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摘要:本文以东风桥施工为例,介绍了在小半径悬臂浇筑施工的桥梁中,采用预埋温度及内力应变传感器,结合施工监控测量,通过先进的计算软件,控制施工的线形。
关键词:悬浇;曲线桥;质量控制
中图分类号:U445.1文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)30-0012-05
1工程概况
1.1结构概况
忻宏线东风大桥为双幅桥。设计荷载为公路-I级,单幅桥面宽度为0.5 m防撞栏+净11 m+0.5 m防撞栏。该桥左幅起点桩号为K3+529.5,终点桩号为K4+078,桥长548.5 m;右幅起点桩号为K3+544.5,终点桩号为K4+078,桥长533.5 m。左幅桥型布置为3 m×25 m预应力混凝土连续T梁+(2×40) m简支T梁+(63+2×110+63) m预应力混凝土变截面刚构-连续组合箱梁+40 m简支T梁;右幅桥型布置为3 m×25 m预应力混凝土连续T梁+(40+25) m简支T梁+(63+2×110+63) m预应力混凝土变截面刚构-连续组合箱梁+40 m简支T梁。主桥主墩采用钢筋砼箱型墩、桩基础,交界墩采用钢筋砼薄壁墩、桩基础;引桥桥墩为柱式墩,桩基础。左幅0号台为肋板式台,桩基础,右幅0号台为肋板板凳台,桩基础,10号台为U型台、扩大基础。桥梁跨越马四河、薛梅铁路和108国道。见图1。
主桥箱梁为单箱单室变截面箱梁连续刚构,控制断面梁高:中间支点处6.2 m,边跨直线段及主跨跨中处2.6 m,其高跨比分别为1∶17.74和1∶42.31。梁高变化段梁底曲线采用二次抛物线。箱梁横截面为单箱单室直腹板,箱梁顶板宽度为12 m,底宽为6 m,箱梁梁体两翼缘板悬臂长度为3 m。箱梁桥纵向采用预应力钢绞线,竖向采用直径25 mm预应力精轧螺纹粗钢筋。横向采用普通钢筋。箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工。箱梁(含齿块)采用C55砼。
主桥下部主墩为6 m×3.6 m钢筋砼空心薄壁墩,基础为4φ2.5 m双排钢筋砼群桩。交界墩为6 m×2.0 m钢筋砼空心薄壁墩,基础为φ1.5 m双排钢筋砼群桩。主桥主墩墩身、交界墩身采用C40砼(主墩顶5 m范围内采用C55砼),主桥桥墩桩基、承台采用C30砼。箱梁结构大样图见图2。
1.2主要技术条件
(1)荷载等级:公路-I级。
(2)设计洪水频率:100年一遇。
(3)桥面宽度:整体式双幅桥,单幅桥宽12.00 m。
(4)航道等级:无通航要求。
1.3施工概况
主桥连续梁采用三角挂篮悬臂浇注施工,砼垂直运输采用塔吊吊装。悬浇段和边跨直线段完成后进行全桥合拢,合拢施工顺序为:先两边跨合拢,然后次中跨合拢,最后中跨合拢。
施工工艺流程:0#块托架搭设→0#块支架预压→0#块浇筑施工→在0#块上拼装挂篮→挂篮悬臂浇筑1 #～11#块→边跨直线段施工→边跨合拢段施工→次中跨合拢施工→中跨合拢段施工。
对于预应力混凝土刚构桥来说,采用悬臂施工法有许多优点,但这类型桥梁的形成要经过一个复杂的过程。在施工过程中如何保证主梁竖向线型偏差及横向偏移不超过容许范围、如何保证合拢后的桥面线型良好、如何避免施工过程中主梁出现过大的应力等问题,均需进行施工监控监测。此外,设计是在对结构初始状态等其他参数作出假定的情况下进行的,实际施工时,结构初始状态的失真、理论计算中边界条件的模拟、施工步骤的改变以及偶然施工荷载的作用都会影响结构在施工和成桥时的状态和结构的安全。而施工监控监测是根据施工现场实测结果所得的结构参数真实值进行施工阶段计算,确定每个节段的立模标高,并在施工过程中根据施工监测成果进行误差分析、预测和对下一立模标高进行调整,从而保证成桥后线型、合拢精度及结构内力符合规定值的要求。通过施工监控监测能够确保施工过程中结构的可靠度和安全性,保证桥梁成桥桥面线型及受力状态满足设计要求。
2质量控制
由于在设计计算中采用的物理力学参数与实际工程中的相应参数值不可能完全一致,施工时的临时荷载也不可能考虑得很完全,导致结构的实际应力与设计时的预期效果不一致。质量控制的目的就是通过在施工现场设立的实时测量体系,对施工过程中结构的位移(线型)、内力等参数实时跟踪测量,根据对监测结果应用先进的计算手段进行有效的分析、计算,预测施工下一阶段设置的参数(如施工预拱度及各梁段立模标高等),保证整个结构在施工过程中的安全,并最终逼近设计成桥状态。
3监测依据
(1)马四河大桥设计图纸。
(2)《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)。
(3)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)。
(4)《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000)。
(5)《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)。
4施工监控计算
监控计算就是利用建立的监控计算体系对桥梁施工过程中各阶段结构的应力和位移状态及施工控制参数进行计算和预测,为施工提供施工阶段控制目标值,保证施工顺利进行并使结构最终达到或接近设计要求的成桥状态。悬臂施工连续梁桥监控计算所采用的方法是正装法。根据施工架设过程对结构进行正装施工控制计算(包括对结构某些参数的调整),使施工时结构的内力和变位等同或逼近设计目标状态。
4.1监控计算的主要内容
悬臂施工法大跨度刚构桥施工监控计算的主要内容包括线型控制计算及应力控制计算两个方面。线型控制计算的主要内容首先是根据施工阶段及步骤,考虑临时荷载、温度荷载、预加应力荷载、混凝土收缩徐变等因素的影响,判断已完成施工线型是否满足设计要求,其次是根据现有桥梁状态对下一阶段施工线型进行预测,提供立模标高等施工参数。应力控制计算的主要内容首先是计算在各个施工阶段,在各施工荷载及临时荷载组合情况下主桥关鍵截面的应力值及安全程度,并与实测值进行比较,其次是对下一阶段施工进行模拟计算,分析并预测关键部位的应力水平,对施工方案是否需要调整进行判断。
4.2结构计算
计算初始状态一般可以取用设计部门确定的设计状态作为监控计算初始状态。监控计算应对设计成桥状态进行复核验算,并进行优化,以确定最优的设计成桥状态,并以此作为监控计算依据。
根据桥梁的几何参数、结构参数和设计状态建立有限元模型。
计算控制参数的选择原则是所选择的参数在施工现场是经常变化的,并且其变化应能较敏感地反应出在施工过程中其对桥梁结构行为的影响,而且,这些参数应易于表示,易于度量,易于取得。通常情况下,选择混凝土箱梁的线型(即悬臂端的顶面标高)及梁体控制截面的应力等。
另外,施工控制参数包括:结构各构件施工前后的标高变化和主墩偏位、各构件施工前后结构内力的变化、预应力束张拉顺序及张拉吨位的调整、结构体系转换时对结构参数的调整等。
4.3施工状态预测
监控计算的结果应与设计单位的计算结果进行核对,以保证施工安全。计算的主要内容为各施工阶段的结构内力、应力以及线型,同时提供悬臂浇筑梁段的立模标高。
4.4施工后的校核计算
本阶段施工完毕后,将计算结果与施工监测结果进行比较,若两者差别满足要求,则提出下阶段的施工控制参数以进行下阶段的施工;若不满足要求,则根据最新的实测监控参数进行结构分析并对本施工阶段控制参数的目标值进行必要的修正。对每一阶段的施工都重复步骤4.2和4.3的内容。
4.5设计参数识别
在本桥施工控制中,设计参数的识别就是通过量测施工过程中实际结构的行为,分析结构的实际状态与理想状态的偏差,用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的主要设计参数,经过修正设计参数,来达到控制桥梁结构的实际状态与理想状态的偏差的目的,本桥采用施工控制技术为我公司开发的自校正调节法。该办法是将自适应控制和预测控制结合起来,实现最优控制。
4.6施工监控方法——自校正调节法
施工过程中,桥梁的实际状态与理想状态存在一定偏差。施工中结构偏离目标的原因涉及的范围极其广泛,包括设计参数误差(如材料特性、截面特性、徐变系数等)、施工误差(如梁段重量、悬浇误差、预应力张拉误差等)、测量误差、结构分析模型误差等。为了分析并调整这些误差,达到最优控制,需要运用一定的控制理论和方法,把桥梁施工看作为一个复杂的随机动态过程,根据结构理想状态、现场实测状态和误差信息进行误差分析,使结构施工的实际状态趋于理想状态。
本桥拟采用自校正调节法将自适应控制与预测控制结合起来,其控制思路是:首先,采用最小二乘法根据实测值对结构中的设计参数与计算模型进行自校正,重新建立施工目标状态,然后,运用卡尔曼滤波器进行状态滤波与预测,最后用最小二乘法进行最优化控制调节。该方法具备三大功能:①根据实测值不断地对计算模型进行自校正;②通过滤波得出结构的真实状态并预测未来;③根据滤波值与预测值采用最优控制方法对偏差进行调节。鉴于它比一般的预测控制增加了自校正功能,又比一般的自适应方法增加了预测和调节功能,称之为自校正调节法。
5施工监测
施工控制中的监测内容主要包括3个方面:①线型测量:桥梁轴线偏位及主梁标高测量;②主梁各控制截面在各施工阶段的混凝土应力测试;③温度场测量。
5.1桥梁结构线型监测
线型控制是施工监控的重要内容,线型的好坏直接关系到梁体的安全,主跨、边跨的合拢,以及全桥建成通车后的行车舒适度。同时,监控指令的正确合理与否,很大程度上依赖于线型等实测数据的准确性与真实性。
按《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)的要求,对主梁悬臂浇筑过程中的立模标高、局部线型、轴线偏位、同跨对称点高程差、合龙段相对高差、断面尺寸偏差、已浇段及成桥后主桥系统控制误差等指标进行控制监测。
5.2结构应力监测
选取具有代表性的截面,埋设应力传感器,对其应力应变进行测试,并通过对相关测试应变数据进行理论分析、误差分析使其尽可能地接近实际,从而较准确的掌握结构的真实应力状态。
5.3温度场测量
结构受力状态及线型的变化除与结构外荷载状态等因素有关外,还与结构体系所处的温度场相关。桥梁结构在桥位处各种环境因素的影响下,其温度场的变化主要体现在长期季节温差和短期体系温差两种形式上,长期季节温差主要是由于季节变换(环境气温)而引起结构整体升降温,对结构的影响主要体现在:结构整体升降温及合拢温度控制;短期体系温差主要指桥梁结构在日照等因素的影响下,在结构内部产生不均匀温度场,形成温度梯度。施工过程中,这两种形式的温差均将对结构的内力及线型产生重要影响。因此,必须在施工过程中对温度场进行监测。
6施工监测方法
6.1结构变形监测
借助施工建立的平面及高程控制网,应用三角及精密水准法对桥梁进行线型监测。
6.1.1线型监测
线型监测是连续梁施工控制的核心之一,确定好线型测点非常重要。为确保测试结果的准确、可靠,每个施工块件腹板上前端顶各布置2个对称的高程观测点,以利于在观测箱梁挠度的同时,同时观察箱梁是否发生扭转变形。0#块的高程观测点不但是本块件箱梁顶板设计标高的控制点,同时也是后续各悬浇节段高程观测的基准点,因此每个主墩及次主墩箱梁顶面的高程控制点作加密布置,具体见图3。块件的挠度测点位置设在距块件前端10 cm处(距箱梁两个腹板中心90 cm)的顶面,并尽量与施工单位共用一套测点,以互相校核。测点采用φ16钢筋制作,并用在垂直方向上与箱梁顶板的上下层钢筋点焊牢固,并保持垂直,顶端打磨平整,侧缘倒角并露出砼面1 cm,用红油漆标识。
图3
6.1.2主梁轴线偏位测量
主梁轴线偏位测点布置见图4,采用视准法直接测量。将全站仪或经纬仪架设在墩顶梁面中心,后视另一墩顶梁面中心,视线为基准线,在梁前端中心标记处放置小钢尺,钢尺基准点与梁端中心点重合,用仪器直接读取钢尺读数,即为轴线偏移值。
(说明:N1、N2为挠度测点,CP为轴线偏位测点)
图4主梁轴线偏位测点布置图
6.1.3线型测量仪器设备
全站仪,精度:±2”。Wild NA2自动安平水准仪,精度:±0.7 mm/100 km。
6.1.4线型测量注意事项
(1)线型测量过程中,当各墩之间及各墩与施工控制网之间可以联测时,应进行联测,以确保测量数据的可靠、准确。
(2)为尽量消除温度对线型测量的影响,线型测量时间定在温度相对恒定时进行,一般在夜间19:00以后或清晨日出8:00之前,并随季节调整。
(3)施工监控过程中应注意因暂时不平衡力而引起的主梁和墩身线型的变化。
(4)施工监控过程中,应注意各种临时荷载、挂蓝等力是否平衡。并严格管理各种临时荷载的堆放位置。
(5)线型测量工况:预应力张拉后。特殊情况下可适当加密测量的频次。
6.2结构应力监测
对大跨度预应力混凝土桥梁而言,由于混凝土材料的非均匀性和不稳定性,受设计参数(如材料特性、密度、截面特性等参数)、施工状况(施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度、时间等参数)和结构分析模型等诸多因素的影响,結构的实际应力与设计应力很难完全吻合,即计算应力不可能准确反映结构的实际应力状态。只有通过理论分析、误差分析等手段,使测试应力结果尽可能地接近于结构实际,才能较准确地掌握结构的真实应力状态。由于混凝土材料的特殊性,测量应力的误差主要来源于混凝土的实际弹性模量的差异和混凝土的收缩徐变的影响。为了排除非受力应变,在埋入工作应力计的同时,也埋设无应力计,测试混凝土的非应力应变。从实测的总应变中减去无应力计测试的无应力应变,即可得到由应力引起的混凝土应变,再根据混凝土的应力应变关系,可以推算混凝土在不同应力状态下的单轴应变计算公式,从而计算出混凝土的应力。
6.2.1传感器选择
基于大桥施工工期长、工作量大(测量频繁且须多点同时读数)、现场测试环境差(边施工,边测量),密封、绝缘要求高,温度变化难于预测,因撞击、振捣损坏传感器器件的情况不可避免。同时,还必须设法排除混凝土收缩徐变对测试结果的影响。在整个监测监控期间,为了不影响桥梁现场施工进度,鉴于同类桥梁施工监控的经验,拟选用内埋式钢弦应变传感器。目前,工程界普遍认为,钢弦式内埋应变传感器量程大、精度高、零漂和温漂小,且自身防护破损的能力好,便于长期观测,是混凝土应变测量较理想的传感元件。
根据混凝土箱梁结构可受到的荷载和温度变化情况,选用钢弦式记忆智能数码应变计。其主要指标如下:量程±1 500 με、灵敏度1 με、长期稳定性2 με～3 με。配合使用无应力计,检测仪器为钢弦频率巡检仪。
6.2.2测试断面及测点布置方案
實践表明:箱型截面整体性好,结构刚度大,承受正、负弯矩及抗扭能力强,是一种经济合理的截面形式。单箱单室薄壁截面,可提高单位面积的惯性矩,可采用箱梁顶板横向预应力与腹板内竖向预应力配筋来解决长悬臂箱梁的受力问题。对于大跨度三向预应力混凝土刚构桥,箱梁结构在混凝土悬浇中各截面的应力分布有很大的差别,起控制作用的因素是主梁的自重、挂篮和预应力,因此监测主梁的上下缘正应力就显得尤为重要。
应力测试断面的选择主要考虑以下因素:①结构受力的关键截面;②施工流程;③本桥自身特点;④结构的对称性;⑤结构或构件的受力特点。
6.2.3钢弦应变计埋设
为保证埋设的钢弦应变计有较高的成活率,需对埋设的应变计特殊处理和进行多项检查。在操作中尽可能准确地使钢弦应变计与纵向应力方向保持一致。为防止混凝土浇筑过程中传感器的窜位和角度改变,埋设时用扎丝将传感器较牢捆扎在钢筋上。
6.2.4箱梁应力测量工况
混凝土箱梁的悬浇过程大致可分为3个工序:①挂篮前移、立模;②混凝土浇筑;③预应力张拉。则应力测量工况为:悬臂施工的前1个～2个阶段,在混凝土浇筑后和预应力张拉后测量;后续节段正常施工,在预应力张拉后测量,合拢前适当加密;然后对体系转换后箱梁结构各工况改变后的应力进行监测,直至箱梁竣工。特殊情况下,可适当加密箱梁应力的监测频次。测量时间选定在每一工况结束后3 h～6 h为宜,同时,在每一施工阶段,各工况测量时的温度变化不能太大。
6.3结构温度监测
温度场测量采用JMT-36半导体智能型温度传感器进行。
JMT-36智能型温度传感器主要性能:精度±0.5 ℃,稳定性±0.5 ℃,测量范围-40 ℃～150 ℃,线性误差±0.3 ℃;其测量结果可不受接长导线长度影响,测量仪器采用ZX-300型巡检仪。
温度场的测量值作为控制参数供施工控制计算之用。
6.4施工线型控制目标
两合拢两侧主梁悬臂端高差小于1 cm,要求结构的线形平顺最大误差与设计线形比较小于3 cm。
6.5箱梁悬浇高程控制示意图
见图5、图6。
7投入施工监控的仪器设备
根据本桥监控监测的要求,采用两套通过实际工程使用检验的施工控制专用软件进行计算分析,以及进行全过程施工控制及预测。
序号 仪器设备名称 数量(台套) 用 途
1 便携式计算机 1 数据处理
室内作业
2 国产便携式打印机 1 室内作业
3 ZX-300巡检仪 1 应力监测
4 巡检仪集线箱 4 应力监测
温度测量
5 全站仪 1 线型测量
6 Wild NA2自动安平水准仪 1 线型测量
7 ZX-212A型弦式记忆智能数码应变计 若干 应力监测
8 JMT-36智能型温度传感器 若干 温度测量
9 Midas软件 1 结构计算
10 其他常用工具(如钢尺、钢板尺、钢卷尺、垂球、三角尺和计算器等) 若干
通过施工监控,马四河大桥施工合龙线形偏位为15 mm,高程偏差为8 mm,满足设计及监控的要求。
3-3、4-4、9-9、10v10、14-14 2-2、5-5、6-6、7-7、11-11、12-12、
和15-15截面(左幅) 13-13和16-16截面截面(左幅) (c)1-1和8-8桥墩截面
(b)主梁截面应力测点布置点应力测点布置图(左幅)
(说明:温度传感器的布置见上图。全桥合计:埋入式应变传感器70个,表面式应变传感器8个,温度传感器70个。)
图6
参考文献
1 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)
2 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)
3 《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000)
4 《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)
Control Hangs Pouring Short Radius Curve Bridge’s Construction Quality
Du Yuelin
Abstract: East of this article the air crossing construction is an example, introduced in the small radius bracket construction’s bridge, uses buries the temperature and the endogenic force strain sensor in advance, the union construction monitoring survey, through advanced computation software, control construction linear.
Key words: hangs the pouring; curve bridge; quality control
关键词:悬浇;曲线桥;质量控制
中图分类号:U445.1文献标识码:A文章编号:1000-8136(2009)30-0012-05
1工程概况
1.1结构概况
忻宏线东风大桥为双幅桥。设计荷载为公路-I级,单幅桥面宽度为0.5 m防撞栏+净11 m+0.5 m防撞栏。该桥左幅起点桩号为K3+529.5,终点桩号为K4+078,桥长548.5 m;右幅起点桩号为K3+544.5,终点桩号为K4+078,桥长533.5 m。左幅桥型布置为3 m×25 m预应力混凝土连续T梁+(2×40) m简支T梁+(63+2×110+63) m预应力混凝土变截面刚构-连续组合箱梁+40 m简支T梁;右幅桥型布置为3 m×25 m预应力混凝土连续T梁+(40+25) m简支T梁+(63+2×110+63) m预应力混凝土变截面刚构-连续组合箱梁+40 m简支T梁。主桥主墩采用钢筋砼箱型墩、桩基础,交界墩采用钢筋砼薄壁墩、桩基础;引桥桥墩为柱式墩,桩基础。左幅0号台为肋板式台,桩基础,右幅0号台为肋板板凳台,桩基础,10号台为U型台、扩大基础。桥梁跨越马四河、薛梅铁路和108国道。见图1。
主桥箱梁为单箱单室变截面箱梁连续刚构,控制断面梁高:中间支点处6.2 m,边跨直线段及主跨跨中处2.6 m,其高跨比分别为1∶17.74和1∶42.31。梁高变化段梁底曲线采用二次抛物线。箱梁横截面为单箱单室直腹板,箱梁顶板宽度为12 m,底宽为6 m,箱梁梁体两翼缘板悬臂长度为3 m。箱梁桥纵向采用预应力钢绞线,竖向采用直径25 mm预应力精轧螺纹粗钢筋。横向采用普通钢筋。箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工。箱梁(含齿块)采用C55砼。
主桥下部主墩为6 m×3.6 m钢筋砼空心薄壁墩,基础为4φ2.5 m双排钢筋砼群桩。交界墩为6 m×2.0 m钢筋砼空心薄壁墩,基础为φ1.5 m双排钢筋砼群桩。主桥主墩墩身、交界墩身采用C40砼(主墩顶5 m范围内采用C55砼),主桥桥墩桩基、承台采用C30砼。箱梁结构大样图见图2。
1.2主要技术条件
(1)荷载等级:公路-I级。
(2)设计洪水频率:100年一遇。
(3)桥面宽度:整体式双幅桥,单幅桥宽12.00 m。
(4)航道等级:无通航要求。
1.3施工概况
主桥连续梁采用三角挂篮悬臂浇注施工,砼垂直运输采用塔吊吊装。悬浇段和边跨直线段完成后进行全桥合拢,合拢施工顺序为:先两边跨合拢,然后次中跨合拢,最后中跨合拢。
施工工艺流程:0#块托架搭设→0#块支架预压→0#块浇筑施工→在0#块上拼装挂篮→挂篮悬臂浇筑1 #～11#块→边跨直线段施工→边跨合拢段施工→次中跨合拢施工→中跨合拢段施工。
对于预应力混凝土刚构桥来说,采用悬臂施工法有许多优点,但这类型桥梁的形成要经过一个复杂的过程。在施工过程中如何保证主梁竖向线型偏差及横向偏移不超过容许范围、如何保证合拢后的桥面线型良好、如何避免施工过程中主梁出现过大的应力等问题,均需进行施工监控监测。此外,设计是在对结构初始状态等其他参数作出假定的情况下进行的,实际施工时,结构初始状态的失真、理论计算中边界条件的模拟、施工步骤的改变以及偶然施工荷载的作用都会影响结构在施工和成桥时的状态和结构的安全。而施工监控监测是根据施工现场实测结果所得的结构参数真实值进行施工阶段计算,确定每个节段的立模标高,并在施工过程中根据施工监测成果进行误差分析、预测和对下一立模标高进行调整,从而保证成桥后线型、合拢精度及结构内力符合规定值的要求。通过施工监控监测能够确保施工过程中结构的可靠度和安全性,保证桥梁成桥桥面线型及受力状态满足设计要求。
2质量控制
由于在设计计算中采用的物理力学参数与实际工程中的相应参数值不可能完全一致,施工时的临时荷载也不可能考虑得很完全,导致结构的实际应力与设计时的预期效果不一致。质量控制的目的就是通过在施工现场设立的实时测量体系,对施工过程中结构的位移(线型)、内力等参数实时跟踪测量,根据对监测结果应用先进的计算手段进行有效的分析、计算,预测施工下一阶段设置的参数(如施工预拱度及各梁段立模标高等),保证整个结构在施工过程中的安全,并最终逼近设计成桥状态。
3监测依据
(1)马四河大桥设计图纸。
(2)《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)。
(3)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)。
(4)《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000)。
(5)《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)。
4施工监控计算
监控计算就是利用建立的监控计算体系对桥梁施工过程中各阶段结构的应力和位移状态及施工控制参数进行计算和预测,为施工提供施工阶段控制目标值,保证施工顺利进行并使结构最终达到或接近设计要求的成桥状态。悬臂施工连续梁桥监控计算所采用的方法是正装法。根据施工架设过程对结构进行正装施工控制计算(包括对结构某些参数的调整),使施工时结构的内力和变位等同或逼近设计目标状态。
4.1监控计算的主要内容
悬臂施工法大跨度刚构桥施工监控计算的主要内容包括线型控制计算及应力控制计算两个方面。线型控制计算的主要内容首先是根据施工阶段及步骤,考虑临时荷载、温度荷载、预加应力荷载、混凝土收缩徐变等因素的影响,判断已完成施工线型是否满足设计要求,其次是根据现有桥梁状态对下一阶段施工线型进行预测,提供立模标高等施工参数。应力控制计算的主要内容首先是计算在各个施工阶段,在各施工荷载及临时荷载组合情况下主桥关鍵截面的应力值及安全程度,并与实测值进行比较,其次是对下一阶段施工进行模拟计算,分析并预测关键部位的应力水平,对施工方案是否需要调整进行判断。
4.2结构计算
计算初始状态一般可以取用设计部门确定的设计状态作为监控计算初始状态。监控计算应对设计成桥状态进行复核验算,并进行优化,以确定最优的设计成桥状态,并以此作为监控计算依据。
根据桥梁的几何参数、结构参数和设计状态建立有限元模型。
计算控制参数的选择原则是所选择的参数在施工现场是经常变化的,并且其变化应能较敏感地反应出在施工过程中其对桥梁结构行为的影响,而且,这些参数应易于表示,易于度量,易于取得。通常情况下,选择混凝土箱梁的线型(即悬臂端的顶面标高)及梁体控制截面的应力等。
另外,施工控制参数包括:结构各构件施工前后的标高变化和主墩偏位、各构件施工前后结构内力的变化、预应力束张拉顺序及张拉吨位的调整、结构体系转换时对结构参数的调整等。
4.3施工状态预测
监控计算的结果应与设计单位的计算结果进行核对,以保证施工安全。计算的主要内容为各施工阶段的结构内力、应力以及线型,同时提供悬臂浇筑梁段的立模标高。
4.4施工后的校核计算
本阶段施工完毕后,将计算结果与施工监测结果进行比较,若两者差别满足要求,则提出下阶段的施工控制参数以进行下阶段的施工;若不满足要求,则根据最新的实测监控参数进行结构分析并对本施工阶段控制参数的目标值进行必要的修正。对每一阶段的施工都重复步骤4.2和4.3的内容。
4.5设计参数识别
在本桥施工控制中,设计参数的识别就是通过量测施工过程中实际结构的行为,分析结构的实际状态与理想状态的偏差,用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的主要设计参数,经过修正设计参数,来达到控制桥梁结构的实际状态与理想状态的偏差的目的,本桥采用施工控制技术为我公司开发的自校正调节法。该办法是将自适应控制和预测控制结合起来,实现最优控制。
4.6施工监控方法——自校正调节法
施工过程中,桥梁的实际状态与理想状态存在一定偏差。施工中结构偏离目标的原因涉及的范围极其广泛,包括设计参数误差(如材料特性、截面特性、徐变系数等)、施工误差(如梁段重量、悬浇误差、预应力张拉误差等)、测量误差、结构分析模型误差等。为了分析并调整这些误差,达到最优控制,需要运用一定的控制理论和方法,把桥梁施工看作为一个复杂的随机动态过程,根据结构理想状态、现场实测状态和误差信息进行误差分析,使结构施工的实际状态趋于理想状态。
本桥拟采用自校正调节法将自适应控制与预测控制结合起来,其控制思路是:首先,采用最小二乘法根据实测值对结构中的设计参数与计算模型进行自校正,重新建立施工目标状态,然后,运用卡尔曼滤波器进行状态滤波与预测,最后用最小二乘法进行最优化控制调节。该方法具备三大功能:①根据实测值不断地对计算模型进行自校正;②通过滤波得出结构的真实状态并预测未来;③根据滤波值与预测值采用最优控制方法对偏差进行调节。鉴于它比一般的预测控制增加了自校正功能,又比一般的自适应方法增加了预测和调节功能,称之为自校正调节法。
5施工监测
施工控制中的监测内容主要包括3个方面:①线型测量:桥梁轴线偏位及主梁标高测量;②主梁各控制截面在各施工阶段的混凝土应力测试;③温度场测量。
5.1桥梁结构线型监测
线型控制是施工监控的重要内容,线型的好坏直接关系到梁体的安全,主跨、边跨的合拢,以及全桥建成通车后的行车舒适度。同时,监控指令的正确合理与否,很大程度上依赖于线型等实测数据的准确性与真实性。
按《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)的要求,对主梁悬臂浇筑过程中的立模标高、局部线型、轴线偏位、同跨对称点高程差、合龙段相对高差、断面尺寸偏差、已浇段及成桥后主桥系统控制误差等指标进行控制监测。
5.2结构应力监测
选取具有代表性的截面,埋设应力传感器,对其应力应变进行测试,并通过对相关测试应变数据进行理论分析、误差分析使其尽可能地接近实际,从而较准确的掌握结构的真实应力状态。
5.3温度场测量
结构受力状态及线型的变化除与结构外荷载状态等因素有关外,还与结构体系所处的温度场相关。桥梁结构在桥位处各种环境因素的影响下,其温度场的变化主要体现在长期季节温差和短期体系温差两种形式上,长期季节温差主要是由于季节变换(环境气温)而引起结构整体升降温,对结构的影响主要体现在:结构整体升降温及合拢温度控制;短期体系温差主要指桥梁结构在日照等因素的影响下,在结构内部产生不均匀温度场,形成温度梯度。施工过程中,这两种形式的温差均将对结构的内力及线型产生重要影响。因此,必须在施工过程中对温度场进行监测。
6施工监测方法
6.1结构变形监测
借助施工建立的平面及高程控制网,应用三角及精密水准法对桥梁进行线型监测。
6.1.1线型监测
线型监测是连续梁施工控制的核心之一,确定好线型测点非常重要。为确保测试结果的准确、可靠,每个施工块件腹板上前端顶各布置2个对称的高程观测点,以利于在观测箱梁挠度的同时,同时观察箱梁是否发生扭转变形。0#块的高程观测点不但是本块件箱梁顶板设计标高的控制点,同时也是后续各悬浇节段高程观测的基准点,因此每个主墩及次主墩箱梁顶面的高程控制点作加密布置,具体见图3。块件的挠度测点位置设在距块件前端10 cm处(距箱梁两个腹板中心90 cm)的顶面,并尽量与施工单位共用一套测点,以互相校核。测点采用φ16钢筋制作,并用在垂直方向上与箱梁顶板的上下层钢筋点焊牢固,并保持垂直,顶端打磨平整,侧缘倒角并露出砼面1 cm,用红油漆标识。
图3
6.1.2主梁轴线偏位测量
主梁轴线偏位测点布置见图4,采用视准法直接测量。将全站仪或经纬仪架设在墩顶梁面中心,后视另一墩顶梁面中心,视线为基准线,在梁前端中心标记处放置小钢尺,钢尺基准点与梁端中心点重合,用仪器直接读取钢尺读数,即为轴线偏移值。
(说明:N1、N2为挠度测点,CP为轴线偏位测点)
图4主梁轴线偏位测点布置图
6.1.3线型测量仪器设备
全站仪,精度:±2”。Wild NA2自动安平水准仪,精度:±0.7 mm/100 km。
6.1.4线型测量注意事项
(1)线型测量过程中,当各墩之间及各墩与施工控制网之间可以联测时,应进行联测,以确保测量数据的可靠、准确。
(2)为尽量消除温度对线型测量的影响,线型测量时间定在温度相对恒定时进行,一般在夜间19:00以后或清晨日出8:00之前,并随季节调整。
(3)施工监控过程中应注意因暂时不平衡力而引起的主梁和墩身线型的变化。
(4)施工监控过程中,应注意各种临时荷载、挂蓝等力是否平衡。并严格管理各种临时荷载的堆放位置。
(5)线型测量工况:预应力张拉后。特殊情况下可适当加密测量的频次。
6.2结构应力监测
对大跨度预应力混凝土桥梁而言,由于混凝土材料的非均匀性和不稳定性,受设计参数(如材料特性、密度、截面特性等参数)、施工状况(施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度、时间等参数)和结构分析模型等诸多因素的影响,結构的实际应力与设计应力很难完全吻合,即计算应力不可能准确反映结构的实际应力状态。只有通过理论分析、误差分析等手段,使测试应力结果尽可能地接近于结构实际,才能较准确地掌握结构的真实应力状态。由于混凝土材料的特殊性,测量应力的误差主要来源于混凝土的实际弹性模量的差异和混凝土的收缩徐变的影响。为了排除非受力应变,在埋入工作应力计的同时,也埋设无应力计,测试混凝土的非应力应变。从实测的总应变中减去无应力计测试的无应力应变,即可得到由应力引起的混凝土应变,再根据混凝土的应力应变关系,可以推算混凝土在不同应力状态下的单轴应变计算公式,从而计算出混凝土的应力。
6.2.1传感器选择
基于大桥施工工期长、工作量大(测量频繁且须多点同时读数)、现场测试环境差(边施工,边测量),密封、绝缘要求高,温度变化难于预测,因撞击、振捣损坏传感器器件的情况不可避免。同时,还必须设法排除混凝土收缩徐变对测试结果的影响。在整个监测监控期间,为了不影响桥梁现场施工进度,鉴于同类桥梁施工监控的经验,拟选用内埋式钢弦应变传感器。目前,工程界普遍认为,钢弦式内埋应变传感器量程大、精度高、零漂和温漂小,且自身防护破损的能力好,便于长期观测,是混凝土应变测量较理想的传感元件。
根据混凝土箱梁结构可受到的荷载和温度变化情况,选用钢弦式记忆智能数码应变计。其主要指标如下:量程±1 500 με、灵敏度1 με、长期稳定性2 με～3 με。配合使用无应力计,检测仪器为钢弦频率巡检仪。
6.2.2测试断面及测点布置方案
實践表明:箱型截面整体性好,结构刚度大,承受正、负弯矩及抗扭能力强,是一种经济合理的截面形式。单箱单室薄壁截面,可提高单位面积的惯性矩,可采用箱梁顶板横向预应力与腹板内竖向预应力配筋来解决长悬臂箱梁的受力问题。对于大跨度三向预应力混凝土刚构桥,箱梁结构在混凝土悬浇中各截面的应力分布有很大的差别,起控制作用的因素是主梁的自重、挂篮和预应力,因此监测主梁的上下缘正应力就显得尤为重要。
应力测试断面的选择主要考虑以下因素:①结构受力的关键截面;②施工流程;③本桥自身特点;④结构的对称性;⑤结构或构件的受力特点。
6.2.3钢弦应变计埋设
为保证埋设的钢弦应变计有较高的成活率,需对埋设的应变计特殊处理和进行多项检查。在操作中尽可能准确地使钢弦应变计与纵向应力方向保持一致。为防止混凝土浇筑过程中传感器的窜位和角度改变,埋设时用扎丝将传感器较牢捆扎在钢筋上。
6.2.4箱梁应力测量工况
混凝土箱梁的悬浇过程大致可分为3个工序:①挂篮前移、立模;②混凝土浇筑;③预应力张拉。则应力测量工况为:悬臂施工的前1个～2个阶段,在混凝土浇筑后和预应力张拉后测量;后续节段正常施工,在预应力张拉后测量,合拢前适当加密;然后对体系转换后箱梁结构各工况改变后的应力进行监测,直至箱梁竣工。特殊情况下,可适当加密箱梁应力的监测频次。测量时间选定在每一工况结束后3 h～6 h为宜,同时,在每一施工阶段,各工况测量时的温度变化不能太大。
6.3结构温度监测
温度场测量采用JMT-36半导体智能型温度传感器进行。
JMT-36智能型温度传感器主要性能:精度±0.5 ℃,稳定性±0.5 ℃,测量范围-40 ℃～150 ℃,线性误差±0.3 ℃;其测量结果可不受接长导线长度影响,测量仪器采用ZX-300型巡检仪。
温度场的测量值作为控制参数供施工控制计算之用。
6.4施工线型控制目标
两合拢两侧主梁悬臂端高差小于1 cm,要求结构的线形平顺最大误差与设计线形比较小于3 cm。
6.5箱梁悬浇高程控制示意图
见图5、图6。
7投入施工监控的仪器设备
根据本桥监控监测的要求,采用两套通过实际工程使用检验的施工控制专用软件进行计算分析,以及进行全过程施工控制及预测。
序号 仪器设备名称 数量(台套) 用 途
1 便携式计算机 1 数据处理
室内作业
2 国产便携式打印机 1 室内作业
3 ZX-300巡检仪 1 应力监测
4 巡检仪集线箱 4 应力监测
温度测量
5 全站仪 1 线型测量
6 Wild NA2自动安平水准仪 1 线型测量
7 ZX-212A型弦式记忆智能数码应变计 若干 应力监测
8 JMT-36智能型温度传感器 若干 温度测量
9 Midas软件 1 结构计算
10 其他常用工具(如钢尺、钢板尺、钢卷尺、垂球、三角尺和计算器等) 若干
通过施工监控,马四河大桥施工合龙线形偏位为15 mm,高程偏差为8 mm,满足设计及监控的要求。
3-3、4-4、9-9、10v10、14-14 2-2、5-5、6-6、7-7、11-11、12-12、
和15-15截面(左幅) 13-13和16-16截面截面(左幅) (c)1-1和8-8桥墩截面
(b)主梁截面应力测点布置点应力测点布置图(左幅)
(说明:温度传感器的布置见上图。全桥合计:埋入式应变传感器70个,表面式应变传感器8个,温度传感器70个。)
图6
参考文献
1 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)
2 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)
3 《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000)
4 《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)
Control Hangs Pouring Short Radius Curve Bridge’s Construction Quality
Du Yuelin
Abstract: East of this article the air crossing construction is an example, introduced in the small radius bracket construction’s bridge, uses buries the temperature and the endogenic force strain sensor in advance, the union construction monitoring survey, through advanced computation software, control construction linear.
Key words: hangs the pouring; curve bridge; quality control