大跨度连续刚构桥因其跨越能力大、受力合理、行车平顺、经济实用等优点,是目前大跨径桥梁中主要采用的桥型之一。连续刚构桥一般采用挂蓝悬臂现浇施工,施工过程中受材料、人员管理、施工工艺、环境、施工精度等各种因素影响,使桥梁线形和内力偏离设计要求,甚至导致合拢困难。所以施工中需要实时了解桥梁所处的受力、线性状态,就要在施工过程中进行监测、控制和调整,故施工监控就显得尤为重要。
1、施工监控项目研究目的和意义
连续刚构桥施工监控的目的是通过在施工过程中对位移、挠度、应力、温度的监测和采取施工控制,从而确保施工的安全和结构内力符合设计规范要求,确保大桥主桥顺利合拢,线形符合设计要求。根据施工单位提出的施工方案,对大桥进行模拟施工、运营阶段的结构验算和结构分析,在技术角度对施工方案作出一定评价,以便相关单位及时对施工方案进行修改或确认。
2、实测相关参数
结构设计的参数一般是按规范取用,而施工控制,部分主要设计参数必须采用实测值,以便在施工前对部分结构设计参数进行一次修正,通过结构计算分析修正原设计线形,确保该桥在成桥后满足设计要求。以桥梁施工环境,现场使用的材料,如商品混凝土钢材钢绞线材料,按实际施工工艺及工序等来测定。一般需要测定的参数有:商品混凝土的3天、7天、14天、28天、3月、半年和一年龄期的弹模。商品混凝土的容重,采用现场取样,实验室测定。
商品混凝土的收缩、徐变对主跨应力、挠度影响较大,要进行实际的样本测量,但一般由于监控立项晚,而相关试验时间需一年多,可以采用部分试样短期测量,获得部分数据,再参考资料确定。
3、桥梁主跨模拟施工运营阶段的结构分析
结构分析是结构施工控制的一项重要工作,结构分析采用非线性有限元法,结构施工过程一般有倒退分析与前进分析两种方法。结构分析需要在桥梁主跨施工前提前进行。在桥梁的主跨施工悬浇施工前,监控人员根据施工方案中的施工过程与成桥运营情况,通过相关专业软件,参考施工方案和实测相关数据,进行各施工状态及成桥后的内力与位移计算,从而确定结构各施工阶段的内力与位移理论值,计算还可分析确定出桥梁的预拱度。
4、主跨结构施工监测
结构施工监测包括结构线形及位移监测、应力梁体温度场的监测。通过监测得到的数据,在考虑温度的影响下,和理论计算值进行比较分析,及时进行修正和纠偏。
4.1 主跨结构线形及位移监测
位移监测分为竖直面、水平面内的线形及位移监测,通过两个面内的测量,能准确掌握主跨的状况,有效地控制主跨的施工质量。控制桥梁线形的关键就是对桥梁挠度的控制,从而做好关键位置的高程观测至关重要。在每个施工块件上,布置两个对称的高程观察点,不仅可以测量箱梁的挠度,同时可以观察箱梁是否发生扭转变形。施工过程中,对每个截面需在立模后、商品混凝土浇筑前后、钢绞线张拉前后进行高程观测,以观测各点的挠度及箱梁曲线的变化情况,确保箱梁悬臂端的合拢精度及桥面的成桥线形。高程控制点布置在离块件前端20cm处,采用ф14钢筋,与结构钢筋焊牢并竖直,露出箱梁商品混凝土表面5cm左右。
测点的布置:如本工程零号块的顶板布置11个高程测点,控制顶板的设计标高,还作为后续各悬浇节段的基准高程观察点,如图一所示。其他的各悬浇节段设5个测点,如图二所示。
将各施工阶段2、4两点的设计标高、预拱度、预测立模标高、实测数据绘制成曲线,控制桥梁立面线形。将各施工阶段1、3、5点的水平坐标实测数据绘制成曲线,控制桥轴线的平面偏离。
4.2主跨结构应力、温度监测
通过对主跨结构应力监测,可以了解主跨结构受力状况,及时判定主跨应力是否符合设计规范要求,是否在计算分析的预期范围内,从而可了解主跨安全状况。温度是影响主梁挠度的主要因素之一,通过对主跨各节段温度监测,以获得与应力及位移相对应的大气温度以及主跨箱体温度,从而分析其对挠度的影响。目前很多应力传感器可以同时测应变和温度。通过应变和实测的弹模,可计算出应力:σ=ε・es (σ----应力;ε-----应变,es为商品混凝土或钢材弹模)
结构各截面测点布置:本工程11m宽箱梁各主敦与箱梁的根部截面(2、3、7、8截面)均布置14个测点,其中腹板有2个测点与水平成45度方向布置、有2个测点竖直布置外(测主应力),其余测点均为顺桥向布置。其它各截面均布置8个测点,均为顺桥向布置。各跨中截面应增加腹板测点,竖直布置。兼顾运营阶段在各截面腹板处的上下缘应增加部分测点(4个)。其具体位置如图三。
传感器按预定的测试方向固定在主筋上,测试导线引至商品混凝土表面,施工过程中注意对传感器和引出导线的保护。传感器原始数据采集分为以下阶段进行:挂篮移动前、后;浇筑箱梁砼、后,张拉预应力束前、后。 数据采集要每天采集,尽量在早晨9:00前,注明施工阶段、日期。数据采集后,将各块件张拉前后的实测应力值,绘制成曲线研究其其变化规律,并与各施工阶段的理论应力进行比较分析。
5、施工控制
施工控制包括应力控制和线形控制。应力控制原则是将实测值和理论值、规范容许值进行比较。线形控制原则是保证合拢误差满足设计和使用要求,确保桥梁使用运营阶段线形良好。
由于理论计算分析参数、计算假定与实际情况存在一定差异,以及施工、测量误差等原因,实际施工的结构总与设计目标有一定的差异。通过对桥梁结构的位移、应力、温度监测,找出实际施工与理论计算情况存在的具体偏差,进行定量分析,并及时进行调整和纠偏。
在桥梁施工过程中,对桥梁主跨结构进行监测,对实测结构数据进行误差分析,可对施工中桥梁的线形及位移作出预测,提供相应立模标高、预拱度等施工控制参数,以及调整后的施工方案和优化桥梁施工的建议,科学的指导施工,确保施工安全和质量,确保桥梁应力和线形符合设计要求。
桥梁施工控制作为一门新兴的学科,主要指导桥梁施工,做好过程控制,确保目标桥梁线形、内力符合设计要求,其涉及结构、试验、计算机、测控仪器、通讯等多学科领域知识。本人觉得以下几方面仍需从事监控的科研工作者继续努力:桥梁控制要不光只在施工阶段,还要在桥梁使用阶段长期进行健康检测。因此研发出性能稳定、使用寿命长(如可达50年)的应力温度传感器,可以做到施工时埋设传感器,兼顾桥梁的使用阶段进行健康监测。多学科配合,开发出成熟稳定的智能控制研究系统, 有配套的分析软件,能实时分析监测数据,将结果能以图像动态的直观显示,使得桥梁健康监测智能化、系统化、信息化。在实际的监控中,多积累桥梁结构监控经验,形成系统的理论和方法,供桥梁设计施工参考采用。
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