某三拱肋下承式混凝土系杆拱施工监控.pdf

2 0 1 2年第 4期I 总 1 8 5期 ) 安徽建筑 交 通 工 程 研 究 与 应 用 安 敝 建 筑 圜 某三拱肋下承式混凝土系杆拱施工鉴控 Co n s t r u c t i o n Co n t r o l o f t h e Ar c h Ri b o f Co n c r e t e Ti e Ba r Ar c h Br i d g e wi t h T h r e e Ar c h Ri b s 叶志诚 ， 沈杰 ， 施一春 ( 合肥工业大学土木与水利工程学 院 ， 安徽合肥2 3 0 0 0 9 ) 摘 要 ： 以某三拱肋下承式混凝土系杆拱桥为实例 ， 对 系杆拱桥 的监 控 目的 、 原则 以及 方法进 行 简要 的 阐述 。结合本桥 实际结构 特 点 。详 细介 绍 系杆 拱 线形 控制 、应 力控 制 以及 吊杆 索力控 制 的方 案 。 为今后同类 系杆拱监控提供参考。 关 键词 ： 系杆拱桥； 施工监控； 线形； 应力； 索力测试 中图分 类号 ： U4 4 8 2 2 + 5 文 献标 识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) o 4 0 1 1 2 0 2 1 工程概 况 该 三拱肋 系杆拱 桥 为下 承式 预应 力 混凝 土 系梁拱 。主 桥 横 向 布 置 为 ： 5 m( 人非 共 板 ) + 1 5 m( 拱 肋 ) + 1 1 2 5 m( 机 动 车道 ) + 0 5 m( 护栏 ) + 5 m( 绿化带及拱肋 ) + 0 5 m( 护栏 ) + 1 1 2 5 m( 机 动车 道 ) + 1 5 m( 拱肋 ) + 5 m( 人 非共 板 ) = 4 1 5 m。主桥 系梁拱 ， 系梁轴线为 R = 9 0 0 0 m的园凸曲线 ， 拱肋曲线方程为 Y ： 4 f x ( L X ) 的二次抛物线 ， 其中计算跨径 L = 9 7 m， 失跨 比 1 ： 5 。系梁 、 拱肋均采用整体现浇 ， 横桥向设置 3片拱肋 ， 肋 间距 l 5 0 m。 2系杆拱 监控 概述 2 1 施工 控制 的 目的 通过对该桥设计方案的检算分析， 校核设计 ； 通过对施工方案的模拟分析 ，可对施工方案的可行 性作 出评价 ； 通过施工过程控制分析 ， 确定各施工阶段拱肋 、 系梁 线形及受力状态 ， 为施工提供 目标与决策依据 ； 通过施工控制实时跟踪分析 ，可对随后施工状态的 线形及位移作出预测 ， 提供施工控制参数， 使施工沿着设计 的轨道进行 ， 在为提供 目标与决策依据的同时， 保证施工安 全和质量， 最终使施工成桥状态符合设计要求。 2 2 施工 控制 的原则 施 工控 制 的要求 首 先是 确保 施工 中结 构 的安 全 ，其 次 是保证结构的内力合理和外型美观。为了达到上述 目的， 就 要求在一套完整的、 足够精度的控制系统来量测挠度 、 吊杆 力和应力等 ，以便将拱桥的施工控制与成桥理想状态相协 调。此外 ， 为了尽量避免施工过程中不必要的多次张拉吊杆 和系梁 ，除了要求控制系统具有常规的结构分析等基本功 能之外 ， 还要求该系统应有根据拱桥施工特点 ， 在施工现场 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 5 2 9 作者简 介 ： 叶志成( 1 9 8 8 一) ， 男 ， 安徽六安人 ， 舍肥工业 大学在读硕 士 ， 研究方 向： 桥 梁与 隧道工程。 非 薹 鑫 机 机 机 动 动 主 车 遣道 道 道 道 II 2 L - 一 。 l 。 j 纽 l l I I l I I l 图 1 系杆拱桥布置图 图 2施工监控流 程 图 3 拱肋 、 系梁线形观测点 拱顶 具备消除设计与实际不一致的自适应能力 ，并及时提供标 高和 吊杆力的修正值 ，借助计算机强大的计算能力和信息 处理 能力 ， 来实 现施工 控 制 。由此 ， 建 立 现场 施工 控 制系 统 的要 求是 ： 控制系统应具有 良好的适应性 ，对于施工过程中有 蓦 安徽建筑 2 0 1 2年第 4期( 总 1 8 5期 ) 可能出现的各种情况和误差， 能够正确、 迅速判断和处理。 控制项 目应根据实际需要 自由选择确定 ，即控制项 目可以是吊杆力 、 标高、 拱肋应力等。 施工过程 中，对吊杆力或拱轴线位置的控制都应有 一 定 的 宽 容度 ， 以适 应 施工 的 需要 ， 此外 ， 必 须要 有 施 工 安 全 报警 系统 。 施工控制系统应能根据现场情况 ，迅速地制定出最 佳的吊杆力调整方案 ， 使 吊杆力调整方便 ， 使之在整个施工 过程中调整次数尽量少。 监控的主要工作就是对监测 到的桥梁结构 的应变 、 变 形等数据 以及施工过程计算 的理论数据通过分析判断 ， 并 以此提供相应的处理措施 ，来控制结构的应力及变形使其 不发生超限 ， 进而控制施工过程 ， 以确保施工安全与质量 ， 其主要工作流程如下框图 2所示。 2 3 施工控制的方法 该桥主要采用支架现浇施工 ， 桥面系和拱肋形成后 ， 受 后续工序( 如吊杆张力) 和材料后续变形( 如混凝土收缩 、 徐 变) 影响很大 ， 因此施工控制采用预测控制和反馈控制相结 合的方法进行控制 ，施工前通过试验室试验材料性能和结 构有限元分析 ，尽可能较精确的预测结构在各个施工阶段 的变形和内力 ， 通过提供合理的桥面系和拱肋的立模标高， 对桥面系和拱肋的线型进行控制。在吊杆的张拉阶段， 通过 施工过程中理论数据和实测数据的偏差 ，对数据分析和处 理( 结构分析和参数识别) 调整后续施 工工序 、 进行反馈控 制 ， 最终 达到 控制 桥梁 内力和 线型 的 目的 。以桥 梁应 力和 和 线型控制为主 ， 吊杆力控制为辅的原则 对全桥各重点部位 进行全面监控 ， 掌握桥梁结构在各施工过程中的受力状态 ， 严格控制各施工阶段各控制部位 的应力 ，确保施工过程中 的结构 安全 。 3施 工监 控 的 内容 3 1拱肋 、 系梁 线形 测量 在本桥施工过程 中， 为了保证拱肋 、 系梁结构的安全和 质量， 并在此基础上尽量方便施工， 就必须在施工过程 中对 拱肋结构的线形和位移进行跟踪观测 ，该项测量在每一个 施工阶段都要进行， 并贯穿整个施工过程。 3 1 1测点 布置 在每片拱肋的拱脚 、 l ， 8截面 、 l ， 4截面 、 3 8截面、拱顶 截面 、 5 8截面 、 3 4截面 、 7 8截面处均设置线形观测点 ， 每 片 拱肋 设 置 9个线 形 观测 点 ， 三片拱 肋共 设 置 2 7个线 形 观 测点； 每片系梁在 l ， 4截面、 1 ， 2截面和 3 4截面处设置线形 观测点 ， 三片系梁共设置 9个线形观测点， 如图 3所示。 3 1 2测试 方法 利用预先布设好的测点 ， 用精密水准仪 、 全站仪 、 棱镜 f 或反射片) 、 铟钢尺等进行测量。 3 1 3测试频率 拱肋 施 工过 程 中每 一施 工 阶段 前后 观 测一 次 观测 点 并 记录数据 ；在每一次吊杆张拉前后都必须对拱肋线形观测 点进行观测 ， 并整理数据加以分析； 荷载发生变化前后均应 对其进行观测 ， 并整理数据分析。 3 2拱肋 、 系梁应 力测试 大跨度系梁拱桥应力监控测量包括系梁的施工应力监 测和拱肋的施工应力监测两大部分。主要 目的是了解拱肋 和系梁控制截面的应力状况 ，并对梁体重量及其它荷载变 化 情况进 行判 断 ， 确保 结构 施工 质量 和施 1 二 安 全 。 3 2 1测点 布置 在每 片拱 肋 的拱脚 、 1 4截 面 、拱 顶截 面 、 3 4截 面处 的 上 下缘 均 设 置应 力 观 测 点 ，每 片拱 肋 设 置 l O个 应力 观 测 点 ， 三片拱肋共设置 3 0个应力观测点。每片系梁在拱梁结 合处、 1 4截面 、 1 2截面和 3 4截面处上下缘设置应力观测 点 ， 三片系梁共设置 3 0个应力观测点。如图 4所示。 3 2 2测 试方 法 应 变计 按预 定 的测试 方 向 固定在 主筋 上 ，测 试导 线 引 至 混凝土 表 面 。施 工过 程 中注 意对应 力 计 和引 出导线 的保 护。弦式应变计具有较好的长期稳定性 ， 比较适合施工监控 的要求 ， 本桥将主要采用弦式应变计。 3 2 3测 试频率 在 桥梁施 工 过程 中每 一施 工 工况 的变 化都 应 对 已预埋 的应变计进行观测 ， 包括荷载发生变化 、 吊杆拉力发生变化 前后 都必 须对 主塔 线形 观测点 进行 观 测 ，并 整理 数据 加 以 分 析 。 3 3吊杆拉 力测量 大跨度系梁拱桥的吊杆拉力的准确与否直接关系到主 梁的线形， 乃至整个施工过程的安全。吊杆拉力测量的准确 与 否 直接关 系 到拱肋 和 系梁 的 内力 及 线形 ，是 反 映全桥 内 力状态的重要指标。因此， 在大跨度系梁拱桥施工中必须确 保 吊杆拉力测试结果正确可靠。 吊杆拉力是通过测量吊杆振动频率，根据弹性弦振理 论考虑长索抗弯刚度修正 、角度 、 P E护套附加质量修正等 因素后换算为拉索轴力。频率法测试采用高灵敏度加速度 传感器 +动态应变仪 +数据采集器 +计算机及分析软件进 行 索力 观测 。 4施 工控 制误 差分析 施工控制的 目的是尽可能消除理论计算与施工实际情 况间的差异。这种差异表现为：计算参数与实际情况的差 异 、 计算假定与实际情况的差异 、 施工误差、 测量误差等。消 除 这些 差异从 两个 方面来 进行 。 4 1调 整计 算参数 、 修正理 想状 态 由于结构实测与理论值存在着一定的偏差 ，通过对应 力或位移偏差分析 ， 结构参数敏感性分析 ， 结构参数识别 ， 进一步分析找 出偏差原因， 确定出设计参数真实值， 为施工 成桥符合设计要求服务 ，也为同类桥的设计与施工积累经 验 。 4 2反馈控制分析、 预测立模标高 根据结构理想状态 、 现场实测状态和误差 ， 进行分析 、 预测 出下 阶段模板标高的最佳 取值是 克服误差的有力手 段 。 4 3结构设计参数识别 一 部 分结构设计参数可通过施工前的测定来加 以修 ( 下转第 1 4 9页) 交 通 工 程 研 究 与 应 用 安 徽 建 筑 U墨 宦 安徽建筑 2 0 1 2年第 4期( 总 1 8 5期 ) 2 非线性振动理论和分析方法 在动力学系统的建模中， 很多非线性动力学系统的控制方 程都可以简化成 D u ff i n g方程的形式。因此本文先对 D u ff i n g方 程进行数值仿真分析。对于弱非线性情形 ， 以三次项系数为小 参数 ， 系统自由振动的动力学方程为： x ” + 2 t O o X + 0 3 o ( x + S x ) = 0 ( 1 ) 受迫振动 的动力学方程为 ： X t + 2 t O o X + ( x + 8 x ) = f ( t ) ( 2 ) 数值分析 中， 龙格 一库塔法( R u n g e K u t t a ) 是用于模拟常 微分方程的解的重要的一类隐式或显式迭代法。 这些技术由数 学家卡尔 龙格和马丁 威尔海 库塔于 1 9 0 0年左右发明。 该方 法主要是在已知方程导数和初值信息 ，利用计算机仿真时应 用， 省去求解微分方程的复杂过程。 考虑常 微分方程 ： y = y ， t ) ， y ( O ) - y o ( 3 ) 为了用已知值计算，对上式两端同时在区间 t n t t II+ 积 分地 ： y 叶 l： y J t ) d t ( 4 ) k 则对上式右端应用数值积分方法可得龙格库塔方法。 常用 的 四阶龙格库塔 方法有 两种格式 。一种 基于 1 3辛 普森求 积 法， 格式如下 ： k l= h Y ) k h f ( Y + k l 2 ， ) k s = h f ( y I+ k ， t l ) k 4 = h f ( y + k 3 ， t 1 ) y l= y n + - ( k + 2 k 2+ 2 k s + k 4 ) ( 5 ) 一 种基于 1 3 辛普森求积法， 格式如下 ： k l = h f ( y t TI ) k 2 = h f ( y + k l ， 3 ， t l 什 ) k 3 = h f ( y + k 1 3 + k 3 ， t ) k 4 = h f ( y + k l k 2 + k 3 ， t 件 1 ) y y + ( k J + 2 k + 2 k s + k ) 3 数值算例 ( 6) 对上述弱非线性有阻尼 D u fl i n g系统 的 自由振 动响应进 行 数值仿真分析。自由振动方程如式( 1 ) 所示， 受迫振动方程如式 ( 2 ) 所示。 = 0 0 3 ， o o = 1 2 0 ， e = - 0 2 ， 均采用采用 MA T L A B四阶龙 格一库塔法进行计算。 算例 1 ： 采样频率 I O O H Z 、 振动时间 O s 1 2 7 s 、 初始振幅为 0 2 m ， 加速度响应如图 1 所示。 算例 2 ： f f l 1 为高斯白噪声激励， 采样频率 1 0 0 H Z 、 振动时间 0 s 1 2 7 s 、 初始振 幅为 0 ， 加速度响应如图 2 所示 。 算例 3 ： fi t ) 为正弦激励 ， 采 样频率 I O O H Z 、 振动 时间 0 s 2 s 、 初始振幅为 0 ， 加速度响应如图3所示。 算例 4 ： f f I 1 为 E I C e n t r o 地震波激励 ， 采样间隔为 0 0 2 s 、 振 动时间 0 s 3 0 s 、 初始振幅为 0 ， 加速度响应如图5 、 图6所示。 _ I l f = = = - _ 参考文献 【 1 】 M F e l d ma n No n -l i n e a r s y s t e m v i b r a t i o n a n a l y s i s u s i n g Hi l b e a t r ans f o r m - I 。 F r e e v i b r a t i o n anal y s i s m e t h o d F R E E V I B ， M e c h ani c al 结 S y s t e ms a n d S i g n al P r o c e s s i n g , 1 9 9 4 ( 2 ) 【 2 】 MF e l d m a n N o n -l i n e ar s y s t e m v i b r a t i o n ana l y s i s u s i n g Hi l b e r t 计 t r a n s f o r m I F o r c e d v i b r a t i o n anal y s i s m e t h od、 F O R C E V I B , M e c h ani c al 与 S y s t e ms a n d S i g n al P r o c e s s i n g ， 1 9 9 4 ( 3 ) 【 3 】 张郁山， 梁建文， 胡幸贤 应用 HH T方法识别刚度渐变 的线性 S D OF 体系的动力特性 J 】 泊 然科学进展， 2 0 0 5 ( 5 ) 用 ( 上接 第 1 1 3页) 正 ， 但是还有一些参数是难以确定的设计参数 ， 以及临时荷 载及环境影响 ， 必需进行结构施工监测 ， 并通过实测值与理 论值的对 比分析， 以及参数识别 ， 方可确定这些用试验难以 确定的设计参数， 从而减小理论值与实测值 的差异 ， 这样才 能进一步全面地把握主跨结构行为。参数识别采用最小二 乘法。本法较为成熟 ， 国内应用较广 。 4 4结合 控 制的 实时跟 踪分 析 通过每一阶段施工前的仿真预测计算，得到结构理想 状 态( 设计 理 想状 态 ) ； 通 过该 阶段施 工后 实 际的 观测结 果 ， 得到结构实际状态 ( 本 阶段实际状态 ) 后 ， 对两种状态进行 比较 ， 进行误差识别和分析 ， 用实测的反馈信息仿真预测下 一 阶段理想状态( 随后理想状态 ) 并给出其参数预告报告 ， 其工作流程为“ 预告一施工一量测一判断一修正一预告 ” 的 循环过程。它包括下述几部分 内容 ： 实测状态温差效应修正分析； 结构各状态数据实测值与理论值的对 比分析； 结构设计参数识别 ； 结 构行 为 的预测分 析 ； 理想状态修正分析 ； 反馈控制分析。 6结束 语 桥梁的施工控制是一个预告一施工一量测一计算一参 数识别一分析一修正一预告的循环过程。只有经过若干个 工况反复识别 ， 将理论数据与实测数据进行对 比， 修正， 才 能得到满意的监控结果。该案例三拱肋下承式系杆拱桥的 线性测量值 ，应力测量值以及吊杆索力测量值与理论值较 为接近 ， 整个结构一直处于可靠的控制状态 ， 监控效果 比较 理 想 。 参考文献 【 1 】 陈宝春 钢管混凝土拱桥设计与施工【 M E 京： 人民交通出版社， l 9 9 9 【 2 】 徐 晓和 ， 陈 小强 大跨度 钢管 混凝 土系杆 拱桥施 工监 控【 J J 铁 道 建 筑 ， 2 0 0 9( 1 0) 【 3 】 向中富 桥梁施工控制技术【 M 】 t 京： 人民交通出版社， 2 0 0 1 4 】 顾 安邦 ， 张 永水 桥 梁施 工 监控 与控制 【 M】 北 京 ： 机械 工业 出 版 社 2 0 0 5 安 徽 建 筑 固