预应力混凝土斜拉桁架桥施工监控.pdf

第 2 6卷第 3期 2 0 0 9年 9月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f H U S T ( U r b a n S c i e n c e E d i t i o n ) Vo 1 2 6 No 3 S e p 2 0 0 9 预应 力混凝 土斜拉桁架桥施 工监控 金文成 ， 尹华义2 ， 白 金增 ( 1 华中科技大学a 土木工程与力学学院； b 控制结构湖北省重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 宜昌市夷陵区规划建筑设计院， 湖北宜昌4 4 3 1 0 0 ) 摘要： 小溪塔大桥位于宜昌市夷陵区， 其主桥为预应力混凝土斜拉桁架结构， 中跨达到 1 7 3 m。本文主要介 绍该桥施工监控的方法和内容。通过对变形、 应力等参数的测试分析 ， 提出有效的施工控制措施， 使施工过程 安全可控并达到合理的成桥状态。小溪塔大桥已经竣工通车 ， 本文阐述的一些经验和方法， 可以为今后同类型 桥梁的施工控制提供借鉴。 关键词： 斜拉桁架桥； 全悬臂现浇； 施工方法； 施工监控 中图分类号 ： U 4 4 5 4 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 2 0 3 7 ( 2 0 0 9) 0 3 - 0 0 0 4 - 0 5 桥梁施工监控是桥梁施工技术的重要组成部 分 ， 它以设计成桥状态为 目标 ， 通过在整个施工过 程中对结构 的受力 和变形进行有效 的监测 和控 制 ， 确保桥梁在施工过程 中内力 和变形始终处于 安全可控的范围内， 使 成桥 的内力 和线形满足设 计要求 ， 同时也为大桥顺 利投入运 营和长期健康 监控提供依据 J 。小溪塔 大桥是预 应力 混凝 土 斜拉桁架结构 ， 其形式 比较复杂 ， 在同类桥梁中首 次采用了全悬臂现浇工艺， 施工 中会有较 复杂 的 内力和位移变化。为保证桥梁施工质量和施工安 全， 施工阶段的监控十分重要。 1 工程概况 宜 昌市小溪塔大桥位于宜 昌市夷 陵区， 地处 规划 城 区 内， 全长 4 0 0多米 。主桥桥 跨 布置 为 ( 8 5 5 4 - 1 7 3 4-8 5 5 ) 1T I ， 为预应力混凝土斜拉桁架 连续刚构体系 ( 图 1 ) ， 塔高 2 2 3 i n ， 桥梁全宽为 1 5 m( 净 9 m+ 21 2 5 m( 桁架结构宽 )+ 21 5 m( 人行道)+2 0 2 5 m( 栏杆 ) 。设计荷载 ： 城 市 一A级 ， 人群 3 5 k N m 。 3 3 - 墩 图 1 小溪塔大桥立面布置 上部结构由两桁架片、 端横梁及中横梁、 纵向 心矩形 ， 墩高为 3 3 m， 上端为 V形斜撑 ， 与桁架固 布置空心板及桁顶横系梁组成。桁架片由上弦 结 ， 形成刚构体系。 杆 、 下弦杆及腹杆组成 ， 由节点横梁连接成空间框 桁架杆件均采用悬臂 浇注施工 ， 在完成墩顶 架结构。下弦杆采用箱型截 面， 其 节点水平 间距 箱梁 、 大腹杆及桁顶大节点的施工后 ， 安装斜拉工 为 1 0 m； 上弦杆和腹杆均为矩形截面。桁架上弦 作平 台( 挂篮) ， 逐段对称悬浇各杆件直到合拢段 杆和拉腹杆为 P C构件 ， 边 、 中跨合拢段及墩顶箱 施工。桁架结构施工完成后 ， 吊装桥 面纵 向空心 梁也配置预应力 ， 其他构 件均为 R C构件。主桥 板 ， 最终完成桥 面系的施工。施工机具 、 材料 的运 桥墩采用钻孔灌注桩基础， 墩身为等截面薄壁空 输和挂篮的移动均需借助缆索吊。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 6 - 2 2 作者简介 ： 金文成 ( 1 9 5 8 ， ) ， 男 ， 安徽望 江人 ， 教授 ， 研究 方向为预应 力混凝土桥梁结构 ， j i n w e n c h 2 0 0 5 a s i n a e o m。 第3期 金文成等： 预应力混凝土斜拉桁架桥施工监控 5 2 施工监控理论 2 1 仿真分析计算模型 在对小溪塔大桥各施工阶段进行控制 时， 首 先通过计算确定桥梁结构施工过程中每一阶段受 力和变形的理论状态， 凭此来预测施工过程中的 每个阶段的结构行为。 2 2施工阶段模拟 为了使仿真分析结果更接近实际， 本桥对 主 要的可以测定的参数 ， 取用实测值 ， 难 以测定的依 照设计规范 ， 根据以往工程实际经验进行修订。 本桥斜拉桁架施工采用悬臂浇注法。借助移 动式挂篮等施工设备 ， 以桥墩为中心向两岸对 称 浇注杆件混凝土 ， 每移动一次挂篮可施工一个下 。 。 挂 _ _J 弦杆节间部分， 待完成本节段施工后 ， 移动挂篮， 进行下一节段 的施工， 逐步形成桁架结构 。一 个节段循环主要工序见表 1 ， 示意图见图2 。 表 1 一个桁架节段循环工序 步骤 内容 d 步骤 内容 d 张拉上弦杆钢束 1 精确安装挂篮 1 并压浆 2 立 杆l O 8 拆除模板 、支架等 3 及下节点 支架立模浇筑拉 9 前移挂篮 1 。 腹杆 张拉腹杆钢束 ， l 0 立模浇筑横梁 3 并压浆 支架立模浇筑压 ， 1 1 铺设空心板 2 腹杆及上节点 6 立模浇筑上弦杆 5 l 2 重复以上步骤 ( a ) 安装 挂嬷 ( b ) 浇筑下弦 杆及下节 点 ( c ) 浇筑拉 腹杆 ( d ) 浇 甄 胜 腹 轩 及 f ： 点 ( e ) 浇 筑 卜弦 杆 图 2 一个节段主要施工步骤 在大桥的悬臂施工 中， 挂篮 和模板机具设备 据实际施工方案逐步进行计算 ， 才能得到施工和 等施工荷载对结构内力和变形的影响很大。在仿 成桥后真实状态 。 真模拟分析计算 中充分考虑施工荷载 的影响 ， 模 由于施工建桥材料的特性 、 施工误差等是随 拟挂篮的安装 、 拆除以及前进等工况。另外 ， 空心 机的， 施工条件不可能是完全的理想状态 ， 为解决 板的铺设情况一般 和施工计划存有差异 ， 模型中 这一问题 ， 小溪塔桥的施工控制中 ， 从前进分析、 应根据实际工况做参数调整。 倒退分析 、 实时跟踪分析三方面人手 ， 相互结合 ， 2 3 施工控制中的结构分析 对大桥的施工状态进行控制。 对于悬臂施工的斜拉桁架桥 ， 随着施 工阶段 2 4 悬臂施工的变形计算和立模标高确定 的推进和构件的逐个安装 ， 结构形式 、 边界 约束 、 变形计算是施工监控 的重点和难点， 小溪塔 荷载形式等都在不断地变化 。因此对各施工阶段 大桥的变形采用专业有限元软件计算 ， 考虑 了混 中结构的变形和受力分析是不可缺少的。只有根 凝土的收缩徐变 、 预应力、 温度等因素的影响。在 6 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 0 9焦 准确计算的基础上 ， 合理确定立模标高 ， 才可能使 成桥达到较好 的线形 J 。小溪塔 大桥施工 阶段 各节段立模标高按下式计算 ： H=月 一 f o 一 一 + h ( 1 ) 式中： H为立模标高预测值 ； H| 为节点图纸设计标 高 为挂篮在混凝土浇注时的竖 向变形 为节 点从节段施工到成桥 的累计挠度 为混凝土收 缩徐变引起的竖 向挠度 ； h 为节点需要设置的预 拱度。公式 中减号表示与实际发生值方向相反。 2 5 仿真计算主要结果 通过计算结果分析可知， 上部桁架结构在悬 臂施工过程中主要 以受轴 向力为主、 弯矩 、 剪力较 小 ， 且随着悬臂长度 的增加 ， 弯矩和剪力引起的构 件应力在截面应力 中所 占比例逐步减小。施工阶 段各单元截面都 承受压应力 ， 应力值都在规 范允 许范围内。各施工阶段上 、 下弦杆挠度 曲线顺畅 ， 挠度变化正常。 3 施工监测 3 1内力监测 3 1 1应 力测点布 置 采用有限元仿真软件 对桥梁进 行分析计 算 后 ， 得到施工 中内力 、 应力最不利的构件和能反映 桥梁运营状况 的代表性 截面 。小溪塔 大桥在 桁架 、 V墩及主墩等控制截面布置了应力测点( 图 3 ) ， 以观测在施工过程中的应力变化及应力分布 情况。本项 目采用振弦应变计 ， 在混凝土浇注前 用铁丝与截面四角的纵向钢筋捆绑牢固。 半 赢 向应 力测 点 布 置 图 图 3小溪塔 大桥应力测点 布置 每一个悬臂节段施工完成后 ， 对全部测点测 明计算模型和参数的选取是符合实际的。悬臂施 试应力一次 。每次应力测试完成后 ， 对应力 幅度 工的对称性控制较好 ， 桥墩根部应力变化不大 ， 边 进行评价， 随施工控制报表作出应力状态安全与 跨合拢和中跨合拢时桥墩应力产生了小幅度的波 否的判断， 对应力异 常提出预警报告。同时在模 动 ， 但在二期恒载施工完成后又趋于稳定 。 型计算的基础上， 确定关键 截面测点 的最不利工 3 2 变形监测 况 ， 在最不利工况节段施工过程时， 加大该测点应 本桥为下承式桁架结构 ， 杆件偏位会使构件 力测试的频率 ， 以利安全控制 J 。 产生轴向力的二次弯矩 ， 对结构受力状况不利 ， 同 3 1 2 应力控制思路 时也影响桥面线形 ， 故应对施工过程 中的杆件控 在施工过程中， 影响构件应力的因素较多 ， 受 制点高程和平面走 向进行监测 。 力复杂 ， 构件内力一般会随着悬臂施工长度 的增 3 2 1 变形测点布置 加持续增加 。墩顶上弦杆和腹杆 中的 7 #1 2 # 测 斜拉桁架桥的上部结构是 由上弦杆 、 腹杆 、 下 点截面 ， 构件长度大 ， 应力幅值高 ， 应作为重点监 弦杆组成 ， 杆件之间由节点连接。因此 ， 节点的准 测对象 。在合拢段施工、 结构体系转换前后 ， 要严 确定位是线形控制的关键 。小溪塔大桥共监测了 密监控合拢段测点。对于桥墩测点 ， 在不平衡施 1 2 0个节点的高程 ， 如图 4所 示( 墩上变形测点图 工荷载 、 日照温差 等因素影 响下 的应力分布也是 中未示出) 。在小 溪塔大桥 中， 上下 游桁架 片在 监测的重点。 同一位置对称设置观测点 ， 这样可 以同时观测主 3 1 3 应力监测结果 梁 的挠度和主梁轴线是否发生变位 。 从小溪塔大桥控制截面应力测试结果看， 在 变形控制采用高精度水准仪和全站仪配合进 施工阶段 ， 构件基本上处于全截面受压状态 ， 各工 行 ， 高程基准点为岸上固定 的临时基准点 ， 并定期 况下理论设计值和实测值变化趋势基本 吻合 ， 说 与附近的水准高程控制 网点做 闭合测量。 第 3期 金文成等： 预应力混凝土斜拉桁架桥施工监控 7 图4 高程测点布置 3 2 2变 形控 制 思 路 线形监测主要是对各杆件控制点的标高测量 和中轴线测量 ； 变形监测主要 以标高测量和控制 点平面坐标测量相结合。在每个悬浇梁段的浇筑 阶段和预应力张拉 阶段 ， 应对 已成标高监测点进 行一次通测 ， 以反映上部结构的挠度变化。在合 拢前后阶段 、 二期恒载施加前后阶段等关键的施 工阶段应对全桥桥面线形进行一次通测。这些数 据是进行施工控制分析中的重要依据 引。 测点一般设在节点附近 的杆件上 ， 可以预埋 钢筋头作观测点。下弦杆截面为带单侧翼缘悬臂 的箱梁 ， 在同一测试断面上应设置两高程测点， 以 便观测箱梁 的扭转情况。为尽量减小温度 的影 响， 挠度的观测尽量安排在早晨太 阳出来 之前或 者 日落 2 h以后进行 。 在整个施工过程中， 主要观测内容包括 ： ( 1 ) 挂篮前移并定位后在施工节点的立模标高 ； ( 2 ) 浇注混凝土后张拉预应力筋前在施工 节点的标 高 ； ( 3 ) 张拉预应力筋后的全桥节点标高 ； ( 4 ) 边 ( 中) 跨合龙前的全桥节点标高 ； ( 5 ) 最终成桥前 的各项标高。 3 2 3变形观 测 结果 施工过程 中， 各控制点高程实测结果与理论 计算值 比较接近。中跨合拢段梁端高差小于 1 5 m m， 成桥线形接近设计值。 3 3其他监测 3 3 1温度场 观测 温度变化对桥 梁结构的受力和变形 影响很 大 ， 在不同温度下对结构状态进行测量 ， 其结果是 不一样 的。施工控制中要考虑温度效应 ， 才能保 证控制 的有效性。温度变化包括 日温度变化和季 节温度变化两部分。日温度变化 比较复杂， 尤其 是 E l 照作用 ， 会引起杆件前后表面的温度差 ， 使杆 件发生挠曲， 同时也会引起墩身偏移。为了摸清 温度在截面上的分布情况， 可以在杆件上布置温 度观测点， 以获得准确的温度变化规律 。通常 为了避免考虑复杂的温度影响， 选择控制某一温 度下的系统状态为 目标 ， 因其变化是均匀的， 可采 称 集各施工阶段的温度 ， 输入仿真模型进行分析计算。 本桥监控过程中， 仅在墩顶箱梁和墩顶压腹 杆中埋设了温度传感器 ， 应力和线形的测量也尽 量选在气温变化慢、 无阳光直晒的时段进行 ， 故仅 需在计算模型中通过调整施工温度的方式计人系 统温度修正。 3 3 2预应 力效 果监 测 预应力是结构承载的重要部分， 预 应力施加 效果直接影响结构的受力状况。预应力效果可以 从应力 、 变形观测结果中体现， 主要影响因素为预 应力张拉控制应力 、 预应力损失、 管道偏差等 。 3 3 3混凝 土特性监 测 混凝土的强度、 弹性模量、 加载龄期等对结构 的内力分布和变形均有较大影响 ， 应对施工过程 中的实际情况进行密切监测。本桥监控中均采用 了实际测量数据。 4 参数识别和误差调整 斜拉桁架桥施工过程复杂， 影响参数多 ， 材料 的密度与弹性模量 、 施工荷载、 混凝土 的收缩徐 变、 温度和预应力等都会对施工控 制带来影响。 在施工方案设计 阶段 ， 一般要假定这些参数为理 想值。由于上述 的影响参数实际上并非理想值 ， 结构的受力状态将会偏离理论轨迹。如何根据参 数 的误差来调整变量 ， 使结构受力尽 量靠近理想 状态 ， 使成桥满足设计要求， 将是施工控制要解决 的问题 。 4 1 参数识别 一 般在斜拉桁架桥的施工过程中， 对结构影 响较大 的参数 主要有： 预应力损失 、 结构 自重、 结 构刚度 、 混凝土收缩徐变和温度。在施工中需要 对其进行识别 ， 主要通过现场测试 的手段来确定 主要参数 。在确定主要参数后 ， 运用多种理论和 方法来分析， 识别这些参数的设计误差， 最后得到 其正确的估计值， 通过修正参数误差， 使桥梁结构 的实际状态和理想状态接近 J 。 4 2误差分析和调整 8 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 0 9年 在小溪塔大桥的监控过程 中， 误差调整从两 方面考虑 ： 第一步要进行设计参数误差调整 ， 通过 对已施工杆件的量测确定实际设计 参数值 ， 根据 实际设计参数值来计算结构的理想状态； 第二步 是进行施工误差的调整 ， 对 以后构件 的施工指令 进行调整。 施工过程存在不可逆性 ， 已经施工完成的构 件即使出现状态偏差也无法在后续施工阶段中调 整， 因此应预先对施工过程进行仿真分析 ， 确定合 理的施工状态 ， 以保证成桥状态接 近设计 期望。 在大桥施工中 ， 提供施工立模标高是监控工作 的 主要 内容之一。确定施工状态可以有正装计算法 和倒装计算法两种 ， 两者 的主要 区别在于计算模 型中构件安装顺序正好相反 ： 前者是按照实际构 件施工顺序 ， 在每个施工阶段构件安装时提供合 适的条件( 如内力 ， 标高等 ) ， 以使最终状 态符合 设计要求； 后者从理想的成桥状态开始 ， 按照与施 工相反的顺序拆除构件 ， 拆除构件后结构 的状态 就是该阶段的理想施工状态 。 模型计算结果和实际施工状态不可避免会存 在偏差， 因此要做好对施工误差识别和调整的工 作。对于已经产生 的施工偏差 ， 应在后续梁段 的 施工 中予 以调整， 为了保证杆件线性的平顺 ， 一般 可采用多步调整的方法 ， 偏 差很小 时可 以一步调 整到位 。预应力混凝土斜拉桁架桥的施工控制与 其他悬臂施工桥梁类似 ， 是一个施工一量测一 识 别一修正一施工的循环过程 。 5 结语 小溪塔大桥 为预应力混凝 土斜拉桁架结构 ， 施工 中首次采用全悬臂现浇法。监控工作人员克 服了各方面的困难 ， 在业主正确领导和施工方 、 监 理方的大力配合下， 于整个施工过程中对桥梁结 构进行了监测与控制， 使结构施工始终处于安全 可控的状态下 ， 施工完成后大桥 内力和线形状态 良好。本桥的施工监控经验可供今后同类桥型的 建设参考 。 参考文献 1 顾安邦 ，张永水桥梁施工监测与控制 M 北 京 ：机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 2 杜飞预应力混凝土斜拉桁架桥施工控制研究 D 武汉， 华中科技大学， 2 0 0 7 3 王鹏大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工控 制研 究 D 武汉 ： 武汉理 工大学 ， 2 0 0 7 4 郝志强主跨 1 4 5 i n刚构一连续组合体系桥梁施工 监控 J 山西交通科技， 2 0 0 6 ，( 3 ) ： 4 4 46 5 余钱华大跨混凝土桥梁施工监控中的应力分析 与测试 J 中国公路学报， 2 0 0 8 ，( 2 1 ) ： 6 8 - 7 3 6 J u a n R C a s a s R e l i a b i l i t y - b a s e d p a r t i a l s a f e ty f a c t o r s i n c a n t i l e ：v e r c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e b ri d g e s J J o u r n al o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ，1 9 9 7 ， 1 2 3 ( 3 ) ： 3 0 5 31 2 7 G u n n a r L u c k o ， J e s u s M d e l a G a r z a C o n s t r u c t a b i l i t y c o n s i d e r a t i o n s f o r b ala n c e d c a n t i l e v e r c o n s t r u c t i o n J P r a c t i c e P e ri o d i c a l o n S t r u c t u r al D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 3 ， 8 ( 1 ) ： 4 7 5 6 8 P a u l E Mo n d ff， J o h n A K u p r e n a s ， E ll i s N K o r d a h i ， e t a1S e g me n t al c a n t i l e v e r b ri d g e c o n s t r u c t i o n c u b e s t u d y J J o u r n al o f C o n s t r u c t i o n E n g i n e e ri n g and Ma n a g e me n t ， 1 9 9 7 ，1 2 3 ( 1 ) ： 7 9 8 4 9 徐君兰大跨度桥梁施工控制 M 北京： 人 民交 通出版社 ，1 9 9 9 Co n s t r u c t i on Co nt r o l o f Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Cho r d- St ay e d Tr u s s Br i d g e J I N We n c h e n g ，Y I N Hu a y i ， B A I fin z e n g ( 1 a S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d Me c h a n i c s ； bHub e i Ke y L a b o r a t o r y o f Co n t r o l S t r u c t u r e， HUS T， W u h a n 4 3 0 0 7 4， Ch i n a； 2 P l a n n i n g a n d D e s i g n I n s t i t u t e o f Y i l i n g D i s t r i c t Y i c h a n g C i t y ， Y i c h a n g 4 4 3 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r f o c u s 0 n c o n s t r u c t i o n c o n t r o l l i n g o f Xi a o x i t a B r i d g ew h i c h i s a P C c h o r d s t a y e d t r u s s br i d g eT he Xi a o x i t a Brid g e l o c a t e d i n Yi l i ng Di s t ric t Yi c ha n g Ci t y a nd t h e ma i n s p a n r e a c he d 1 73 me t e r s Ba s e d o n t h e me s u r i ng d e f o r ma t i o n a nd s t r e s s du rin g t h e c o n s t r u c t i o n，the r e s e a r c h e r s p r e s e n t e d r e a s o n a b l e c o nt r o l c o mma n d t o ma k e s u r e t h a t the c o n s t r u c t i o n i s s a f e a nd t h e s t a t us o f t h e b rid g e me e t t he de s i g n r e q u i r e me nt s Th e Xi a o x i t a Brid g e h a d o p e n e d t o t r a ffi c Th e e x pe rie n c e o f the c o nt r o l l i n g wo r k s c a n pr o v i de a r e f e r ence Ke y wor ds ：PC c h o r d s t a y e d t r u s s br i d g e；c a n t i l e v e r c a s t i n p l a c e；c o n s t r u c t i o n me t h o d；c o ns t r u c ti o n c o n t r o l