钢管混凝土拱桥施工过程的应力监测与研究

2005年7月第4期 收稿日期:2005205227 作者简介:朱才明(19702 ) , 男,安徽人,工程师,从事道桥工程设计研 究工作。 钢管混凝土拱桥施工过程的应力监测与研究 朱才明1,刁丽红2,纪翠娜3 (1. 烟台市城建设计研究院有限公司,山东烟台 264001 ;2.烟台城乡建设学校,山东烟台 264001 ; 3.鲁东大学交通学院,山东烟台 264001) 摘 要:介绍大跨径钢管混凝土拱桥的施工监控理论和方法,对烟台市养马岛跨海大桥主桥建立了有限元分析空 间模型,采用空间有限元分析系统(MIDAS/ Civil)对整个施工阶段进行了分析计算,并通过该桥全过程的施工监测 结果,探索大跨径钢管混凝土拱桥的受力特性。结果表明,施工控制所采用的计算模型、 监测方法和控制方法是可 行的。 关键词:钢管混凝土拱桥;施工监控;空间模型;受力特性 中图分类号:U448. 225 文献标识码:A 文章编号:100927716(2005)0420121202 1 施工监控理论和方法简介 1. 1 施工控制方法 随着现代科学技术的发展,桥梁施工控制也不 断更新,目前常用的控制方法主要有以下几种 : (1) 外力平衡法 ,(2) 无外力控制法 ,(3) 联合法。其中外 力平衡法包括锚索加载法、 水箱加载法和斜拉扣控 法三种。 1. 2 施工控制理论 目前,国内外提出的控制理论主要有:最小二乘 法最优控制法、 卡尔曼滤波随机最优终点控制方法、 灰色理论、 模糊理论等。其中以最小二乘法及卡尔 曼滤波法显成熟,应用最广。钢管混凝土劲性骨架 拱桥采用了最小二乘法进行参数识别。 2 烟台市养马岛大桥工程概况 烟台市养马岛大桥北接养马岛,南接烟台市牟 平区宁海镇。全桥长507. 06 m ,全宽26 m ,其中行 车道宽23 m ,两侧人行道宽各3 m。桥梁总体布 置:两端均为625 m预应力空心板梁引桥,主桥 结构形式为三孔柔性系杆钢管混凝土下承式简支 拱。主孔跨径100 m ,两边孔跨径均为50 m。主孔 与边孔拱轴线均采用二次抛物线,主孔矢高19. 1 m ,矢跨比1/ 5 ,边孔矢高11. 59 m ,矢跨比1/ 4 ,吊杆 间距均为5. 9 m。主孔、 边孔拱肋横桥向中到中间 距均为24. 3 m。主孔拱肋采用高度为3. 0 m、 圆管 直径为1. 2 m的哑铃形拱肋;边孔拱肋采用高度为 2. 6 m、 圆管直径为1. 2 m的哑铃形拱肋。中横梁 采用实体 型截面,端横梁采用箱型截面。中间加 劲小纵梁采用厚度为0. 2 m、 高1. 2 m的矩形截面, 边加劲小纵梁采用厚度0. 25 m、 高2. 0 m的矩形截 面。 养马岛大桥主桥桥面为悬浮体系,横梁由吊杆 吊于拱肋上,纵向槽型板连于横梁上。横桥向共设 5道加劲小纵梁,加劲小纵梁与中横梁固接、 两端简 支在拱脚端横梁和拱脚上。在拱脚处设置一道端横 梁,主孔共设置中横梁15道+端横梁2道;边孔共 设置中横梁7道+端横梁2道。中横梁和端横梁均 为预应力混凝土结构,按照计算布设预应力筋,采用 9275、12275和13275高强度低松弛钢铰线。主 孔在每片拱肋处设6根系杆,每根系杆由37275的 预应力钢铰线组成,采用HVM的成品系杆。边孔 在每片拱肋处设6根系杆,每根系杆由19275的预 应力钢铰线组成,采用HVM的成品系杆。吊杆采 用成品吊杆,主孔设置15对吊杆,边孔设置7对吊 杆,主、 边孔吊杆规格均采用1277 ,吊杆锚具均采 用冷铸钝头锚,在吊杆下部设置不锈钢保护套。主 孔拱肋间设一字型横撑、 四道K型横撑,边孔拱肋 间设两道K型横撑,横撑及斜撑采用不填充混凝土 的空钢管(图 1) 。 图1 养马岛大桥主桥总体布置图 主桥桥墩由养马岛至牟平方向依次编号为6 # 、 7 # 、8 # 和9 # ,均采用双圆柱桥墩。6 # 、9 # 桥墩采用 121 2005年7月第4期 直径为3. 0 m的圆柱墩,横向设置预应力混凝土帽 梁,墩柱中心与拱肋相对应;7 # 、8 # 桥墩采用直径为 4. 0 m的双圆柱桥墩,横向设置钢筋混凝土帽梁,墩 柱中心与拱肋对应。桩基按柱桩设计,桥墩基础为 群桩,桩径采用= 1. 5 m。主桥设计荷载为汽车 超20级、 挂车 120。 3 施工控制分析计算模型 大跨径钢管混凝土劲性骨架拱桥的控制计算模 型可分为两种,一种是平面计算模型,另一种是空间 计算模型。为模拟钢管混凝土拱肋的应力和变形随 施工阶段的变化,该桥采用空间模型,把钢桥架各杆 件作为梁单元,混凝土作为板单元处理,通过译码、 粘结形成板梁组合单元,并用空间有限元分析系统 (MIDAS/ Civil)对整个施工阶段进行了分析计算, 这样处理,钢梁单元的刚度不变,板单元的刚度则随 着本单元混凝土的浇注量变化而变化,这种计算模 式下梁单元与板单元的变形是协调的(图2、 图 3) 。 图2 边孔施工阶段分析模型 图3 主孔施工阶段分析模型 符号规定:位移与整体坐标轴指向一致者为正, 应力以受拉为正,轴力以受拉为正,弯矩的正负号按 右手螺旋准则确定。 一般来说,施工监控都不可能在一次理论分析 计算后便能得到满意的结果,通常采用的办法是把 正装计算法和倒拆计算法结合使用,经过多次循环 迭代,使理论分析的结果逐步逼近结构的实际状态。 4 计算与监测结果比较分析 施工过程中,结构行为一般都偏离中间理想目 标,采用结构自身恒载调整时,不应急于求成,而应 多次、 小幅进行。尽管在施工监控中千方百计排除 各种确定和不确定因素的干扰,实测值与理论值之 间还是不可避免地存在一定的偏差,有时甚至相差 甚远。误差分析就是通过对应力或位移偏差分析、 结构参数敏感度分析、 结构参数识别,找出产生偏差 的原因,确定设计参数的真实值,以保证后阶段的理 论分析的可靠性,并对偏差进行适当的修正。 养马岛大桥主桥的施工监测在稳定性满足要求 的前提下,对拱肋的变形和应力进行了双指标控制, 其中以变形控制为主,严格控制各监测截面的挠度 和沿桥纵向变形,同时兼顾应力发展情况。本次静 力荷载试验效率介于0. 841. 04之间,所加试验荷 载产生的结构控制截面的最大内力效应和变位效 应,能够反映设计活载作用下同一截面最不利内力 和变位。 5 结语 通过对养马岛大桥主桥施工全过程的监测,笔 者得出如下结论: (1)该桥为外部简支、 内部高次超静定体系,结 构受力相对简单,拱肋的线形随施工阶段的进行而 不断发生变化,相比于拱肋初始安装的线形,所有施 工阶段结束时,边孔实测最大纵向位移为0. 8 cm , 实测最大下挠位移为1. 5 cm ;中孔实测最大纵桥向 位移为3. 9 cm ,实测最大下挠位移为4. 0 cm ,均小 于理论计算值。 (2)拱肋的应力分为混凝土和钢管两部分,在每 个施工阶段结束后,实测混凝土应力一般均为压应 力,钢管应力数值较大,但均小于理论计算值,说明 拱肋应力在施工过程中并未出现数值超限或不符合 受力规律的现象,应力在观测截面上的分布基本上 符合偏心受压构件的特点。 (3)该桥是以系杆张拉力来平衡拱脚推力,是一 种无推力结构体系。在各个施工阶段中,系杆的张 拉基本上平衡了恒载的作用,对拱肋线形和应力状 态起到了至关重要的作用,这比较符合自平衡体系 的受力特点。同时,各个施工阶段的系杆张拉力与 实测值较为接近,符合设计的基本要求。 (4)钢管混凝土拱在整个施工过程中拱肋的稳 定性较好。 (5)施工控制所采用的计算模型、 监测方法和控 制方法是可行的。为同类型桥梁的施工监控提供了 有益的资料,值得推广。 参考文献 1烟台市养马岛大桥施工图设计 R.天津:铁道第三勘察 设计院,2002. 221 nessZhu Tiao , Wang Hongxin(109) Abstract :The paper proves the advantage of evaluating sand filling compactness by reinforcement penetration method and makes the contrast test of reinforcement penetration and ring sampler method so as to discover the method for determining the relation between dry density and reinforcement penetration of sand filling. So when using reinforcement penetration test to examine sand density , the evaluated result is more scientific. Keywords : sand filling , compactness , reinforcement penetration test , ring sampler test Cause and Prevention Measure of Reflection CracksWen S huf ang (112) Abstract :In combination of the design of paving old cement concrete pavement with bitumen in Shenzhen Area the paper studies on the cause of reflection cracks and approaches to various measures for preventing reflection cracks and the effect of different bituminous cover thickness and different anti2crack course to prevent reflection cracks. It is known that to in2 stall an anti2crack course between the bituminous paved courses of cement concrete pavement is a effective method for dela2 ying reflection cracks on bituminous cover course. The appropriate thickness of the paving course should be 8215cm. Keywords : cement concrete pavement , bituminous concrete cover , reflection cracks , measure for prevention , Shenzhen City Optimum Design for Implementing Arch Axis Coefficient m by Using AnsysPan Chaohui (115) Abstract :For arch bridge model the dead weight of a slab unit simulation solid web sector is used to establish arch bridge model by Qpdl parameter optimization on Ansys. On this model basis the first step method is used for optimization of the arch axis coefficient of the arch bridge. Keywords : bridge engineering , arch bridge , Ansys software , arch axis coefficient , optimization design Mixture Ratio Design of Mass Concrete and Technology of Comprehensive Temperature Difference Control Zhou Guoqiang , Xiao Wen , L i Guxuan(117) Abstract :Through the mixture ratio design of mass concrete and the study and practice of temperature difference control it is thought that the performance of mass concrete shall be comprehensively balanced by four items of indexes such as heat insulation temperature rising , strength , working performance , durability. In the control of temperature difference it shall fully use the temperature compensating effect of compensating shrinkage concrete , and shall correctly calculate that the re2 lative parameters should be basically close to the actual ones. In the actual construction it puts forward to note cracking an2 ger period after pouring and heat relief of concrete and to seriously monitor and control the change of the temperature difference. Keywords : total effect coefficient , temperature compensation , control of temperature difference Monitoring and Study on Stress in Construction Course of Steel Pipe Concrete Arch Bridge Zhu Caiming , Diao L ihong , J i Cuina(121) Abstract :The paper introduces the theory and method of construction monitoring control of large2span steel pipe concrete arch bridge. For the main bridge of Yangmadao Bridge across Sea in Yantai City the finite element analysis space model is established. It analyzes and calculates the whole construction period by using space finite element analysis system (MI2 DAS/ Civil) . It also approaches to the forced characteristics of large2span steel pipe concrete arch bridge through monito2 ring the result of the full course of the bridge construction. The result shows that the calculated model , monitoring method and control method used by construction control is feasible. Keywords : steel pipe concrete arch bridge , construction monitoring , space model , forced characteristics Study on Penetration Rule of Bituminous Concrete PavementX u Yong , Zhao Hongduo(123) Abstract :Though the contrast and analysis pf results at home and abroad , penetration test in the site the paper approaches in details to the pore penetration rule of pavement , joint penetration rule , crack penetration rule and the penetration rule of central separation strip and soil shoulder. It is found that when porosity is 5 %28 % , bituminous concrete pavement starts to penetrate water , pavement and road curbstone or the joints of precast side ditches have considerable penetration capa