， 对该桥各施工工况进行讨论 ， 为今后钢筋 混凝土箱形拱桥的施工监控提供依据和方法。 1 工程背景 禹王桥位于四川省J L J l I 新县城的中轴线一景观 轴上。该桥西起远期拓展区的河西绿轴， 东止特色 商业街的5 3号街坊端头， 跨越安北公路 、 安昌河( 生 态廊 ) 及滨河路。该桥为 5 6 1 m+ 7 2 m+5 6 1 m钢 筋混凝土变截面悬链线 3跨无铰连拱桥 ( 图 1 ) ， 全 长 2 0 4 2 m， 宽 1 2 6 m， 中间孔净跨 6 5 m， 净矢高 1 3 m， 矢跨比 1 5 。桥面以上为体现羌族风情和大禹文 化的石木组合建筑， 桥两端为传统羌族的碉楼 ， 拱上 建筑为 4柱排架式 ， 与桥上建筑框架柱一一对应。 上层建筑对拱圈的荷载较大， 会对拱圈产生较大的 一 一 ， 01 1 I 一 0 )bI u 广 n ： 国 I i l l 一 1r r t 一 1； 、 -j a ： L- L j l ， 二 医 国 r f 匿 口 ，卫_ l 嚣 - - 窿 0 =6 5 0 0 j 5 0 0 0 I 一等 扎 U I 且 J 丁 1 1 卜 = 牛 1 一 脏 I“ I Ii f 开 = 1fi 两 一 I 册- l ( 1j 敦 一 2 啦 单位 ：c m 图 1 桥梁总体 布置 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 91 4 作者简介 ： 刘锦 ( 1 9 8 3一) ， 男 ， 山东省济宁市人 ， 在读研究生 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 2期 刘锦 ， 等： 钢筋混凝土连拱廊桥施工监控研究 8 3 压应力和弹塑性变形 ， 另外 ， 由于北川新县城位于新 华夏系四川沉降盆地边缘与龙 门山隆起带之复合部 位附近 ， 地质土分为 4层 ， 成分 比较混杂 ， 局部充填 粘土 ， 密实度 、 均匀性及裂隙面结合较差 ， 在较大的 荷载作用下会产生不均匀沉降 ， 所 以必须对桥梁的 施工过程进行监控 。 桥梁主拱圈采用支架现浇施工 ， 拱上建筑也是 现浇施工 ， 其施工工况划分见表 1 。 表 1施 工 工 况 划 分 工况号 施工工况 内容 1 浇筑墩 、 台 ， 搭设 拱圈支架 2 分批浇筑拱 圈 3 拱圈落架 4 拱 圈临 时铰 封铰 5 搭设立柱模板 ， 浇筑拱上立 柱 6 从拱脚 到拱顶对称均衡浇筑桥 面板 ， 拆卸模板 一 对称浇筑边拱建筑至 屋面 ， 中间拱 建筑至 2层楼板 ， 砌立 面装饰 墙 8 浇筑中间拱建筑 2层立柱、 屋面， 桥体装修 2 结 构分 析 2 1 计算建模 在桥梁各施工 阶段 ， 拱 圈的受力 和变形 随荷 载 增加而不断变化 ， 为保证在各施工阶段 中结 构真正 处于安全状态 ， 有必要建立结构理论计算模型， 以模 拟桥梁各个施工过程 。本文利用 m i d a s 建立禹王桥 计算模型 ， 如图 2所示 。全桥离散为平面杆 系单元 ， 共 6 6 5个节点 、 6 1 4个单元 。 图 2 结 构离 散图 2 2结构计算 本次控制分析是确定前一个施工理想状态 的线 形及位移 ， 为施工提供 目标与决策依据 ， 并对下一个 施工状态( 线形及位移) 作出预测， 使施工沿着设计 轨道进行。 本文对禹王桥结构分析的主要内容包括 ： 1 )对桥梁设计进行符合性分析 ； 2 )确定拱圈预拱度 ； 3 )根据拱圈浇筑 、 拱架下落及拱上结构浇筑施 工程序 ， 预测各施工理想状态 的内力与位移 ； 4 )确定与结构最大 内力和位移相对应 的施工 状态 ， 必要时对拱圈浇筑 、 拱架下落及拱上结构浇筑 程序进行优化 ； 5 )对施工拱架进行分析。 禹王桥结构计算的部分结果见表 2 4 。 表 2中跨拱 圈应力理论 值 M P a 注 ： 代表跨径 ， 下 同。 表 3中跨拱 圈位移理论值 m m 3施工监控重点 3 1 施工监控影响因素 1 )结构设计计算中， 理论值和实际值不完全一 致 ； 2 )环境温度 、 湿度影响 ； 3 )测量时的施工误差、 仪器误差 ； 4 )混凝土龄期不足 ， 未达到预期效果 ； 5 )施工时临时荷载对拱圈、 支架变形影响。 3 2施 工监控 重 点 桥梁施工 监控 中， 应力 测试一 直是一 个重点。 由表 2数据可以看 出， 禹王桥在 中拱落架和浇筑拱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 01 1皇 上建筑的施工工况中， 应力变化较大 ， 中拱落架时应 力平均增加 1 5 MP a ， 浇筑拱上 1层和 2层建筑 时 应力增加 1 2 M P a ， 尤其是中拱落架时拱桥应力从 零转变为承重状态 ， 因此 ， 对 中拱落架和浇筑拱上建 筑( 2次 ) 这 3个工况 的应力监测成为本次施工监控 的重点 。 4监控方 法和 内容 4 1监控 方法 通常 ， 在桥梁施工监控中， 由水准仪监测桥梁的 变形 ， 由振弦式应变仪监测拱 圈和支架的受力， 以保 证拱圈浇筑过程 中支架和拱圈的安全_ 6 。j 。施工控 制分为 2部分 ： 一是监测 ， 二是监控 。前者是在主拱 圈和其它部位埋设传感器和其它部件来获取数据 ， 后者则是在前者的基础上利用程序处理分析这些数 据和提出下一阶段 的施工参数 J 。由于拱桥在施工 过程中已成结构( 如拱圈) 的几何状态 ( 平面 、 立面) 无法事后调整 ， 所 以， 本次施工控制主要采用事前预 测和事中控制法 ， 即通过本工况施工 的监测数据预 测和控制下一工况的施工。 4 2 监控内容 禹王桥监控 内容包 括各施工 阶段拱脚 位移监 测 ， 拱圈应力、 挠度监测 ， 拱架变形 、 应力监测等。将 监测值与计算理论值相 比较 ， 得出两者之间的差值 ， 以差值为依据调整桥梁施工荷载 ， 以保证桥梁安全 施工 。 4 2 1 位移和挠度监测 1 )拱脚、 桥台变位监测 。 在 2拱脚和桥台设置 固定的监测点 ， 共 4个， 并 用全站仪定期监测施工各工况时拱脚位移变化 ， 拱 脚变位监测点布置见图3 。 2 )拱架变位监测。 在拱 圈 浇 筑 过 程 中， 在 每 孑 L 拱 架 8 、 L 4、 3 L 8 、 L 2 、 5 L 8 、 3 L 4 、 7 L 8处设 固定 监测点 ， 每断 面4个 ， 共 8 4点， 并用全站仪监测浇筑拱 圈时拱架 的变位。拱架变位监测布置见图 4 。 3 )拱圈变位监测。 在拱圈落架 ， 拱上立柱及桥 面板 的浇筑， 拱上 1期 、 2期建筑的浇筑过程 中， 分别在 每孔拱架 L 8 、 L 4 、 3 L 8 、 L 2 、 5 L 8 、 3 L 4 、 7 L 8处设置 固定的监测 点 ， 每断 面 4个 ， 共 8 4点 ， 并用全站仪监测浇筑拱 圈、 拱上立柱、 桥面板等各施工工况时的变位。拱 圈 变位 监测 见 图 5 。 4 2 2应 力监 测 1 )拱圈应力监测。 分别在拱圈 L 4 、 L 2 、 3 L 4和拱脚处埋设应力 监测元件 ， 每截面 4个 ， 共 4 4个 ， 监测拱圈落架和加 载中的拱圈应力 。传感器布置见图 6 。 2 )拱架主要杆件应力监测。 为保证拱圈浇筑过程 中拱架的受力安全 ， 在主 要受力杆件中布置表贴式传感器 ， 每孔 6点 ， 共 l 8 点。拱架主要杆件应力监测见图 7 。 5监控 结果 监测计算一般只能给出线性平面应力 的大小 ， 故应力测试结果通常不直接用于误差分析 ， 而是将 图 3拱脚 、 桥 台变位监测点布置 边跨 支架监 测点 中跨 支架监测点 边跨 支架监测点 l l I l l l l l l l l l l l l I l I l 图 4 拱架变位监测 点布置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 2期 刘锦 ， 等 ： 钢筋混凝土连拱廊桥施工监控研究 8 5 图 5拱圈变位监测点 布 注 ： 代表仪器位置 。 图 6 箱拱 断面测点布置 图 7 中跨拱架 断面测 点布置 应力测试的增量结果作为施工的应力预警参数。监 控单位对于测试 中出现的应力异常变化应及时作出 预警报告。 事前预测和事中控制 的方法在禹王桥施工监控 中的应用 ， 使应力和位移都得到了有效控制 ， 实测值 与理论计算值 基本 相吻合 。由于监控数据太 多 ， 本 文不能一一列 出， 只给出了成桥后 的部分监测数据 和理论数据 ， 见表 5 7 。 分析表 57可知 ， 拱 圈测点实测值与理论计算 值偏差很小 ， 其测量位移与理论位移的差值 为 1 5 mm， 测量应力与理 论应力 的差值 最大为 0 5 MP a ， 在不超限 的情况 下 ， 应 力变化 范围是可 以接受 的。 拱架位移值差值最大为 3 mm， 满足规范要求 ， 结构 表 5中跨拱 圈位 移测量 注： 负值代表向下的位移， 下同。 应力处于安全 、 合理状态 。监控结果表明， 禹王桥在 浇筑 一 落架 一 拱上加载等施工过程 中， 施工处 于安 全状 态 。 6结语 本文结合 四川省北川新县城禹王桥施工监控实 例 ， 论述了钢筋混凝土拱桥施工监控的意义 ， 并就施 工仿真计算 、 施工 阶段监测 方法、 施 工控制测 点布 置 、 施工控制重点等进行阐述。监测结果表明 ， 该桥 各断面应力实测值与计算值吻合较好 ， 拱肋混凝土 最大压应力小于规范允许值 ， 并有较大的储备 ， 说明 结构处于安全范围 内， 整体结构受力控制在设计规 范允许范围以内。 目前该桥 已顺利完成 了施 工 ， 并 且运营状态 良好 ， 该桥 的监控方法可为同类 型桥梁 监控提供参考。 表 6中跨拱 圈应 力测 量 注 ： 负值代表压应力 。 ( 下转第9 0页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 1丘 案的安全风险水平分别为 级和 级 ， 均为风险有 条件接受 。在得到 了各 方案 的总体安 全风 险水平 后 ， 在专家调查法 的基础上应用 了基于估计相对位 置的方案排队法 ， 综合考虑社会效益和环境影响等 因素， 经过分析 比较得出独塔双索面混合梁斜拉桥 方案为较优方案。 参 考 文 献 1 阮欣， 陈艾荣 ， 石雪飞 桥梁lT程风险评估 M 北 京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 8 2 师旭超， 韩杨 桥梁结构的风险评估分析 J 市政 技术 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 5 96 1 3 项贻强， 张婷婷， 孙筠 国外桥梁工程项 目风险及评 估研究综述 J 中外公路， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 1 5 31 5 7 4 张风华 桥梁风险评估方法与发展研究 J 城市道桥 5 6 7 8 9 1 0 与防洪 ， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 1 6 41 6 7 阮欣 桥梁工程风险评估体系及关键技术研究 D 上海 ： 同济大学， 2 0 0 5 龚道新 ， 叶 飞 基 于估 计相 对位 置 的方案 排 队法在 风险决策中的应用 J 甘肃科学学报， 2 0 0 0 ( 6 ) ： 8 9 9 2 何小亚 ， 王洪 山 多 目标 决策 方案 排 队法 的矩阵算 法 J 武汉科 技学 院学 报 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 2 5 2 8 张喜刚 公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 1 0 李燎菁， 阮欣， 陈艾荣 泰州长江公路大桥风险评估 C 第十八 届全国桥梁 学术会议 论文集 ( 下册 ) 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 8 刘延宏 武汉天兴洲公铁 两用长 江大桥正 桥工程风 险 分析与评价 J 铁道建筑技术， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 6 6 6 9 ( ( ( ( ( 上接第 8 5页) 2 3 4 表 7中跨支架位移测量 i n n l 参 考 文 献 项宏亮， 虞建成 大跨度钢筋混凝土肋拱桥的拆除与 控制技术 J 山东 交通学 院学 报 ， 2 0 0 9 ， 1 7 ( 1 ) ： 4 9 5 9 周 峰 ， 王 慧东 大跨 连续 箱梁 桥悬 臂施 工监控 研究 与实践 J 石家庄铁道学院学报 ， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 2 ) ： 1 5 许凯明 基于 C A N总线的桥梁健康实时监测系统设计 J 兰州理工大学学报， 2 0 0 8 ， 3 5 ( 1 ) ： 1 3 11 3 5 吴艺 ， 毕磊 ， 瞿鸿 飞 基 于灰色 系统理论 的预应力 连续梁桥施工监控研究 J 特种结构 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 3 ) ： 5 6 7 8 8 3 8 6 胡朝辉 ， 袁 向荣 图像测 量技 术在 桥梁 变形 检测 中的 应用研究 J 长春工程学院学报， 2 0 0 9 ， 1 0 ( 4 ) ： 58 杨伟， 高至飞， 杨纯燕 振弦式应变仪在桥梁快速检 测中的应用 J 山西交通科技 ， 2 0 0 6， 3 ( 3 ) ： 6 2 宋宇， 李迅鹏 ， 马琨 调频式 电感传感器电路及其 在桥梁低频振动检测中的应用 J 昆明理工大学学 报 ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 4 ) ： 5 35 7 杜斌 ， 向天字 ， 赵人达 大跨度 预应力 混凝土 曲线 连 续刚构桥施工控制方法研究 J 贵州工业大学学报 ， 2 0 0 8， 3 7 ( 3)： 1 6 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m