V型刚构组合系杆拱桥施工监测技术.doc

V型刚构组合系杆拱桥施工监测技术俞文生 习明星 （江西交通工程咨询监理中心 南昌 330008）摘 要：对大跨径组合系杆拱桥来说，开展施工监控是十分必要的，而施工监测是施工控制系统中的一个重要部分，施工监测的布点科学、监测内容齐全、监测数据真实有效是做好施工控制的前提。本文以衢江大桥主桥施工监测为例，说明施工监测内容、布点位置与方法，以便在类似桥梁建设中参考应用。主题词：桥梁工程；系杆拱桥；施工控制；监测；方法与技术图1 衢江大桥主桥设计立面图和主梁断面图0 前 言对于大跨径组合系杆拱桥来说，施工监控直接关系到施工的质量和建设的成败，与经济效益紧密相关。组合系杆拱桥在施工过程中，要经历结构体系转换，形成高次超静定体系。组合系杆拱桥在体系转换过程中，主拱单元的单元数量、截面特性、截面材料成分都在不断的变化，应力和挠度也处于大幅度变化中，再加上施工荷载、几何非线性、材料非线性、环境温度、环境湿度、日照时间等的影响，任一因素都可能使得拱桥的施工偏离预定目标，而可能处于高应力水平的局部杆件又会危及结构的安全。因此，在施工过程中建立施工监控系统，对施工状态进行实时的识别（监测）、调整（纠偏）、预测，对设计目标的实现是至关重要的。施工监测是施工监控的基础，一般包括设计参数监测、几何状态监测、应力监测、温度监测等几个部分。主要通过事先在结构的主要监测部位埋设数种性能各异的传感器和相关的测试仪器获得大量的数据，以便利用高效计算机程序，对数据进行分析处理，确定每一阶段的施工参数，实现桥跨结构的内力和线形同时达到设计预期值，保证施工质量和安全。本文以衢江大桥施工监测的实施为基础，介绍V型刚构结合系杆拱桥的施工监测技术。1 衢江大桥概况衢江大桥主桥为中承式系杆拱V型墩身刚构组合桥，大桥主跨120m，边跨50m，对称布置，桥宽30m。拱肋为钢箱结构，主梁为预应力混凝土箱形梁，梁宽30m，配有纵横向预应力。V形墩身为混凝土实体结构，斜腿及竖腿里配有预应力钢铰线。吊杆在每个吊点处采用双吊杆形式横桥向0.8m，顺桥向5.0m，全桥共设17对。系杆采用可换式钢绞线成品索，全桥共设22根。主桥设计立面和主梁断面见图1。主桥的施工顺序为：架设V腿及边跨支架浇注边跨箱梁及V腿混凝土安装拱脚类拱肋浇注V腿连接箱梁张拉边跨及V腿预应力架设中跨支架浇注中跨箱梁混凝土张拉中跨预应力架设拱肋膺架安装拱肋调整拱初始内力，拱合拢张拉系杆，拆除拱肋膺架和边跨支架张拉吊杆和系杆，实现体系转换拆除中跨支架桥面铺装和栏杆等二期恒载施工张拉系杆，最终成桥。2 施工监测系统与计算2.1 施工监测系统的建立施工中每个工况的受力状态达不到设计所确定的理想目标的重要原因是计算模型中计算参数的取值问题，主要是混凝土弹性模量、材料容重、徐变系数、吊系杆张拉力事实上的差距以及环境温度、临时荷载的影响。施工过程监测系统主要去了解和把握这些影响，包括结构设计参数监测、结构几何形态监测、张拉索力的监测、截面应力监测和温度监测等。施工监测与控制系统的框图如图2所示。图2 施工监测与控制系统的框图结合衢江大桥的结构计算分析及特点，该桥的监测部位主要有拱肋、Y腿、主梁和吊索4大部分。通过监测这些关键结构部位的内力(或应力)以及主拱结构的变形，及时了解结构实际受力，根据监测数据，通过施工计算，控制施工步骤，把握主梁、主拱肋施工状态，校核并修正施工计算参数，完成主梁体系转换，确保主桥结构施工的安全、稳定和结构受力合理，主拱和桥面系的线形达到设计理想的线形，结构各部位的内力(或应力)分布与设计理想的内力状态相一致。2.2 结构计算与分析及设计参数的选择结构分析计算是结构施工监控的主要工作内容之一，必须在主桥结构构件安装施工中，结合桥梁结构的特点及施工架设方案进行全过程的监控计算。衢江大桥监控计算主要包括：计算成桥状态主拱Y腿主梁结构内力、变形和各结点坐标、主拱构件长度；各个施工阶段主拱结构的安装和架设位置(包括拱体的预拱度)，供构件安装使用；计算各个施工阶段系杆、吊索张拉力等。在计算的基础上进行误差分析和结构设计参数的识别。该桥监控计算采用多套软件进行相互校核，对施工架设过程采用“BSAS”和“MIDAS Civil”软件进行平面和空间计算分析，其结构计算模型见图3。图3 衢江大桥结构计算模型在进行结构设计时，结构设计参数主要是按规范取用，但实际结构施工中是有偏差的，因此应对部分主要设计参数提前进行测定，以便在施工前对部分结构设计参数进行一次修正，从而进一步修正原设计线形，为该桥成桥后满足设计要求奠定基础。主拱、Y腿、主梁结构部分设计参数监测主要是对影响结构变形与应力的钢材参数(弹性模量、容重、厚度尺寸)进行辅助的监测，以及混凝土弹模量、混凝土容重与厚度尺寸的监测和施工临时荷载的监测。3 施工监测布点设计与监测内容施工监测主要通过收集到的有限测点数据，通过误差分析后指导施工控制，但测试数据有限而影响因素较多的矛盾容易引起较大的偏差，要得到更准确的分析，就必须增加测点，增加测试工况，增加测试内容，这就增加了监控成本和测试难度。因此，如何在保证结构安全、保证线形平顺的前提下，节约成本、提高测试效率是我们追求的目标。下面结合衢江大桥的施工监测来分析这种结构的测点布设与监测内容。3.1 位移(变形)监测在衢江大桥施工过程中，为了保证主拱结构的安全与质量，并在此基础上尽量方便施工，就必须在施工过程中对主拱和主梁结构线形及位移进行跟踪观测并绘制主拱肋线形图。该项测量在每一施工阶段都要进行，并贯穿整个施工全过程。结构线形及位移监测的主要内容是：1、对主拱脚、主拱肋与Y腿连接处进行变位监测，以监视主拱肋与Y腿处的变位状况；2、对主拱肋各节段接头处进行线形与位移监测，真实地把握拱肋的位移情况；3、对主拱肋、主梁施工过程的结构线形及位移监测，定期测量拱肋线形，并绘出拱肋线形图。位移监测分为竖直面内的线形及位移监测和水平面内的线形及位移监测两部分，通过两个面内的测量才能准确掌握主拱肋的真实状况，有效地监控主拱肋的施工质量，保证施工安全。观测工作应在早晨日出前完成，测量时间应控制在2h以内。3.2 应力监测主要是对施工阶段的Y腿、主梁及拱肋有关截面的应力监测，同时对吊杆和系杆的索力变化进行监测。通过应力跟踪观测，随时知道主拱肋、Y腿和主梁受力状况，判定主拱肋、Y腿和主梁应力是否超限，把握主拱肋、Y腿和主梁的安全状况，该项观测在每一施工阶段都要进行，并贯穿整个施工过程。结构应力监测的主要内容：3.2.1Y腿 对Y腿的7个控制断面分28个测点进行应力测量（如图4）。图4 Y腿测点布置图3.2.2拱肋 对主拱肋拱脚、L/4截面、拱顶的5个控制断面30个测点进行应力测量（如图5）。图5 拱肋测点布置图3.2.3主梁 对15个控制断面分200个测点控制断面进行应力测量（如图6）。边跨断面布置(A-A C-C E-E M-M O-O断面)边跨断面布置(B-B D-D L-L N-N断面)中跨断面布置(F-F G-G H-H I-I J-J断面)为纵向应力测点 为横向应力测点图6 主梁测点布置图3.3 温度监测对主桥各部位温度的监测，与变形共同分析，必要时还需要对拱肋与箱梁截面温度分布和大气温度进行监测。3.3.1主拱温度监测 在主拱肋拱脚、拱顶的3个断面上布设21个温度电阻片监测主拱温度（如图7）。图7 主拱温度测点布置图3.3.2主梁温度监测 在主梁两端和跨中的3个断面布置24个测点进行主梁温度的监测（如图8）。断面位置(C-C H-H M-M断面)图8 主梁温度测点布置图3.4 吊、系杆索力的监测对吊杆索力的测试采用环境随机振动法，每根吊杆均设1个测点。测试采用环境激振仪对每根吊杆在各个施工阶段的拉力进行快速监测，通过频谱分析法对测量的吊杆自振频率进行分析，经过计算并修正来确定吊杆的拉力大小，以获得吊杆真实拉力状态。要求对吊索的每一次操作进行监控，对全部索力进行测试。这种方法特别适合于吊杆数量多、规格(长度)种类多，要求快速量测的结构体系，传递函数法是通过小型力锤对吊杆进行激励，并用加速度传感器测量其响应，通过频谱分析获得吊杆频率(此法对吊杆无损伤)，效果非常优越。对系杆拱桥施工监控来说，系杆张拉力的监测是必不可少的内容，因为系杆张拉力直接平衡拱肋的水平推力，而且系杆张拉存在力的耦合现象。对系杆力的测试主要采用压力环法，将压力环连接到智能化读数模块上，实现24h不中断测试。4.现场监测原理及技术4.1 结构应力测试由于受温度、湿度、混凝土收缩徐变、测试元器件易在施工中受损等因素的影响，结构应力、尤其是长期应力测试是施工监控中测试难度最大的一个项目。结合衢江大桥的结构特点，采用了钢弦应变计和贴应力片多种手段相结合，相互校核的方法实施对结构应力的测试。钢弦应变计具有温度影响系数小，稳定性好，抗干扰能力强的特点，对于需长期观察的测点、一些重要的监控部位采用其进行测试；对短期数据收集的测点：采用贴应力片，通过变形分析受力状况。4.2 线形及坐标测量对线形及坐标的测量主要采用全站仪和精密水准仪进行，对拱肋测量采用全站仪，主梁测量采用精密水准仪。4.2.1主梁标高测量 高程控制基准点应设在岸上或其它可靠的稳定处。标高测点设在主梁的中轴线和两斜腹板顶部，把它们作为主梁高程测量测点。4.2.2拱肋空间坐标测量 对拱肋空间位置采用全站仪测量其坐标。仪器架设在岸上或稳定处，后视基准控制点，再瞄准拱肋上相应测点的棱镜，测出拱肋测点的三维坐标，主梁测点布置在梁体的几何定位点上。由于线形对温度、日照较敏感，所以测量时间应选在日出之前温度较恒定的时段内进行。4.3 吊杆索力测试4.3.1测试方法 吊杆拉力采用环境激振仪器量测，它是通过测定吊杆的自振频率，由下式计算索力：式中：T索力(N)；w单位索长的重量(kg/m)；Fn索的第n阶自振频率(Hz)；L索的计算长度(m)；n索自振频率阶数；g重力加速度(9.18m/s2)；F索自振基频。4.3.2激励方法 根据不同长度的吊杆，采用以下两种激励方法：采用人工对吊杆作用激励力(如力锤)使其产生自由振动；利用环境脉动(如大地脉动、风动)，测定吊杆的基本频率。4.3.3测试系统 用高灵敏的压电加速度计测量吊杆的振动信号，振动信号经电荷放大器放大和滤波处理后，由DASJ动态信号采集和数据处理系统作分析处理，其测试系统框图见图9。图9 环境激振测试系统框图4.4 温度测试主要采用热敏电阻配万用表及数字式点温度计测试包括钢箱温度、混凝土温度和气温测试。钢主拱各截面测点采用预先粘贴测温元件与点温计直接测量相结合的方式进行；主梁采用数字点温计测量。5 结 语1、V型刚构组合系杆拱桥是一种内部高次超静定结构，理想的几何线形与合理的内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法。因此，在施工过程中建立施工监测体系，对保证结构安全和成桥质量都是十分必要的。2、施工监测是施工控制的一个不可分割的部分，它为监控提供客观而真实的结构行为数据，为后一步施工的顺利进行提供决策依据，从而使整个施工过程建立在科学的基础上。3、施工监测布点设计既要考虑经济合理，又要考虑科学有效、保险，即要在纵横方向有对照点或平行数据采集点。测点布置尽量与桥梁荷载试验结合考虑，如能与后期养护和健康检测结合就更好。4、监测记录应全面，不仅需注明工况(施工状态)、日期