大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工监控分析.pdf

第 7卷第 1期 2 0 1 0年 2月 铁道科 学与工程学报 J OURNAL OF RAI L W AY S CI E NCE AND ENGI NEERI NG VO1 7 NO 1 F e b 2 01 0 大跨径预应 力混凝 土连续 刚构桥 施工监控分析 杨奇 。 冷伍明 。 聂如松 。 魏巍 ( 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 以大跨径预应力钢筋混凝土连续刚构桥为研究背景， 应用桥梁结构设计与施工计算软件桥梁博士 ( D r B r i d g e ) 建 立计算模型， 分析计算各R_r - 阶段结构行为。以最小二乘法为基础进行参数识别的误差分析和状态预测法进行标高、 应力 控制。通过各施工阶段高程、 应力实测值与理论计算值的对比分析， 验证了计算模型和分析方法的正确性。 关键词： 预应力连续刚构桥； 施工控制； 桥 梁博士； 状态预测法 中图分类号： T U 2 7 9 7 ； U 4 4 5 4 6 6 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 0) 0 1 0 0 1 1 0 5 Co n s t r u c t i o n c o n t r o l r e s e a r c h a n d a n a l y s i s o f t h e l a r g e s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s r i g i d f r a me b r i d g e Y A N GQ i ，L E N G Wumi n g ， N I E R us o n g ， WE IWe i ( S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： P rinc i p l e a n d me t h o d o f v e i c a l a n d s t r e s s c o n t r o 1 we r e p u t f o r wa r d Co n s t r uc t i o n c o n t r o l o f c e r t a i n l a r g e s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s r i g i d f r a me b r i d g e wa s t a k e n f o r e x a mp l e，Dr Br i d g e，a b r i d g e s t ru c t u r a l a na l y s i s pr o g r a m u s e d for c o ns t ru c t i o n a n d de s i g n， wa s a p p l i e d t o b u i l d c o mp u t a t i o n mo d e l a n d c a l c ul a t e b e h a v i o r o f s t ru c t u r ePa r a me t e r i d e n t i f i c a t i o n o f e r r o r a n a l y s i s wa s b a s e d o n t he l e a s t s q u a r e me t h o d；me t h o d o f s t a t e f o r e c a s t i n g wa s u s e d t o c o n t r o l e l e v a t i o n a n d s t r e s s Af t e r c l o s u r e o f b r i d g e s t ruc t u r e ，v i a c o mp a r i s o n o f a c t u al me a s u r e me n t d a t a a n d t h e o r e t i c a l a rit h me t i c d a t a ，c o r r e c t n e s s o f a n a l y s i s me t h o d a n d c o mp u t a t i o n mo d u l e wa s v e rifie d Ke y wo r ds： pr e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s r i g i d f r a me b r i d g e；c o n s t ru c t i o n c o n t r o l ；l e a s t s q u a r e me t h o d；Dr B rid g e；me t h o d o f s t a t e f o r e c a s t i n g 现场试验与观测结果表明 - 4 ： 大型桥梁结构 在施工过程 中，由于受到施工临时荷 载 、 预加力 、 混凝土收缩 、 徐变 和温度作用等诸多因素影响， 结 构的内力状态和变形以及分布很难通过设计计算 事先做出准确估计 ， 总有可能发生一些预计不到的 情况。在连续刚构桥的悬臂浇筑施工中， 标高和应 力的监测和控制是确保桥梁顺利合拢的基本保证 ， 也是确保桥梁线形符合设计要求的决定性工作 ； 此 外 ， 根据应力与变形 的关 系， 标 高的监控对应力监 控能起到辅导作用 ， 同时 ， 对 于收集相关科研资料 也十分必要的。 标高监测与控制是在桥梁施工过程中动态地 控制各梁段的标高， 标高误差满足设计和施工规范 要求 ， 使桥面平顺 ， 梁底曲线流畅。在实际施工中， 为了使各梁段在恒载 、 活载 、 预应力及混凝土收缩 、 徐变等引起的综合挠度下最终满足设计标高， 一般 采用预设拱度 的方法解决 J 。应力监测与控制 是施工过程中的安全预报系统， 是对桥梁实际受力 状 态 进 行 评 判 和 确 保 施 工 安 全 顺 利 的主 要 依 据 。在各施工工况下进行了应变计观测。将观 测值与理论值相比较， 反馈调整混凝土的收缩徐变 等系数， 及时掌握主梁的内部应力情况， 确保施工 收稿 日期 ： 2 0 0 90 82 2 基金项 目： 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 0 6 7 8 1 7 5 ) 作者简介 ： 杨奇 ( 1 9 8 2一) ， 男 ， 湖南邵阳人 ， 博士研究生 ， 从事桥梁桩基方面的研究 1 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 0年 2月 安全。本文作者以东江北大桥施工监控为研究背 景 ， 对标高和应力的监测与控制进行研究分析 。 1 工程背景 东江北大桥主桥为( 6 0+21 0 0+ 6 0 )m的 4 跨连续刚构 ， 桥宽 3 3 5 m， 分左右 2幅。主桥上部 结构 为分 离 式 单 箱 单 室 箱 梁。左 幅顶 板 宽 为 l 6 3 5 m， 底宽为 8 5 m， 两侧悬臂长度各 3 9 2 5 m， 梁高5 0 2 0 m； 右幅顶板宽为 1 6 3 5 m， 底宽为 8 5 m， 两侧悬臂长度各 3 9 2 5 m， 梁高 5 02 0 m。采用纵向、 竖向及横 向三向预应力体系。主桥 立面如图 1 所示 。T构共有 1 3块悬浇梁段 ， l 4号 块为合拢段 ， 1 51 7号块为边跨现浇段 ， T构 的施 工梁段如图 2所示 。施工工序为下部结构施工 ， 2 1号墩 、 2 2号墩 、 2 3号墩对应 的 T构同时悬臂浇 筑施工， 两边跨合拢， 再两中跨合拢。这使最终的 合拢经历较长的施工过程和体系转换过程。 图 1 主桥 立面 图 F i g 1 E l e v a t i o n d i a g r a m o f ma i n b r i d g e 图 2施工粱段 图 Fi g 2 Be a m s e g me n t o f c o n s t r u c t i o n 2 高程和应力的主要影响因素 大跨度连续 刚构桥主梁挠度和内力变化十分 复杂 ， 其变化可 以归为 3种类型 ： 一是随外荷载变 化， 主要伴随施工工序而产生 ， 混凝土浇筑 ， 预应力 张拉， 挂篮行走， 这类型挠度和应力的变化快， 其变 化速度与工序进展速度相关 ， 与时间关系不大； 二 是 由于混凝土 自身的收缩徐变特性 ， 使得主梁挠度 和应力随时间缓慢 变化 ； 三是 随环境温度 的 变化_ l 。在实际施工 中， 由于产生上述 3种类 型 原 因受外界影响很大， 实际状态很难与事先估计的 理想状态相符合， 使实际值与理论分析值存在一定 的差异 ， 因此 ， 必须根据施工实 际。随时调整理论 计算模型， 使之与施工实际情况相符， 在按修正后 的模型确定结构挠度和应力， 从而到达控制目的。 3 监控实施及测试 3 1 标高及应力测点布置 梁顶高程测点布置在箱梁的顶面上， 与施工单 位共用一套测点， 以相互校核。每节梁段前端设置 测试断面， 每断面设 5个测点( 顶板 3 个， 底板 2 个) 。布置位置如图3 所示， 测点采用 1 2的钢筋埋 设制作 ， 底部焊接钢筋笼上 ， 顶部钢筋头预 留 13 c m并打磨成 圆锥型 ， 采用红油漆标记。 BI 3 B1 2 牛 B2 BI AI A2a 昔 A12 13 口 C C 口 口 】 l并 0# 1# 12# 13# 13# 12# 2# 口块 块 块c 块 块 块 口块 块 ，块 C13 C12 C2 C1 Dl D2口 n12 DI3 C 图 3 挠度观 测点布置 示意图 Fi g 3 P o s i t i o n o f d e fl e c t i o n o b s e r v a t i o n p o i n t 应变测试仪器选用振弦式应变计， 其观测值较 稳定 ， 并且耐久性较好 ， 适合应力场 的长期观测。 在 典型控制截面( 根部截面、 跨截面、 跨中截 面) 埋设应变计。控制截面位置如图 1 所示， 控制 截面中应变观测点位置如图4所示 。 1 ， 、= _ I _ 35 一 3 9 o I一 3 9 o 一 3 5 图 4 应 变观测点布置示意 图 Fi g 4 P o s i t i o n o f s t r a i n o b s e rva t i o n p o i n t 3 2 观测的方法和精度 基准点埋设在两河岸 ， 挠度观测的工作基点埋 设在各墩的0号块 中心位置 ， 挠度观测点埋设在各 梁块端部。悬臂施工的挠度观测是采用精密水准 仪对预埋挠度观测点进行观测， 观测不同工况下标 高变化就代表了该梁段在这一施工工况中挠度变 形。由于各墩所承受的悬臂荷载不断增大和收缩 徐变的影响， 各墩都存在沉降变形 ， 所以， 0号块上 水准点较不稳定 。为了准确地反映箱梁的挠度变 形， 采用全站仪结合精密水准仪 ， 定期对 0号块上 第 1 期 杨奇， 等： 大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工监控分析 l 3 的工作基点进行稳定性复测和联测 ， 并在挠度观测 数据处中加以考虑 ， 予 以修正。 为了能监测到箱梁较小的挠度变形 ， 并使得外 业的工作适中， 易于达到设计的观测精度， 本桥在 挠度观测采用国家二等水准测量的精度等级要求 进行施测 。 3 3测试 阶段 标高和应力测试数据采集及其处理随施工进 程同步进行 ， 测试阶段选择在各关键施工阶段完成 后随即进行。测试 阶段主要包括 ： 主梁节段混凝土 浇筑完成后 ； 主梁节段预应力束张拉后； 挂篮前移 后； 立模标高的观测； 各跨合拢前后； 底板预应力束 张拉后 ； 施加二期恒载前后 。 4 监控结果分析 采用国内桥梁结构设计与施工计算软件桥梁 博士 ( D r B r i d g e ) 建 立计 算模 型 ， 全桥 模 型共计 1 3 1个单元 ， 上部结 构 9 4个单元 ， 下部结构 为 3 7 个单元 。按设计要求确定桥梁施工工序 ， 每施工梁 段分挂篮前移 、 混凝 土浇注 和预应力张 拉 3个 工 况， 整个结构形成过程共分为 5 4个施工阶段， 1 个 运营阶段。这样 ， 整个施工过程 中出现的荷载 、 边 界条件、 计算图式的改变都能在计算模型中得到准 确的体现。全桥计算模型如图5和图 6所示。 图 5主桥立体模 型图 l l g 5 C o mp u t e d s p a t i a l mo d e l o f ma i n b ri d g e 图 6主桥单元几何 图 F i g 6 Ge o me t ri c g r a p h o f ma i n b ri d g e e l e me n t 应用 D r B r i d g e计算各 阶段的理 论高程 和应 力 ， 对已成结构实际状态与仿真计算理想状态之间 误差进行分析， 用最小二乘法对计算模型的参数进 行调整 ， 使得仿真模型逐步与结构的实际状态相吻 合 ， 由此对结构后期标高 的预测进行修正， 确保主 桥的成桥线形和内力状态符合设计要求。 4 1 标高控制结果 4 1 1 合拢精度 以桥梁右幅为例 ， 由中跨两悬臂端 的合拢前底 板观测数据表 1 可知： 合拢的最大误差为 1 5 m m， 满足 公路桥涵施工技术规范 所规定的同跨对 称点控制高程差小于2 0 m m的要求 。 表 1 合拢前底板标高表 Ta b l e 1 S o l e p l a t e e l e v a t i o n b e f o r e c l o s u r e o f b r i d g e 2 1号广州向 1 4号截面底 板标高 m l 8 0 3 7 2 2号东莞向 1 4号截面底板标 高 m 差值 mm 2 3号东莞向 l 4号截 面底板标 高 m 2 2号广州向 1 4号截面底板标高 m 差值 m m 1 8 0 2 2 1 5 0 o o l 7 5 9 3 1 7 5 8 5 8 0 ( ) o 4 1 2成桥后底板、 顶板标高 合拢成桥后( 未加二期恒载) ， 对底板、 桥面每 个梁段横断面布置的测点观测确定底板、 桥面线 形。底板理论计算标高与实测标高对比如图7所 示 ， 顶板理论计 算标 高与实测标 高对 比如 图 8所 示 ， 底板标高 、 顶板标高绝对 误差如 图 9所示 ， 其 中： 绝对误差是实测标高与理想标高之差 。 l 9 l 8 1 7 毒l 6 蜷 1 5 l 4 1 3 l 8 l 0 2 6 l 4 7 l 9 l 2 4 4 l 2 截面号 图 7 底板理论计算标高与实测标高对比图 Fi g 7 C o mp a r i s o n o f e l e v a t i o n b e t w e e n t h e o r e t i c al a r i t h me t i c a n d a c t u al me a s u r e me n t i n s o l e p l a t e 2 0 5 2 nO 1 9 5 耀 ； l臣 l 9 0 1 8 5 l 8 0 l 8 l 0 2 6 1 4 7 l 9 l 2 4 4 1 2 截面号 图8 顶板理论计算标高与实测标高对比图 Fi g 8 Co mp a r i s o n o f e l e v a t i o n be t we e n t he or e t i c a l a r i t h me t i c a n d a c t u a l me a s u r e me n t i n d e c k p l a t e 1 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 0年 2月 I 一_ 辑 f 晰 I 截 面号 图9 底板标高、 项板标高绝对误差图 F i g 9 Ab s o l u t e e r r o r o f d e c k p l a t e e l e v a t i o n a n d d e c k p l a t e e l e v a t i o n 从底板、 顶板理论计算标高与实测标高对比可 知 ： ( 1 ) 底板标高误差基本控制在规范 的允许误 差小于 1 0 mm， 顶板误差基本控制在规范的允许误 差小于 2 0 mm( 个别点除外 ) ； 理想线形与实测线 形吻合较好 ， 主梁线形顺畅。由此可以说明本工程 所依据的理论计算模型能够较好地反映结构的实 际情况 ， 应用所提出的参数识别方法能够得到 良好 的施工控制效果 。 ( 2 ) 导致理论计算标高和实测标高偏差的原 因有以下几点 ： 对 于理论计 算所采用 的混凝土容 重， 弹性模量与实际值有差别； 仿真计算中徐变系 数和预应力摩阻损失系数均采用规范规定值 ， 而没 进行实测， 对标高有影响； 施工中的立模误差、 测量 误差等也会导致标高存在偏差。 4 2 应力控制结果 以右幅根部截面 ( H一日) 、 1 4跨截面 ( 一， ) 上下缘在各施工工况下的应力为例进行分析说明。 理论计算值与实测值( 扣除非受力因素影响) 的对 比结果如图 1 01 3所示。 芝 翅 图 1 0 根部截面( 日一 H) 下缘应力理论值和实测值对比图 F i g 1 0 C o mp a ri s o n o f s t r e s s b e t we e n t h e o r e t i c a l a ri t h me t i c a n d a c t u a l m e a s u r e m e n t i n s o l e p l a t e o f r o o t s e c t i o n ( H H) 善 R 捌 图 1 1 根部截面( 一 )E 缘应力理论 直 和实测值对比图 F i g 1 1 C o mp a ri s o n o f s t r e s s b e t w e e n t h e o r e t i c a l a r i t h me t i c a n d a c t u al me a s u r e me n t i n d e c k p l a t e o f r o o t s e c t i o n ( H H) 图1 2 4截面( ， 一 ， ) 下缘应力理论值和实测值对比图 F i g 1 2 C o mp a ri s o n o f s t r e s s b e t we e n t h e o ret i c al a ri t h me t i c a n d a c t u a l me a s u r e me n t i n s o l e p l a t e o f L 4 s p a n s e c t i o n ( ， 一 ， ) 图 1 3 L 4 截面( ， 一 ， ) 上缘应力理论值和实测值对比图 Fi g 1 3 C o mp a ris o n o f s t r e s s b e t w e e n t h e o r e t i c a l a ri t h me t i c a n d a c t u a l me a s u r e me n t i n d e c k p l a t e ofL 4 s p a n s e c t i o n ( ， 一， ) 从图 1 Ol 3可知 ： 各施工 阶段控制截面上缘 、 下缘混凝土实测应力变化规律与理论计算结果是 一 致 的， 且实测值与理论值较吻合 ， 测试结果能准 确反映施工过程中梁体工作状态。理论分析结果 和实测数据之间存在的偏差主要是混凝土收缩徐 变 ， 桥面施工机械 自重及结构温度变化等各种复杂 因素而导致。总体来说， 主梁受力状况 良好 ， 结构 安全可靠 。 目u ， 删 靛羽 第 1 期 杨奇， 等： 大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工监控分析 1 5 5 结论 ( 1 ) 总结了监控过程中影响高程和应力的主 要因素， 分析了高程、 应力理论值和实测值存在偏 差的主要原 因。 ( 2 ) 合拢成桥状态下 主梁线形顺 畅， 结构受力 符合设计要求 ， 主梁结构安全可靠。 ( 3 ) 合拢成桥后， 通过高程 、 应力实测值和理 论值对比研究， 验证计算模型和提出的参数识别方 法的正确性和合理性 ， 可为 同类型桥梁的施工监控 提供参考 。 参考文献： 2 3 4 5 葛耀君 分段施工桥梁分析与控制 M 北京： 人民 交通出版社 ， 2 0 0 3 G E Y a o j u n A n a l y s i s a n d c o n t r o l o f b ri d g e c o n s t r u e t e d i n s t a g e s M B e ij i n g ：C h i n a C o m mu n i c a t i o n s P r e s s，20 0 3 雷俊卿 桥梁悬臂施工与设计 M 北京： 人民交通 出版 ， 1 9 9 9 L E I J u nq i n g C a n t i l e v e r c o n s t r u c t i o n a n d d e s i g n o f b ri d g e M B e i j i n g ：C h i n a C o m m u n i c a t i o n s P r e s s ， 1 99 9 向木生 连续刚构桥施工监控分析 J 武汉理工大 学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 6 ) ： 4 4 4 7 XI ANG Mu s h e n g C o n s t ru c t i o n c o n t r o l a n a l y s i s f o r c o n t i n u o u s r i g i d fl a m e b ri d g e J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 6 ) ： 4 4 4 7 汪剑， 方志 大跨预应力混凝土连续梁桥施工控 制研究 J 湖南大学学报， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 3 ) ： 1 3 0 1 3 3 WAN G J i a n，F AN G Z h i Re s e a r c h o n c o n s t ruc t i o n c o n t r o l o f l o n g s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b ri d g e J J o u r - n a l o f H u n a n U n i v e r s i t y ， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 3 ) ： 1 3 0 1 3 3 周建民 预应力混凝土梁上拱度的预测及控制 J 上海铁道大学学报 ， 1 9 9 7 ， 1 8 ( 4 ) ： 3 23 6 Z HOU J i a nmi n P r e d i c t i o n a n d c o n t r o l o f t h e c a mb e r o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m J J o u r n a l o f S h a n g h a i T i e d a o U n i v e r s i t y ：N a t u r a l S c i e n c e ，1 9 9 7，1 8 ( 4 ) ： 3 2 36 6 沈成武 大跨径预应力混凝土连续梁桥施工预拱度 控制研究 D 武汉 ： 武汉理工大学土木工程与建筑 学院， 2 0 0 3 S HEN C h e n gW U Re s e a r c h o n t h e c o n s t ruc t i o n c a mb e r o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i nu o u s b e a m o f l o n g s p a n b ri d g e D Wu h a n ： Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， S c h o o l o f C i v i l a n d Ar c h i t e c t u r al E n g i n e e ri n g ，2 0 0 3 7 伍亮 ， 余志武悬臂浇注斜交连续箱梁桥的线形监 控 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 6 ， 3 ( 5 ) ： 3 1 3 5 WU L i a n g YU Z h i WU T h e| i n e a r i s mo n i t o rin g u n d e r s k e w c o n t i n u o u s b o x g i r d e r b rid g e s c a s t w i t h b ala n c e d c a n t i l e v e r me t h o d J J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 3 ( 5 ) ： 3 1 3 5 8 武芳文， 方辉， 赵雷 大跨度连续刚构桥施工阶 段应力监测分析 J 铁道建筑 ， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 6 8 W U F a n gwe n，F ANG Hu i ，Z HAO L e i S t r e s s c o n t r o l a n aly s i s o f t h e l a r g e s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u O U S r i g i d f r a m e b ri d g e J R a i l w a y E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ( 5 )： 68 9 江滂， 荆秀芬， 石雪飞 桥梁施工监控测试 中混凝 土实测徐变应变的计算方法 J 桥梁建设 ， 2 0 0 5 ( Z 1 ) ： 1 4 51 4 7 J I ANG Yo n g ，J I NG Xi uf e n， S HI Xu ef e i C a l c u l a t i o n me t h o d for c o n c r e t e c r e e p s t r a i n me a s u r e d i n fi e l d i n b ri d g e c o n s t r u c t i o n m o n i t o ri n g J B ri d g e C o n s t rue t i o n ， 2 0 0 5 ( Z 1 ) ： 1 4 51 4 7 1 0 郑信光， 韩振勇， 项海帆， 桥梁节段施工过程的徐变 分析 J 同济大学学报， 1 9 9 1 ， 1 9 ( 3 ) ： 3 5 53 6 2 ZHE NG Xi ng u a n g ，HAN Z h e ny o n g ，XI A NG Ha i f a n T h e c r e e p e f f e c t a n aly s i s o f s e g me n t a l l y c o n s t ruc t e d b ri d g e d u ri n g t h e i r e r e c t i o n J J o u rna l o f T o n i U n i v e r s i t y ，1 9 9 1 ， 1 9 ( 3 ) ： 3 5 5 3 6 2 1 1 王光金 高墩 大跨 连续刚构桥 的温度效应研究 J 江苏建筑， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 3 7 3 9 WA N G G u a n gj i n S t u d y o n t e mp e r a t u r e e f f e c t o f h i g h p i e r l a r g e s p a n c o n t i n u o u s rig i d s t r u c t u r e b rid g e J J i a n g s u A r c h i t e c t u r e ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 3 7 3 9 1 2 J T J 0 4 1 -2 0 0 0 ， 公路桥涵施工技术规范 S J T J 04 1 - 2 0 0 0， T e c h n i c a l c o d e for c o n s t ruc t i o n o f h i g h w a y b ri d g e s a n d c u l v e r t s S