普立悬索桥施工监测方案

普立特大桥施工监控方案普立特大桥施工监控方案 二零一四年六月二十日二零一四年六月二十日 2 目录 1 项目概况 3 1 1 地理位置 3 1 2 桥梁设计概况 3 2 施工监控基本原则 3 2 1 监控的目标 3 2 2 监控与设计 监理 制作 施工的关系 3 2 3 施工监控的范围 手段 3 3 监控参数收集与获取 3 3 1 监控所需参数及分类 3 3 2 监控参数的获取方法及要求 3 3 3 监控参数精度的检验 3 3 4 监控要求的主缆施工条件 3 3 5 加劲梁重量的确定 3 4 监控总体计算 3 4 1 总体计算的目的 3 4 2 总体计算的内容 3 4 3 悬索桥主缆理论线形及计算方法 3 5 结构监控测试与监控测量 3 5 1 桥塔的应力与温度场监测 3 5 2 吊索力监测 3 5 3 主缆锚跨索股张力监测 3 5 4 主梁应力的监测 3 5 5 温度的监测 3 5 6 监控测量 3 6 施工异常情况的对策及质保体系 3 6 1 施工异常情况对策 3 3 6 2 监控实施组织 3 6 3 监控质量及安全保证措施 3 4 1 项目概况项目概况 1 1 地理位置地理位置 普立特大桥位于云南省普立 滇黔界 至宣威公路 普立 滇黔界 至宣威公路是国 家高速公路网 7918 网 中东西向横 12 杭州 昆明 瑞丽 口岸 高速公路的一段 是 连接我国东部 西南及通向南亚 东南亚各国的公路通道 也是云南省 9210 干线公路骨 架网 9 条放射线 2 条环线 10 条联络线 的联络线之一 路线由东北向西南展布于曲 靖市宣威市境内 起点接杭州 瑞丽高速公路贵州省毕节 川黔界 至六盘水段止点 即 在滇境内与北盘江大桥相接 止点位于宣威市板桥镇 与拟建宣威至天生桥高速公路相接 该项目的建设对于完善国家公路网规划 充分发挥国家高速公路作用 构建国际大通道 发展对外经济贸易与合作 加快云南省公路网规划实施 促进区域经济发展 提高区域路 网等级结构 改善综合运输服务水平 促进旅游业发展 保证可持续发展战略实施具有重 要的作用 1 2 桥梁设计概况桥梁设计概况 普立特大桥位于云南省宣威市普立乡 地处云贵高原西北部 毗邻贵州省六盘水市 属 于冻雨多发地带 年温差与日温差较大 尤其冻雨发生时 温度剧烈变化 普立特大桥跨 越普立大沟深切峡谷 全长 1040m 桥面全宽 28 5m 桥面至沟谷底深达 388m 是普宣高 速公路控制性工程之一 主桥为 628m 单跨简支钢箱加劲梁悬索桥 桥型布置图如图 1 所 示 主缆边跨为 166m 两岸分别采用隧道式锚碇和重力式锚碇锚固 索塔为直塔柱门式 框架结构 群桩基础 引桥上部结构为标准跨径 40m 预制装配式预应力混凝土连续 T 梁 普立岸引桥长 168m 宣威岸引桥长 244m 5 C3mp 图 1 1 628m 双塔单跨悬索桥桥型布置图 图 1 2 加劲梁标准横断面图 2 施工监控基本原则施工监控基本原则 2 1 监控的目标监控的目标 对于普立特大桥 施工监控的具体目标是 1 成桥后加劲梁桥面线形平顺 达到公路路面平顺度设计要求 2 成桥后主缆索股锚跨张力均匀 单根索股索力最大偏差不超过平均值的 10 误差的 均方根不超过均值的 5 3 吊索力逼近设计状态 单吊点吊索力最大误差不超过设计值的 10 4 基准索股的架设精度宜控制在以下范围以内 中跨 40mm 边跨 30mm 以内 空缆 线形的标高误差宜控制在 40mm 5 成桥后主缆跨中标高逼近设计状态 矢高误差应小于 L 10000 L 为中跨的主缆跨度 6 成桥时桥塔位置逼近设计状态 塔高 h 在 200m 以下时 顺桥向塔顶偏离设计位置的 误差不超过 h 3000 且不超过 30mm h 为从承台顶到塔顶的高度 单位为 m 7 在架设阶段确保主缆和加劲梁线形 桥塔偏位等与理论计算相近 保证施工过程中各 结构构件的安全 施工过程中和竣工后结构内力状况满足设计要求 结构的整体变形 位 6 移不超过设计文件规定的值 结构线形符合设计要求 8 精度控制和误差调整的措施不对施工工期产生实质性的不利影响 影响悬索桥成桥线形的主要因素是随机的 根据这些参数的随机分布规律 可计算出实现 基准索股线形 空缆线形和成桥线形各种控制精度的可靠度 实现太高精度的可靠度非常 低 本指南将可靠度设定在不小于 2 以此确定控制精度要求 2 2 监控与设计 监理 制作 施工的关系监控与设计 监理 制作 施工的关系 监控应在建设单位领导下 与设计 制作和施工单位密切配合 向监理提交监控联系 单或监控指令 并通过监理向制作 施工单位发布 同时重要监控指令或根据监控要求需 要进行的施工方案的重大改变应取得设计单位的认可 大跨度悬索桥的施工监控计算必须考虑施工中已经产生的误差的影响 必须精确包括 临时荷载的各种作用的大小 必须分析后续施工中可能发生的各项误差对完成结构内力与 线形的影响 必须根据施工当时的温度等条件确定施工时的控制参数 标高 安装内力等 设计计算是按理想的状态 设定的基准温度等条件 对结构进行的理论状态的计算 目的是保 证建造和使用过程中结构的强度 刚度和稳定性满足规范要求 监控计算的控制目标就是 设计条件下的理论值 监控计算是为保证结构完成质量服务的 与施工一样应受监理单位 的监督管理 施工监控是为结构施工服务的 应在合理的施工方案下进行施工监控 同时在施工方 案制定的过程中 施工监控应从保证质量 增强施工安全性方面提出意见与建议 监控测试与监控测量实际是为保证结构质量和提供量化的控制参数所需要进行的工作 是获得监控计算参数的直接手段 也是监理工作获得量化质量控制参数的一种重要途径 是在施工测试与测量基础上的检验复核工作 2 3 施工监控的范围 手段施工监控的范围 手段 上部结构的施工监控范围为桥塔 猫道 主缆 加劲梁和桥面铺装等施工阶段的施工 应力与变形监控 大跨度悬索桥上部结构的施工监控以监控计算为主 辅助以监控测试与测量 7 3 监控参数收集与获取监控参数收集与获取 3 1 监控所需参数及分类监控所需参数及分类 大跨度悬索桥施工监控所需参数至少包括表 3 1 所列 各参数对结构施工控制的敏感 性可参照表 3 1 确定 大跨度悬索桥施工监控所需参数可以分为几何参数 材料特性参数和环境参数 几何 参数是指结构或构件的几何尺寸 材料特性参数主要指与材料力学特性有关的参数 如弹 性模量 容重 线膨胀系数等 环境参数是指与施工过程有关的温度 临时荷载 临时支 撑与约束等 在这些参数中 有些对于施工监控是敏感的 有些是影响很小的 表 3 1 列 出了悬索桥上部结构施工监控需要的参数 根据其对结构施工敏感性的影响 将其分为 3 级 敏感性为 1 级的参数是指该参数有影响 但不突出 其参数变化对所涉及的影响范围 或对象 不敏感 即使该参数采用理论值 对控制目标的实现也是可接受的 敏感性为 3 级的参数是指该参数对所涉及的影响对象很敏感 施工监控中必须获得实际的参数 监 控工作必须以实际参数为准 否则监控目标就很难实现 敏感性 2 级介于 1 和 3 之间 其参数至少应采用理论加经验修正值 表 3 1 大跨度悬索桥施工监控所需参数及其敏感性分类表 结构构件参数名称 影响范围 或影响对象 敏感级别备注 锚固面坐标锚固点位置1主缆锚固长度调整量 散索鞍中心坐标主缆架设时跨度3施工线形控制 锚碇沉降成桥线形 桥塔内力3塔顶偏移和塔底弯矩 锚碇纵向滑移成桥线形 桥塔内力3塔顶偏移和塔底弯矩 锚碇 锚碇基础转动成桥线形 桥塔内力3塔顶偏移和塔底弯矩 构造尺寸变形量 应力大小1 桥塔顶抗推刚度 压 缩量 弹性模量变形量2 桥塔顶抗推刚度 压 缩量 桥塔 温度标高 纵横向位移 应3塔顶坐标 8 力 收缩 徐变 基 础沉降 变形量3塔顶预高 结构重量塔顶处水平力平衡3塔顶纵向偏移 矢高 猫道线形 塔顶平衡状 态 3 猫道 承重索弹性模量 承重索制作长度 变形 量 3长度调节装置的设计 构造尺寸施工变形和施工方案1 施工阶段塔边缘与缆 相对关系 施工标高线形和成桥目标2施工线形和成桥线形 预偏设置架缆线形 顶推控制3 鞍座 结构重量 散鞍自立和锚跨张力控 制 1散索鞍 钢丝直径缆重量和面积3成桥缆与梁的标高 钢丝弹性模量无应力长度1成桥缆与梁的标高 防腐部分自重线形和内力2 线膨胀系数架设线形控制1施工线形控制 索股弹性模量成桥线形3 主缆跨度架设线形调整2 主缆垂度无应力长度2 主缆 索股与缆温度无应力长度 线形判断2 索夹加工尺寸安装位置1 索夹重量成桥线形控制1 吊索面积弹性变形量2 吊索弹性模量弹性变形量2 索夹与吊 索 吊索制作长度 加劲梁线形 吊索力大 小 3 加劲梁截面尺寸重量与长度1 9 梁段重量线形和桥塔顶纵向位置3 施工方案连接方式2 温度合龙与线形1 铺装厚度结构线形与内力3 重量结构线形与内力3 护栏及桥 面铺装 施工方案变形与内力 局部应力1 3 2 监控参数的获取方法及要求监控参数的获取方法及要求 特大跨度悬索桥施工监控参数应通过以下方法获取 3 2 1 实际现场测量实际现场测量 对于涉及到结构的实际坐标 沉降和变形 几何尺寸等方面的参数 应采用现场实际 测量的方法获取 对于采用大地测量方式获取的数据 应采用国家一级控制网作为基准 按工程具体情况 设置二等水准控制网 对于结构塔 锚联测 应采用二等水准测量控制 网进行测量 达到二等水准测量控制精度 3 2 2 试验室与工厂测量试验室与工厂测量 对于材料的弹性模量等参数 应采用试验室测量的方式获取 钢丝直径 索股弹性模 量 吊索弹性模量等参数 应在加工时进行测量 试验 并进行统计 提出统计确定的参 数 对于吊索长度 加劲梁段重量等 则应在加工厂按规范或设计 监理要求 进行测量 或称重 3 2 3 通过现场测试识别通过现场测试识别 有些参数既无法通过现场测量直接获得 也无法在试验室或工厂直接获取 需要采用 间接的方法 通过测试 试验和计算分析 利用参数识别的方法获取 如桥塔顶实际的纵 向抗推刚度 主缆温度场等 10 3 3 监控参数精度的检验监控参数精度的检验 对于通过现场测量获得的参数 应通过复测 误差检验等方式确认数据准确可靠 误 差在允许范围之内 对于通过实验室测试和工厂测量获得的参数 应通过数据检验 排除 异常数据 选择可信度较高的数据作为采用数据 对于通过现场测试 采用参数识别的方 法获得的参数 则要进行原因分析 反演试算 检验识别数据的可靠性 3 4 监控要求的主缆施工条件监控要求的主缆施工条件 3 4 1 不进行温差修正的条件不进行温差修正的条件 悬索桥主缆施工中可不进行温差修正的基本条件是 被调索股所在跨的长度方向温差 小于 2 被调索股与参考索股之间的平均温度差小于 0 5 被调索股所在的层与其下层 索股之间的平均温度差小于 0 5 3 4 2 不满足温度条件的修正不满足温度条件的修正 当 3 4 1 的条件不能满足时 应进行纵向温度场和不同层间索股温度的测量 并在监 控计算中 考虑纵向温度场的影响 给出不同纵向测点的控制值 调索时须在同一跨内 至少进行不少于三个点考虑温度修正后的线形吻合比较 3 4 3 主缆施工对风环境的要求主缆施工对风环境的要求 被调索股所在跨桥塔顶及跨中风速应小于 12 m s 3 4 4 主缆横截面温度场的确定主缆横截面温度场的确定 对于主缆的横向温度场 有条件时应在现场环境中制作一主缆节段 与主缆施工同步 进行索股架设 密封节段的两端 测量中间截面的温度场 以此作为实际主缆截面温度场 的参考 同时在实际主缆截面中还需要布置适当的测点与测温索对照 也可以采用在实际 主缆上布置表面测点 进行连续的测量 然后采用参考的热物性参数 将表面的测量作为 边界输入 采用有限元的方法 分析主缆内部的温度场 11 3 5 加劲梁重量的确定加劲梁重量的确定 由于加劲梁重量的变化对实现线形控制精度的可靠性影响比较大 应对加劲梁的重量 包括桥面铺装重量 进行称重 4 监控总体计算监控总体计算 4 1 总体计算的目的总体计算的目的 监控计算的目的是 校核设计参数 提供施工各阶段理想状态线形及内力数据 对比 分析施工各阶段的实测值与理论值 对结构参数进行识别与调整 对成桥状态进行预测 反馈 提供必要的控制数据 悬索桥各构件一旦被架设 其误差调整的可能性就比较小 为了使最终成桥状态与设 计目标状态接近 就只能调整在该构件后面施工的构件的参数 为保证设计的线形和结构 内力能够实现 在开展具体监控工作以前 必须以理论参数为基础 依据施工可能的方案 对所监控的结构进行全面的精确的理论计算 以全面确定结构各部分的理论数据 作为后 期监控的控制目标 在施工过程中 根据理论资料和收集的已经安装构件的施工误差和后 续待施工构件的设计参数的基础上进行监控计算是悬索桥监控最重要的手段 4 2 总体计算的内容总体计算的内容 监控总体计算包括以下几方面的内容 4 2 1 设计复核 确定监控目标状态设计复核 确定监控目标状态 监控复核至少包含以下内容 1 理论成桥状态复核 1 各构件的理论重量 几何特性计算 2 理论吊索张力计算 3 主缆成桥线形计算 4 成桥状态各索鞍在桥塔上的相对位置计算 12 2 理论空缆状态复核 1 理论空缆线形计算 2 理论预偏量计算 3 理论锚跨张力计算 3 理论无应力尺寸复核 1 吊索理论无应力长度计算 2 主缆理论无应力长度计算 3 钢梁无应力制造长度计算 4 桥塔预高量计算 4 主缆锚固调节量检算 考虑恒载重量误差 主缆的弹性模量误差 面积误差 制作长度误差等因素 对主缆 进行影响参数分析和误差分析 验算主缆锚固可调节长度是否足够 设计单位的计算着重于桥梁的成桥状态分析 从结构施工到最终的成桥状态的跟踪计 算与误差调整主要由监控单位来完成 监控单位在接手设计图纸之后 应该对设计图纸进 行必要的复核 目的是深入理解设计图纸 领会设计的意图 收集设计参数 同时检验设 计的结构能否满足拟定施工方案的要求 在与设计的计算参数一致的情况下进行计算分析 与设计的结果进行比较 看两者是否一致 因为监控的目标是设计的成桥状态 如果监控 的目标成桥状态与设计不一致 那么监控是偏离方向的 4 2 2 上部结构理想施工全过程的仿真分析上部结构理想施工全过程的仿真分析 以设计复核中建立的原始数据为基础 根据设计拟定的施工过程或施工单位确定的施 工方案 建立上部结构施工过程计算机仿真分析系统 对加劲梁段的吊装过程进行计算 根据结构在理论施工状态 无施工误差 下各阶段的施工参数 计算各施工阶段的内力 变形 监控目标参数理论值 提出相应的施工建议 确定明确的安全措施 预测结构在各 个阶段的形状 仿真分析计算应至少提供以下结果 1 各个施工阶段的主缆线形 主跨各八分点的标高 边跨各四分点的标高 2 各个梁段安装阶段的加劲梁线形 内力 应力 3 各个施工阶段的桥塔偏位 内力 应力 4 鞍座顶推阶段安排 各顶推阶段的顶推量 最大顶推力 13 5 各个阶段的主缆锚跨张力 6 恒载状态下加劲梁的内力 应力 7 恒载状态下的吊索力 8 恒载作用下桥塔的收缩 徐变与弹性压缩量 4 2 3 确定加劲梁理论制造线形确定加劲梁理论制造线形 以理论计算为基础 根据加劲梁的恒载设计内力状态 确定加劲梁的现场拼装线形 根据现场拼装线形 考虑焊接要求和焊接变形影响 确定加劲梁的工厂制造线形 4 2 4 桥塔的监控计算桥塔的监控计算 1 确定桥塔的控制指标 对桥塔建立详细的实体分析模型 计算桥塔的抗推刚度 塔顶预留下沉量和允许纵向 位移 允许扭转变形 确定后期施工时桥塔的安全指标 监控计算中宜以桥塔截面应力不超过以下值来控制桥塔顶在不平衡力作用下的桥轴方 向的变形 一般情况下桥塔柱截面应不出现拉应力 考虑施工阶段风与塔顶不平衡力共同 作用下 桥塔柱截面的拉应力应不大于 0 5MPa 不超过一段梁的吊装工况且与风荷载组合 的极端短暂情况下 桥塔柱截面的拉应力应不超过所用混凝土的抗拉强度设计值的 0 7 倍 2 断面非均匀温度场作用下桥塔的偏位分析 桥塔在日照和风作用下 横断面上各点可能会产生温差 在断面非均匀温度场作用下 桥塔会发生偏位和扭转 监控中有必要对桥塔建立详细的实体分析模型 在实测温度场的 作用下 计算桥塔的三维几何状态变化情况 为桥塔的实际施工位置 荷载影响的实际偏 位提供识别参数 3 制定鞍座顶推方案 主鞍座的顶推方案制定原则是 主鞍座顶推前后 鞍座两侧的索力水平分力差应不使 桥塔柱截面拉应力超过控制值 主鞍座顶推前后 鞍座两侧 1 65 倍的索力差应不大于主缆 在鞍座中的静摩擦力 以保证主缆不在鞍座中滑动 根据桥塔应力与变形指标 在保证桥塔安全和主缆不在鞍座中滑移的前提下 确定鞍 14 座的顶推阶段 各顶推阶段的顶推量 最大顶推力等 4 2 5 主缆的监控计算主缆的监控计算 1 主缆制作长度的计算 对于采用 PPWS 法施工的悬索桥 需要根据实际采用钢丝材料的面积与弹性模量 计算索股的制作加工长度 应给出索股两锚头前端面间 图 4 1 所示标志点间索股基准温 度下的无应力长度 无应力长度是 PPWS 法制作索股时的基准参数 必须保证准确可靠 为保证主缆无应 力长度计算的准确 应采用不同的方法对中心索股的长度进行检验 如无其他可靠的方法 至少应进行以下方式的检验 采用绘图软件 根据设计的成桥状态主缆线形 绘出包括鞍座曲线在内的主缆线形 然后测量主缆锚固点间的长度 这样得到主缆的近似形状长度 S 根据主缆的安全系数要求 一般主缆的弹性应变应在 3 左右 因此可用此数据检验 弹性伸长量 因此主缆的无应力长度 S0 应在 0 997S 左右 如果与检验长度差异大 应重新计算 2 索鞍预偏量和主缆中心线形计算 索鞍预偏量的计算原则是 保证索股安装时各跨相对鞍座不动点的主缆无应力长度等 于成桥设计值 索鞍两侧的索力差在给定的投影方向等于零或等于给定值 索鞍的预偏与 索的安装线形对应 一般施工监控是根据所获得的桥塔 锚固点的位置和标高施工误差数 据 在猫道架设前这些数据应该详细测设 并作标记点 主缆索股面积与弹模误差数据及 桥塔预高量 恒载弹性压缩 收缩徐变量 先计算出各索鞍的预偏量 然后在实设预偏量 的基础上 再计算各种温度 各种跨度变化情况下的各跨主缆中心位置的架设线形 跨中 点纵向位置和标高 3 主缆索股架设的合理层距的确定 特大跨度悬索桥主缆索股的架设应采用层间距量化的方式架设 索股层与层之间的距 离可采用以下方法计算 假定索股实际的形状为近视的圆形截面 按 22 25 的空隙率 计算出索股的直径 施工架设时索股层与层之间的距离按索股直径加 1 2mm 控制 这样层 与层之间的距离在基准温度下是固定的 索股调整时根据层与层之间温度差 计算其影响 修正层与层间距离 15 4 基准索股架设线形监控计算 根据主缆中心索股的线形和主缆架设时的层距 考虑主缆各点倾斜角的影响 计算出 基准索股的监控控制标高 确定主缆基准索股的架设线形 温度 跨度变化对基准索股的 线形将产生影响 监控计算应给出各种温度下和跨度变化下的线形控制表或经检验的公式 或计算程序供施工单位使用 5 相对基准索股的架设监控计算 从第二层开始 将所架设层最靠外索股作为相对基准索股 根据主缆架设时的索股层 距和拟架设层相对索股与紧邻层已架设基准 或相对基准 索股的温度差 计算拟架设层 相对基准索股相对于紧邻层已架设基准 或相对基准 索股的高差 以紧邻层已架设基准 或相对基准 索股的线形为基准 调整拟架设层相对基准索股的线形 6 一般索股的架设计算 各层索股应以该层的相对基准索股为标尺 考虑拟架设索股与相对基准索股温度差引 起的高差调整量 计算出相对于相对基准索股的标高差供施工调整使用 7 主缆锚固张力计算 计算架索阶段主缆各根索股在各温度变化下的锚固点张力 提供索股现场架设软件或 者 Excel 计算表格 8 主缆索股架设期间的抗滑检算 在索股架设期间 在温度变化 桥塔偏位等作用下 鞍座两侧的主缆索股会产生索力 差 应验算此索力差是否会造成主缆索股在鞍槽内滑移 极端情况下应保证抗滑安全系数 不小于 1 25 9 计算最不利条件下所需索鞍最大水平支承反力 在索股架设期间 散索鞍 主索鞍都需要在精确预偏之后临时固定 限制其纵向滑动 在施工控制与仿真分析系统中可以计算出最大温度变化作用下和最大风载作用下散索鞍 主索鞍的临时支承反力 以便施工单位设计临时支承构件 10 散索鞍支承拆除的合理阶段的确定 通过计算分析与验算 确定出散索鞍支承拆除的合理阶段 计算和实测表明 在索股架设期间 若对散索鞍进行固结 则随着索股架设的增加 在温度变化作用下 散索鞍的固结反力会变得非常大 有可能会使散索鞍临时支承发生强 度破坏 还可能会使主缆索股克服与鞍槽的摩擦而滑移 造成锚跨张力不均匀 因此 在 满足散索鞍自立及后期锚跨索股张拉要求条件下 应拆除散索鞍临时支承 16 4 2 6 主缆紧缆后的参数识别与架设精度分析主缆紧缆后的参数识别与架设精度分析 在主缆索股架设完成并紧缆后 监控单位利用各索股表面温度和主缆断面温度场测试 数据进行参数识别 确定主缆实际平均温度 利用实际平均温度 实测跨度和线形数据进 行反馈计算 确定主缆架设的实际无应力长度 分析主缆的架设精度 考虑主缆架设误差 加劲梁重量误差和二期恒载误差 以最终的加劲梁线形为目标 调整加劲梁的架设预拱度 4 2 7 索夹安装位置计算索夹安装位置计算 计算索夹在各温度及桥塔偏位下的安装位置 4 2 8 吊索下料长度计算吊索下料长度计算 在确定实际空缆线形后 需要重新计算吊索长度 悬索桥的加劲梁线形主要由空缆线形 吊索长度及加劲梁上的恒载决定 一旦索股架 设完成 空缆线形就已确定 吊索架设完成后 加劲梁的线形就已经确定 可见 悬索桥 线形控制的关键在于控制主缆的架设线形 在完成的空缆线形上决定吊索长度 在吊索长 度决定后 就不可能调整成桥线形 就是能够调整 也是微幅的 以理论加劲梁线形为目标状态 利用主缆实际的架设线形和较准确的加劲梁一期恒载 和二期恒载 考虑主缆的架设误差 在施工监控与仿真分析系统中可以计算出吊索的下料 长度 监控单位计算出的调整后的吊索长度 经设计人员计算确认后 交由厂家并通过严格的 监理达到吊索的制造精度 方可施工安装 4 2 9 猫道改挂的计算猫道改挂的计算 对猫道的改挂工作进行模拟监控计算 以得出猫道改挂过程中桥塔偏位 主缆线形 并分析因猫道改挂需要放松的长度调节量 并与实测结果比较 17 4 2 10 加劲梁架设阶段监控计算加劲梁架设阶段监控计算 1 索鞍顶推方案的修正 在前述理论分析中已经确定了初步的索鞍顶推方案 在加劲梁吊装前应该考虑各项误 差和施工设备 临时机具等重量后重新计算 以确定是否需要调整顶推阶段及顶推量 2 加劲梁吊装过程的计算 以成桥桥面线形为目标状态 在考虑各项施工误差的基础上 按照加劲梁的吊装过程 考虑各种临时荷载 重新计算各阶段的主缆线形 加劲梁线形 桥塔偏位 主缆索股张力 变化等 对 4 2 3 的加劲梁制造线形作适当的调整以确定实际加劲梁的吊装线形 同时验 算在施工阶段的风荷载 温度变化下结构的安全性 在以后各工况与实测值比较 识别主 缆的真实的弹性模量并反馈到仿真计算系统中 不断修正预测最终的成桥状态 3 加劲梁合龙过程的计算 根据合龙方案 对加劲梁的合龙过程进行仿真分析 计算合龙前 后的线形的变化情 况 计算进行合龙施工需要的合理空间 提出施工控制建议 验算合龙过程中临时结构与 永久结构的安全性 4 无索区加劲梁体系转换的计算 根据施工方法 临时支架或临时吊索 拟定无索区加劲梁体系转换方案 对体系转换 过程进行仿真分析 验算体系转换过程中临时结构与永久结构的安全性 提出施工步骤 线形控制指令 5 二期恒载与成桥线形的计算 根据桥面铺装机械和设备情况和拟定的施工流程 按实际铺装容重和铺装过程 计算 铺装阶段桥塔 加劲梁的结构内力与变形 提出施工控制建议 4 3 悬索桥主缆理论线形及计算方法悬索桥主缆理论线形及计算方法 当不考虑钢丝及由钢丝组成的索股和主缆的抗弯刚度时 悬索桥主缆可简化为理论索 进行分析 对于理论索 根据对主缆自重的分布模式的假定的不同 可分为抛物线理论和 悬链线理论 悬链线理论比抛物线理论具有更高的计算精度 特大跨径悬索桥的监控计算应采用分段悬链线理论 对于跨度 1500m 以上或主缆直 径 90cm 以上的悬索桥 宜考虑主缆抗弯刚度对结构内力与线形的影响 18 成桥状态主缆线形的计算是设计和监控计算的基础 在同样基准条件下 监控计算结 果应与设计基本一致 在进行成桥状态线形计算前 首先应设计出成桥时主跨的吊索力分布状态 该分布应 满足加劲梁的受力要求 并通过施工过程的模拟检验确定合理可行 将设计的由加劲梁传 给吊索的恒载张力 吊索自重及索夹与锚头等自重作为作用于吊索中心的集中力 将主缆 自重 缠丝等防护自重作为沿主缆弧长的分布荷载 将主跨主缆作为分段悬链线 建立悬 索桥主缆的分段悬链线计算模型 按主跨指定点的标高为设计值进行成桥线形迭代计算 在线形和主缆长度计算中 应有可靠的方法考虑主缆鞍座曲线对主缆线形计算的影响 边跨或非主跨线形的计算时 应以主跨计算确定的主缆水平力 或张力 为控制值 依据相应的力控制条件 按分段悬链线法计算非主跨的线形 1 分段悬链线计算理论与方法 理论索的自重实际是沿索长均匀分布的 此时对索结构 建立的线形与荷载的平衡方 程为 4 1 2 2 2 10 d ydy Hq dxdx 当两端点的高差为 C 时 方程的解可表示为悬链线 4 2 2 coshcosh Hx y ql 式中 1 sinh sinh c l 2 ql H 公式 5 1 所代表的曲线是一族悬链线 与抛物线的情形相同 如果给定曲线上 任一点的座标值 整条曲线即可完全确定 当二支座等高时 c 0 2 ql H 4 3 coshcosh Hqx y qH 对于悬索桥的主缆 其自重 缆上的缠丝及防护重量等可看成是沿索长均匀分布的 索夹重量 通过索夹传递的吊索重量和加劲梁恒载等可看成是作用于索夹点的集中力 这 样主缆的精确的计算模型可简化为分段悬链线模型 在两索夹之间 主缆的线形为悬链线 19 索夹点为各分段悬链线的分点 在分点处曲线连续 力保持平衡 对于分段悬链线计算模型 在已知荷载 跨度 两端点高差和缆上任意点相对于端点 的位置后 可采用迭代的方法进行计算 一般设计图时根据线路要求确定了成桥状态主缆的理论顶点 锚固点和主跨的矢跨比 或者跨中点位置与标高 根据施工过程的分析可确定吊索传递的加劲梁恒载 有了这些 数据后参照图 5 2 建立线形迭代计算过程 图图 4 2 主跨主缆线形计算步骤主跨主缆线形计算步骤 计算出主跨的线形和确定出主跨的恒载水平分力后 对于边跨 一般是要求主缆的水 平分力与主跨相等 这样就已知了索力的水平分力 边跨的线形就能根据满足通过支承点 的条件确定 采用迭代计算确定 获得各跨的主缆线形后 按悬链线理论 计算主缆各索段的无应力长度 伸长量 内 力和切线角 从而得到主缆的无应力设计长度 这是后续施工计算的基准 2 考虑抗弯刚度影响的分段索 特大跨度悬索桥由于其主缆直径比较大 应分阶段进行内力和线形分析 在基准索股 架设阶段 可采用不考虑抗弯刚度影响的悬链线根据解析方法计算基准索线形 并形成最 终的主缆 在加劲梁吊装阶段 则宜将主缆简化为考虑抗弯刚度影响的索 按考虑抗弯刚 20 度的分段索的方法建立有限元计算模型 同时考虑主鞍座 散索鞍及锚跨索股曲线的影响 采用精细化方法进行分析 5 结构监控测试与监控测量结构监控测试与监控测量 5 1 桥塔的应力与温度场监测桥塔的应力与温度场监测 5 1 1 设备选型设备选型 桥塔应力监测主要用于了解在施工过程中 特别是上部结构施工过程中桥塔各控制部 位的应力状态 温度监测则是用于掌握桥塔结构整体温度和横截面的温度场 对于钢筋混 凝土桥塔 测试元件应尽可能选用可同时测量应变与温度的传感器 同时应尽可能考虑后 期监控监测或成桥荷载试验的需要 推荐采用埋入式钢筋 或混凝土 应变计 只在不得 已情况下才采用表面应变计 对于钢桥塔 推荐采用应变式传感器 温度测试可采用独立 的温度传感器 5 1 2 布置原则布置原则 由于索塔应力实测值与理论值的差异不可能达到误差分析或参数识别的要求 测试截 面不宜过多 以能反映塔柱控制应力和温度在截面上和高度上的变化为原则 一般情况下 可选两侧桥塔各的一个塔柱布设传感器 测试截面位置宜选靠塔底的控制截面 下横梁以 上控制截面和靠近桥塔顶的截面 5 1 3 测点布置测点布置 对于钢筋混凝土桥塔 在每个测试截面 宜沿周边布置 4 8 个传感器 5 2 吊索力监测吊索力监测 5 2 1 设备选型设备选型 吊索力测试宜采用振弦式索力仪的方法 有条件时可配合采用力传感器 21 吊索索力是悬索桥施工过程中的主要监测指标之一 目前平行钢丝吊索索力的测量方 法主要有力传感器与利用测振动频率反算索力的振弦式索力仪两种 力传感器具有精度高 测试速度快且受环境干扰小等优点 但价格相对较高 安装及拆卸均较为复杂 且适合悬 索桥吊索的力传感器很少 振弦式索力仪测试速度慢 精度较低 受环境干扰大 但其价 格低廉且安装及拆除均较为方便 因此在诸多的悬索桥和斜拉桥的施工监测中获得广泛使 用 对于地锚式悬索桥的吊索力 施工监控中可采用振弦式索力仪测试 对于需要张拉才 能进行结构安装的吊索 则应在张拉设备上安装直接的测力传感器 控制锚固时的张力 并用振动测试法进行检测 5 2 2 监控测试目的与测点选择监控测试目的与测点选择 索力监测的主要目的是 防止因意外情况引起的安装索力过大 为施工控制的 误差分析 参数识别提供实测参数 用于估算加劲梁和邻近吊索的内力状态 在安装梁 段附近测试已安装的五对吊索 远离安装梁段的吊索则进行已安装索数量的 40 的抽测 5 3 主缆锚跨索股张力监测主缆锚跨索股张力监测 5 3 1 设备选型设备选型 主缆索股张拉时应采用张拉设备控制张拉力 锚固后的测量宜采用振弦式索力仪与力 传感器相结合的方法测试 主缆锚跨索股张力是悬索桥施工过程中最重要的监测指标之一 主缆锚跨索股力测试 分为张拉阶段测试及事后测试 张拉阶段测试指对正在张拉的索股的监测 已经完成锚固 的索股会由于温度改变而改变 对其进行的监测成为事后测试 张拉时应在张拉设备下安 装测力传感器 直接测量张拉力 同时用振弦式索力仪进行对比测量 确定索的计算参数 有条件时应在索股的锚下安装少量的力传感器 作为长期监测用和校准频率测试法参数的 元件 5 3 2 测试索股选择和测试频率测试索股选择和测试频率 长期测试宜在每个锚室内选取 5 且不少 5 根的索股每隔 3 天进行测试 在重大工况 22 或者特殊工况宜对所有的索股进行通测 用于长期监测的索股 应选择能反映温度变化 散索案 或散索套 位移等影响的代 表性强的索股 宜在一个锚室索股中均匀分布 对于采用散索鞍的悬索桥 由于在散索鞍能自由活动之前 张拉的索股少 锚跨索股 的张力受温度的影响很大 一般难以准确控制张拉力 在散索鞍能自由活动后 宜根据索 鞍位置 计算已张拉索股的理论索力 测试实际索力 计算两者的无应力长度相对差 调 整索股长度 使实际索力与理论值尽量一致 对于采用散索套的悬索桥 在散索套安装完成并能自由活动后 应根据理论值与实际 测试值 调整一次锚跨索力 主缆锚跨索股张力监测具有以下几个主要目的 确保锚固张力的准确 为施工 控制的误差分析 参数识别提供实测参数 用于计算锚跨索股的架设无应力长度和主缆 锚跨张力的合力 基于索力监测的目的及其具体情况 张拉测试可仅对所张拉索股及相邻 索股进行测试 5 3 3 提高振动法测试索力精度的措施提高振动法测试索力精度的措施 为提高测试精度 应采用带有传感器的张拉设备对吊索和锚跨索股进行张拉 同时采 用振动法测试索股在对应张力下的振动频率 建立不同边界条件的有限元模型 通过几组 试验结果与计算结果的比较 首先确定合适的边界约束条件 然后调整索截面的抗弯刚度 试算确定索截面的抗弯刚度 通过多组试验数据 确定平均值 在确定了边界条件和截面 抗弯刚度后 改变计算模型的索张力 计算出索张力与振动频率的关系曲线 以后的测试 中通过测试振动频率 直接查表计算索力 克服采用公式计算时各参数误差太大的缺点 影响振动法测试吊索和主缆锚跨索股张力精度的因素主要有三个 1 索股截面抗弯刚度的影响 2 索股边界条件的影响 3 计算张力时所用索股长度 采用各种方法 准确识别出以上三项影响 则可提高振动法测试索力的精度 5 4 主梁应力的监测主梁应力的监测 对于采用梁段吊装后先铰结 全部吊装完成 或二期恒载等代荷载施加后 再刚结施 23 工法施工的悬索桥 一般不需要对加劲梁的应力进行监控 5 5 温度的监测温度的监测 5 5 1 设备选型设备选型 温度测量宜采用电子式温度传感器 其测温精度一般为 0 5 若有特别要求 应选 择精度更高的测温传感器 5 5 2 布置原则布置原则 对于基准索股 应布置能反映纵向温度变化的温度测点 桥塔两侧应布置测点 对于 一般索股 则应在相对基准索股和调整索股的各跨上布置测点 对于横断面 则应按测点 均布的方式布置测点 由于温度对结构变形及内力的影响均较为显著 温度对结构的影响可以分为均匀温度 影响与非均匀温度影响 均匀温度影响指整个结构均处于相同的温度场下 非均匀温度指 结构各部分由于日照或热传导速度的影响造成各部分温度不一致的情况 均匀温度场的温 度改变对结构的影响较小 因此 悬索桥的施工控制总选择在结构各部分温度尽量接近的 情况下进行 5 5 3 一般的测点布置一般的测点布置 基准索股纵向温度测点位置纵向布置见示意见图 5 1 每个测点布置 3 个智能型温度 传感器 每个塔柱阴阳面各布置 1 个温度传感器 主缆表面内外温度存在着差异 并且主缆越粗 内外温度相差越大 为了准确确定主 缆断面的平均温度 就必须知道主缆断面的温度场分布情况 在主缆上选择一个断面布置 温度传感器 以确定主缆表面的内外温差及温度场 图 6 1 为一横断面温度测点布置的示 意图 24 图图 5 1 主缆断面温度场测点布置图主缆断面温度场测点布置图 5 6 监控测量监控测量 5 6 1 监控测量的标准监控测量的标准 监控测量应满足国家和交通部颁发的相关测量标准 包括 1 中华人民共和国交通部颁 公路桥涵施工技术规范 JTJ041 2004 2 中华人民共和国国家标准 国家一 二等水准测量规范 GB T 12897 2006 3 中华人民共和国行业标准 建筑变形测量规范 JGJ T 8 97 4 中华人民共和国国家标准 工程测量规范 GB50026 93 5 中华人民共和国国家标准 全球定位系统 GPS 测量规范 GB T 18314 2001 6 中华人民共和国行业标准 公路全球定位系统 GPS 测量规范 JTJ T 066 98 25 5 6 2 监控测量的内容监控测量的内容 5 6 2 1 上部构造施工前监控测量工作的内容上部构造施工前监控测量工作的内容 1 建立上部构造施工测量和监控测量局部控制网建立上部构造施工测量和监控测量局部控制网 开展上部结构施工前 应建立上部结构施工测量和监控测量局部控制网 特大型悬索桥上部构造的施工 是悬索桥施工过程中工序最多 施工工艺最为繁杂的 关键阶段 需要进行大量的施工测量和监控测量 而这些施工测量和监控测量的基准 应 该是布设在地面上的稳定 方便施测和高精度的测量控制网 因此上部构造施工前 应在 所建大桥施工测量控制网的基础上 加密上部构造施工局部测量控制网 局部测量控制网 应该是一个三维网 以方便上部构造施工测量和监控测量 所建立的控制网应考虑按工程 测量二等平面和高程控制网的精度等级施测 可用 GPS 静态测量的方式建立局部平面控制 网 用常规水准测量和跨河水准测量相结合的方式建立局部高程控制网 大桥上部构造施工局部控制网的主要作用有 1 悬索桥基准索股和主缆绝对垂度测量控制及其线形监测的基准 2 悬索桥索塔位移和跨径变化监测的基准 3 悬索桥主梁线形监测的基准 4 悬索桥索夹位置放样的基准 5 悬索桥索塔及锚锭基础沉降变形监测的基准 6 悬索桥锚锭基础水平位移监测的基准 2 索塔顶部标高和平面位置受温度影响的索塔顶部标高和平面位置受温度影响的 36 小时 小时 48 小时的静态变形监测小时的静态变形监测 宜选择至少一个塔柱 对其顶部标高和平面位置进行不少于 36 小时的静态变形观测 大跨度悬索桥的桥塔一般都比较高 其塔顶标高和平面位置受温度影响的静态变形及 其变形的规律 对大型悬索桥上部构造施工中的索塔偏位监测 跨径变化监测 主鞍座预 偏量的控制 基准索股和主缆的垂度控制以及索夹的放样等 有着至关重要的影响 因此 应在上部构造施工前宜进行此项监测 由于各个塔柱的荷载 结构形式 施工方法和力学性质基本相同 因此由一个塔柱观 测试验获得的预测模型 对其他塔柱具有较大的参照价值 这样处理 既可满足特大型悬 索桥施工监控的需要 又可较大地降低测量监控的外业工作量 26 1 索塔顶部标高位置受温度影响的 36 小时 48 小时的静态变形监测 标高位置的静态变形监测的基准点 布设在索塔承台基础的顶面 而监测点则布设在 索塔顶部表面 在下横梁和中横梁顶面各布设一个转点 采用悬挂钢尺水准测量的方法进 行观测 施测时 需准备 2 把 50m 一把 100m 的钢卷尺和四台水准仪 所有钢卷尺和水 准仪 必须经过有关计量部门的检测和较正 在承台和下横梁以及中横梁和上横梁之间 各悬挂一把 50m 的钢卷尺 在下横梁和中横梁之间 悬挂一把 100m 的钢卷尺 所悬挂 的钢卷尺 必须施加标准的拉力 而四台水准仪则分别布设在承台 下横梁 中横梁和上 横梁上 对已悬挂好的钢卷尺同步进行观测 观测的同时测量空气温度 钢卷尺和索塔阴 阳面的表面温度 以便对钢卷尺施加温度改正 此项监测应连续观测 36 小时 48 小时 每一小时观测一次 2 索塔顶部平面位置受温度影响的 36 小时 48 小时的静态变形监测 索塔顶部的静态变形主要是由于日照方向的变化而引起的 如上午 阳光直射索塔的 东面 此时东面砼的温度比西面的高 形成温差 由于热胀冷缩的作用 索塔向西扭转变 形 到下午 则情况相反 而日照方向的变化和温差的大小 与当地的时间有关系 因此 扭转变形观测的内容 包括观测的时间 空气温度 索塔阴阳面砼表面的温度和索塔在顺 横桥向方向的位移量 而且必须连续观测 36 小时 48 小时 从而获取索塔在这一高度时 扭转变形量随时间和温度变化的数学模型 最后根据这一数学模型 推求任一时间的扭转 变形量 以掌握其变形的规律 3 锚锭和索塔基础在上部构造施工过程中沉降监测锚锭和索塔基础在上部构造施工过程中沉降监测 上部结构施工过程中应对锚碇和桥塔基础的沉降进行不间断的测量 在上部构造施工期间 巨大的主缆和主梁的重量将逐步作用在锚锭和索塔的基础上 有可能使锚锭和索塔基础产生均匀沉降和不均匀沉降 而由于锚锭和索塔基础的均匀沉降 和不均匀沉降 又都将影响悬索桥上部构造施工的质量和安全 此外为验证锚锭和索塔基 础设计合理性和施工的质量 均应对布设在锚锭和索塔基础上的沉降监测点 在上部构造 施工期间 进行定期不间断的沉降监测 以了解锚锭和索塔基础的稳定性 从而确保上部 构造施工的精度和成桥质量 1 监测要求 根据规范 沉降监测应能监测锚锭和索塔地基基础 2mm 以上的均匀沉降量和不均 匀沉降量 为达到这样高的监测精度 根据目前的技术和手段 只有采用精密几何水准测 量的方法 即用精密水仪 WILD N3 或 ZAISS Ni004 及其配套的精密铟钢水准尺和标准 27 尺垫 扶尺架等 按某一精度等级的水准测量施测要求 以往返符合水准路线或闭合水准 路线的形式 定期地从基准点对布设在构筑物基础上的监测点进行观测 则不同周期监测 点的高程变化量 就是由于荷载作用在锚锭和索塔地基基础上所引起的监测点的沉降量 2 基准点和监测点的位置设计与埋设 对锚锭和索塔基础沉降监测基准点的位置和数量要求是 稳定 作为变形监测的基 准点 一定要远离建筑物荷载的影响区域 并有一定的埋设深度和不易遭受破坏 联测 方便 在数量上至少有三个 以便通过基准点的联测 监测和检验基准点的稳定性 对锚锭和索塔基础沉降监测监测点的位置和数量要求是 监测点布设在被观测建筑 物最能反映变形特征的位置上 为此在建筑物基础设计的后浇带或沉降缝两侧应布点 在 建筑物不同层高的分界处两侧应布设 在建筑物荷载比较集中的地方应布点 在建筑物的 轴线及其四周应布点 点位应布设在便于观测 点位稳定和施工干扰小的地方 点的 数量应能反映整个建筑物基础的变形情况 并满足变形分析的需要 3 观测路线设计 基准点之间的水准联测 宜采用闭合水准路线的形式 监测点之间的水准观测 也宜 采用闭合水准路线的形式 并至少应构成二个以上闭合环 而基准点与监测点之间的水准 联测 宜采用往返符合水准路线的形式 闭合环或附合水准路线 都具有多余观测 有利于检测外业观测中的误差和粗差 提 高外业观测数据采集的质量和可靠性 同时还有利于数据的严密平差和提高精度 4 沉降监测的观测精度设计 在沉降观测中应采用国家二等水准测量的精度要求和观测方法进行施测 应能监测锚 锭和索塔基础较小 2mm 的沉降量 5 沉降监测的观测周期设计 应根据荷载 层数 增加的情况 施工的进度和沉降量的大小决定 按规定 第一次观测应在上部构造施工前进行 第一次观测应连续独立地观测两次 以作为沉降量计算的相对基准 之后应每一个月观测一次或在猫道施工的前后 主缆施工 的前后和主梁施工的前后进行观测 基准点也应每四个月复测一次 以监视基准点的稳定 性 6 沉降监测的数据获取与数据处理 对外业采集的数据 首先进行数据的预处理 即在观测过程中 实时地计算各测站的 各项精度指标 对于超限的测站 应及时地进行重测 补测 当一条路线观测结束 计算 28 路线的往返测较差或闭合差 以评定外业观测的精度 之后进行数据的后处理 首先对已 传输到计算机中的合格的外业数据 按最小二乘原则进行严密的平差计算 计算本周期的 观测高程和内业精度评定 接着 根据本周期的观测高程和以往各周期的观测高程 计算 各监测点的相对沉降量和累计沉降量 并计算沉降速度和绘制时间或荷载沉降曲线图 最 后 根据各周期的相对沉降量和累计沉降量 进行变形分析和变形的预测预报工作 变形 分析采用方差分析法 分析各监测点的沉降是否为显著性变形 变形的预测预报 采用回 归分析法建立变形模型 并根据所建立的变形模型 预测未来将要发生的沉降量 4 主鞍座和散索鞍三维位置以及各主索鞍座 各散索鞍的里程 中线和高差的测量主鞍座和散索鞍三维位置以及各主索鞍座 各散索鞍的里程 中线和高差的测量 上部结构施工前 应进行塔 锚联测 获得准确的各关键控制点的实际数据 在上部构造施工前 首先应收集锚锭 索塔和散索鞍 主鞍座控制测量和竣工测量的 资料 分析了解这些与悬索桥上部构造施工密切相关的建筑物和机械构件的施工和安装的 精度 此外应根据局部测量控制网点 采用测边交会或边角交会或极坐标方法和悬挂钢尺 水准