挑战杯青春在沃作品设计计算书《钢管混凝土拱桥建造监控检测模拟仿真系统》

湖北省第十届挑战杯大学生课外科技制作钢管混凝土桥梁建造监测监控模拟系统设计及实验说明书申报者延法河指导教师李永信1、摘要92、概述921、系统的总体布局922、系统的应用前景展望123、下沉式钢管混凝土模型设计1331、塔架/扣架13311、设计方案的提出13312、塔架扣架一体化设计相关技术14313、塔架扣架塔强度分析14314、塔架扣架塔稳定性分析15315、塔架扣架塔应力监测15316、塔架/扣架塔顶位移控制1632、主桥上部结构与构造17321、主桥拱肋设计173211、合理拱轴线的选定173212、三次样条插值数学函数173213、用三次样条插值函数确定合理拱轴线的方法183214、三次样条插值函数逐步逼近合理拱轴线203215、用三次样条插值函数计算出的本桥合理拱轴线的坐标2133、钢管混凝土结构设计22331、钢管混凝土基本性能介绍22332、钢管混凝土结构设计2334、横向联结系24341、桥面系24342、吊杆设计24343、横梁的设计2535、下部结构与构造26351、基础设计2636、桥台拱脚的设计2737水陆两用桥梁探测吊篮28371、技术领域28372、技术背景28373、主要功能29374、具体实施方案3138、吊装系统31381、概况32382、缆索吊机的组成323821、承重缆索（主索、天索）323822、起重索333823、牵引索333824、塔架（索塔）333825、锚碇（地锚、地垅）343826、扣索（天扣、通扣）343827、扣索（塔扣、墩扣）35383、吊装方法及要点35384、吊索363841、设计原理及计算3638411、缆索方案选择3638412、缆索吊机计算37384121、主索计算37384122、起重索计算39384123、牵引索计算40384124、结索计算41384125、缆风索力计算41384126、支柱基础反力43384127、重力式锚碇稳定性验算43384123、缆索设备检查及检查方法443842、吊施工观测4638421、主索垂度观测4638422、塔顶及锚碇位移观测4638423、拱肋中线观测4638424、拱肋高程观测463843、设置缆风时注意的问题473844、拱肋合拢后，松索过程中必须注意事项484、模型上所开展的实验4841、应变测量48411、实验分析48412、传感器的选择与防护49413、灵敏系数和温度补偿50414、导线电阻值修正50415、高低温长期应变监测规514151、技术领域514152、技术背景514153、主要功能524154、具体实施方案5342、拱肋线形监测与控制55421、线形测量554211、监测方法564212、钢管拱肋的线形监测5742121、拱轴线的监测5742122、拱肋标高的监测584213、线形监测的精度估计5942131、拱轴线监测精度估计60422、线型控制604221扣索伸长量与拱肋位移604222、扣索动态调整法6343、扣索索力监测65431、基本原理65432、扣索内办测量中的有关问题674321、激励方式的选取674322、传感器安装位置的确定684323、弯曲刚度的影响684324、附加质量的影响694325、温度的影响7044、成桥静动载试验70441、概述70442、实验任务71443、实验内容及加载工况724431、静载实验7344311、位移测试7344312、应力测试734432、成桥动载实验7844321、行车实验7944322、跳车实验8044323、制动实验8044324、脉动实验8045、钢管凝土密实度检测81451、基本理论81452、管内混凝土检测技术824521、首波声时法834522、波形识别法844523、首波频率法844524、脉冲声响法84453、钢管混凝土识别854531、钢管混凝土中的士传播特性854532、混凝土缺陷类型识别85钢管混凝土桥梁建造监测监控模拟系统设计及实验说明书113工程中在钢管混凝土拱桥建造过程中，首先是钢管拱的吊装过程监测监控，包括塔架承载能力、塔顶偏移量、索子垂度、钢管拱轴线、标高及线型等，扣锁及地锚承载能力，保证钢管拱顺利合拢，钢管拱合拢之后，是钢管混凝土灌注，钢管拱的密实度检测。该监测监控模拟仿真系统将此类桥梁建造整个试验过程，3关键字监测监控塔扣合一模拟32、概述33、下沉式钢管混凝土模型设计733、下部结构与构造2134、吊装系统26341、概况264、模型上所开展的实验4341、应变测量4342、拱肋线形监测与控制50421、线形测量5043、扣索索力监测5944、城桥静动载试验6545、钢管凝土密实度检测751、摘要工程中在钢管混凝土拱桥建造过程中，首先是钢管拱的吊装过程监测监控，包括塔架承载能力、塔顶偏移量、索子垂度、钢管拱轴线、标高及线型等，扣锁及地锚承载能力，保证钢管拱顺利合拢，钢管拱合拢之后，是钢管混凝土灌注，钢管拱的密实度检测。该监测监控模拟仿真系统将此类桥梁建造整个试验过程，通过简化，采用模拟仿真的形式搬进课堂，便可以开出多种综合型及研究型的实验。应用模拟系统软件，可以进行桥梁建造过程的模拟、钢管拱吊装过程的应力模拟、塔架位移模拟、混凝土灌注过程的模拟、成桥试验的模拟、自爬吊篮的模拟等。可以演示监测监控的全过程,安装到每一部分时的各部位的应力情况。由于监测监控关系到工程建设项目的成败，所以，对保证工程质量有重大意义。关键字监测监控塔扣合一模拟2、概述21、系统的总体布局桥梁建造过程中监测监控模拟系统简称“监控模拟系统”。本系统由塔架扣架合为一体的塔架系、钢管混凝土主拱、桥面系、吊杆系、动力及加载系统、传感器系统、探伤系统、高低温超微应变测量系统、水路两用自爬式桥梁探测吊蓝等组成。该模拟系统中的实验平台中承式钢管混凝土拱桥模型全长15米，桥面宽30CM，净长为105米。根据查新报告，目前尚无同类系统的研究。其示意图见图11。图11系统的总体布局该桥主拱采用双肋变截面桁架无铰拱，拱轴线是以悬链线为基础的三次样条曲线，矢高021M米，矢跨比1/5，分5段制作安装，每段焊接而成。拱肋吊杆为9对，4钢筋固定。吊杆间的间距为0125米，桥面为厚1MM的钢板搁在由10MM20MM型钢焊接而成的骨架上。钢管拱的加工制作采用一次加工成形的办法（钢管拱采用不锈钢管制作）缆索吊装系统主索系上、下两组4MM钢筋构成，跨度为13米，三跨布置。全桥安装工程均由缆索吊装完成，采用缆索吊装系统和斜拉扣定塔架扣架一体化技术施工，其塔架为缆索吊装系统和斜拉扣定系统共同使用，这是本系统施工的一个重要特色。采用简易挂蓝与猴子爬竿法拼装。斜拉扣索系统的扣索采用84MM钢筋与微调锁紧与张拉装置，通过张拉扣索即可实现拱轴线标高的调控。稳定缆风系统系84MM钢筋构成纵桥向稳定缆风、84MM钢筋构成塔架横桥的稳定缆风。塔架扣架一体化后，采用可调试稳定风缆控制塔顶水平位移十分理想，安装过程中出现的最大塔顶位移在可控制范围之内本桥采用4MM钢筋作钢管拱的横向稳定缆风。本系统所模拟的大桥安装过程属于风险较大、技术含量较高的施工体系，因此在实际施工中必须配备监测监控等技术力量以确保大桥的施工安全和施工质量。桥梁监测监控模拟系统主要对缆索扣索系统在施工状态下的索力、塔架在施工状态下控制截面的应力、温度及风力等环境因素对施工体系的影响、拱轴线形控制、钢管拱肋及管内混凝土在各控制截面处的、钢管混凝土密实度、各关键受力部位的有限元计算分析等项目进行了监测监控。本桥的索力测试采用了国内最先进的频谱分析技术及传感器测量技术，速度快、精度高。根据扣索的安装特点，在数据处理方面采用专业技术软件对其进行分析计算。计算出每根扣索的索力和安全储备。索力的测量快速准确，为现场施工随时提供可靠的索力数据以确保施工的安全。该桥钢管运用了经济可靠的塔扣合一吊装技术，悬链线钢管拱线形及采用了应变长期监测规及应力自校仪进行监测监控模拟实验。钢管拱、塔架的应力均采用传感器及动静态应变仪进行测量，所得数据采用专用软件进行分析处理、计算、出表图。由于拱轴线的调整每次均使用神经网络作过拟合和预控处理等科学计算，将安装偏差控制在最小范围之内，因此完全保证了全拱合拢后的线形控制在设计允许范围内。大跨度钢管混凝土拱桥缆索吊装塔架扣架一体化施工技术研究是以拱桥修建缆索吊装斜拉扣定法为基础，结合本桥施工特点研究采用的一项切实可行的优化施工方案，该方案合理地利用了塔架自身刚度，节省了设备投入，既经济又科学合理。该施工技术标志着我国大跨高塔缆索吊装施工技术又有新的提高与发展，为同类型桥梁的施工提供了有益的经验。该技术不仅在保证该桥主拱安全顺利合拢方面发挥了重要作用，同时也为我国钢管混凝土拱桥的发展做出了一定的贡献。22、系统的应用前景展望本模拟系统结构新颖，测试手段先进,所研制开发的传感器、测试仪器先进。索力的测量，采用了先进的频谱分析技术，其速度快，精度高。运用本装置可以开出几十个综合、设计、研究型实验。在该装置上可以培养出熟练的监测监控人员，是一件科技含量高且比较实用的创新产品。在本系统上可以整个桥梁的建造过程模拟仿真，可以为学生的桥梁实习提供一个实习基地。应用模拟系统软件，可以进行桥梁建造过程的模拟、钢管拱吊装过程的应力模拟、塔架位移模拟、混凝土灌注过程的模拟、成桥试验的模拟、自爬吊篮的模拟等。可以演示监测监控的全过程,安装到每一部分时的各部位的应力情况。各部位的安装次序。应用硬件，可以让学生自己动手进行各个环节的实际操作，可以在比较短的时间完成整个桥梁的安装过程。本系统可以在高校（桥梁研究单位、桥梁施工单位）的桥梁模拟实验中进行应用，以提高学生的动手能力（桥梁研究单位的科研水平、桥梁施工单位的安全施工的可靠性）。3、下沉式钢管混凝土模型设计31、塔架/扣架311、设计方案的提出大跨度钢管混凝土拱桥的建设，目前主要采用缆索吊装斜拉扣定施工法。随着拱桥结构跨径的增大主拱截面几何尺寸变大，缆索吊装的重量相应增力口；同时，大跨度拱桥主拱矢高一般较大，主拱的吊装高度亦很高尤其是中承式和下承式拱桥。因此，对于缆索系统包括主索塔架和扣索系统包括扣索塔架的强度、刚度及稳定性的要求越来越高。为了增加大桥合拢前期主拱拱肋节段的稳定性和拱轴线形调控的方便，确保整个主拱吊装过程中的安全性，工程施工中通常将主索塔架简称”塔架”和扣索塔架简称”扣架”分开布置，使缆索系统与扣索系统独立工作。显然，构造功能基本相同的二组塔架结构，无形中大大增加了设备的投入和工程量，力口大了工程造价，了施工周期。有时还往往受到地形条件的限制，使塔架难于布置或无法布置。将塔架、扣架结构合二为一，作整体性结构设计简称”吊装塔”，具有极大的现实意义。塔架扣架一体化设计，正是为了解决上述弊端而提出的科学可行、经济合理的施工方案。312、塔架扣架一体化设计相关技术吊装塔是钢管拱吊拼施工的主体结构。塔架主要承受自身重量、索拉力主索、扣索及风缆、风载等荷载，其强度与稳定性是否满足设计要求，关系到大桥钢管拱吊拼的施工安全，同时其刚度对主拱线形也有一定的影响。根据群益大桥主拱设计设计原形及施工现场地形特征，设置一高约45厘米的吊装塔，两塔相距130CM，上端可通过风缆调控塔顶位移。主索设置上下两组，其中心间距为20CM；每组主索由4MM的钢筋构成，最大设计吊重量为05T。大桥吊装施工体系见图44。大桥吊装施工体系见图44313、塔架扣架塔强度分析吊装塔采用仿万能杆件拼装成单门柱式桁架结构。两塔柱中心距设计为285CM。为了加强横向连接，提高侧向稳定性，沿塔柱方向每隔225M设置一横系梁。利用有限单元法对吊装塔进行静力分析。整个塔架上端自由、下端与基础固定，采用杆单元离散。吊装塔最大压力应力均发生在塔架立柱根部。对于这部分荷载而言，塔架结构是安全的。但还应考虑到风载、塔架横向弯曲及其它因素的影响。314、塔架扣架塔稳定性分析对于塔架这类高耸建筑物，在强度条件满足时，稳定性分析也十分重要。塔架可视为下端固支，上端铰接，长度系数为07。取吊装塔横截面A对中性轴Y的惯性矩IY，塔高H，则其回转半径R为R22AIY长细比为23RH稳定系数约为091315、塔架扣架塔应力监测扣索拉力和主索系统对塔架的作用力均可通过理论计算和实验测量获得。通过南、北塔架立柱根部（内侧为A1、A2、A3和A4，外侧为B1、B2、B3和B4）的应变传感器，监测塔架应力，以反应塔架的受力情况。塔架下端与基础固接，而上端可产生较大的横向位移，故整个塔架易发生弯、压组合变形，其根部应力可表示为（24）ANWYPH式中，N，P分别为轴向力和水平横向力，WY为抗弯截面模量。钢管拱在吊装前进行试吊，由此可分析出立柱由轴向力引起的压应力约为70MPA，由横向弯矩引起的最大压应力值约为140MPA。在不考虑斜杆承载的情况下（各斜杆受力均较小），可计算出塔架由于这部分荷载所承受的轴向压力，横向弯矩。即塔顶所承受的横向水平力。由分析可知，尽管水平力远远小于轴压力，但由横向水平力引起的弯曲应力在总的应力值中占有较大的份额。这是塔架结构设计中应该注重的问题之一。因此，在吊装过程中，应适时地调整风缆索，控制好塔顶水平位移，避免塔架根部应力过大而屈服破坏。316、塔架/扣架塔顶位移控制由于塔架、扣架一体化设计，增加了吊装塔监控的必要性和难度。塔顶在水平力的作用下将产生较大的横向位移。一方面，水平力使塔架结构发生横向弯曲，在塔架根部产生相应的弯曲应力；另一方面，扣索、风缆和主索系统沿塔架轴向的作用力和塔架的自重又进一步加大了塔架的横向弯曲变形，在塔架根部产生附加的弯曲应力，使结构趋于不稳定。对该吊装塔架而言，水平力P使塔架横向弯曲变形时，轴向力N和塔架自重W共同对塔架根部的作用，约为产生相应弯曲变形的横向水平力P的一半，即相当于15P的横向水平力对塔架根部产生的弯曲应力。在扣索、风缆和主索等的最大组合荷载作用下；考虑到塔架稳定性，塔顶的允许水平位移。所以，在钢管拱的吊装过程中，为避免塔顶的水平位移过大，必须对塔顶位移跟踪观测，实时调整风缆，将水平位移控制在允许值以内。32、主桥上部结构与构造321、主桥拱肋设计拱肋是拱桥的主要承受载荷结构，因而主拱圈的截面形式，拱轴线的线型，以及拱的材料的选取非常关键。本模型采用四肢式变截面钢管混凝土格构柱结构，主拱拱轴线是以悬链线为基础的三次样条曲线，每片肋拱由422MM的钢管用缀板缀条焊接而成。钢管混凝土作为一种新的组合材料，由于其力学性能非常适合拱式体系的桥梁，所以得到了广泛的应用和迅猛发展。3211、合理拱轴线的选定在拱桥设计中,合理拱轴线的确定直接影响主拱截面内力的分布与大小。所谓合理轴线，就是当拱的轴线与压力线完全重合时，各截面的弯矩和剪力都为零，只有轴力，各截面上产生均匀分布的正应力，材料能得到充分利用，从力学的观点来看，这是最经济，合理的。因此在某种固定荷载作用下，拱的所有截面的弯矩都为零的轴线目前拱桥常用的拱轴线型有圆弧线、抛物线和,以及高次抛物线等。本中承式钢管混凝土拱桥的拱轴线采用的是悬链线三次样条曲线。32111、三次样条插值数学函数设在节点AX05；安全系数。4/MAX2GN式中P起钢丝的破坏力；主索的极限拉断应力。G344123、牵引索计算（1）拉力计算拉力计算时应考虑各滑轮的摩擦力以及各轮之间拉力等因素。总牵引务WW1W2W3式中W1跑车运动阻力，COSSIN1QW由下式计算/COS/2/LGHXTGXW2器重索运行阻力，W2T起（1M）T起器重索的拉力；KQNTM/21或起其中Q起吊总重；N滑轮组上器重索工作线数；1滑传输线组效率，取096；2转向滑轮效率，取096；M滑轮组轮数；转向滑轮轮数；K具有不同转轮数的各种轮轴工作系数；器重索所穿过滑车的效率。W3后牵引索的自然张力，,8/213FXQW其中Q1牵引索单位长度重量；X1后牵引索的跨度；F后引索的跨中垂度。一般情况下牵引索拉力可用下式近似计算LFTGQW/4,150SIN牵引索的最大拉力21NQ引LT式中N牵引索穿过的滑车数量（2）牵引索应力，要求安全系数/MAXDDEFTK引；安全系数。5/MAX1TP起4MAX2GN344124、结索计算结索用于悬挂分索器，使主索、起重索、牵引索不致互相干扰。它仅承受分索器重力及自重。结索挠度应等于或小于主索案卷挠度，还应小于牵引索最大挠度。结索水平拉力为8/2FLGHM式中GM包括分索器和结索的自重力。/AXDDEFTK要求安全系数N14；安全系数N22。344125、缆风索力计算（1）外侧风缆作用在柱头的纵向力（见“路桥计算手册”）主索水平反力RH；风力P1；结索作用在柱头拉力P2；起重索作用在柱头拉力P3；牵引索作用在柱头拉力P4；综上所述，作用在柱头总纵向力为PRHP1P2P3P4外侧风缆共两根，每根风缆拉力为COS/1APT式中A缆风绳在水平面上的投影与主索的夹角；缆风绳与水平面的夹角。安装时（即当缆风绳未随风力时）维持风缆挠度在15L，即015COS8/HGLF安装拉力为CS/22LT从而得外侧缆风索总拉力TT1T2安全系数NP总/T3，其中，P总为总破坏力。（2）内侧风缆作用在柱头横向力风力作用在柱头横向力由两个风缆承担COS/1/1APT式中作用在柱头的横向力。内侧风缆安装拉力与外侧风缆相同，即2T内侧缆风索总拉力为21安全系数3/TPN总内侧缆风索安装挠度COS8/2GLF344126、支柱基础反力（1）支柱自重G；（2）主索垂直反力T垂；（3）缆风索垂直分力T垂；（8）结索平衡重及牵引索平衡重W。支柱基础反力为RGR1TW344127、重力式锚碇稳定性验算重力式锚碇利用其自重来平衡拉力，一般不考虑土压力，如图43所示。图43（1）倾覆稳定性验算KMM稳/M倾14式中M稳稳定力矩，M稳PB；M倾倾覆力矩，M倾TL；T拉索拉力。（2）上拔力安全系数KVP/VT14式中P锚碇自重；VT拉索拉力T的竖直分力，VTTSINA；（3）抗滑稳定性验算KHHF/HT14式中HF基底摩阻力，（PVT）F；F锚碇与基底的摩擦系数；HT拉索拉力T的水平分力，HTTCOSA。344123、缆索设备检查及检查方法缆索设备虽不属于永久工程，但其质量的好坏直接影响着工程的进展及工程和工程人员的安全，因此在施工中应对以下内容做严格的检查。1地锚试拉一般情况下每一类地锚取一个进行试拉。缆风索的土质地锚要求位移小，应全部做试拉，通过试拉可以预先完成一部分位移；可考虑其是否适用。试拉方法一般为地锚相互试拉，受拉值为设计荷载的1315倍。2索扣试拉扣索是悬挂拱肋的主要设备，因此必须通过试拉来确保其可靠性。其试拉方法是可将两岸的扣索用卸甲连接起来，收紧收紧索进行对拉。这样可全面检查扣索、扣索收紧索、扣索地锚及动力装置等是否满足要求。3主索系统试吊主索系统试吊分跑车空载反复运转、静载试吊和吊重运行三步骤。每一步骤试吊完成后，确定无异常现象才能进行下一个步骤。试吊重物可以为构件、钢筋混凝土预制件等，试吊载重运行可分几次完成，吊重一般为设计荷载的60、100、130。在每一步试吊中，应连续不间断地观测塔架位移、主索垂度、主索受力的均匀程度；动力装置工作状态、牵引索、起重索在各转向轮上运转情况；主索地锚稳固情况及检查通讯、指挥系统的通畅性能和各作业之间的协调情况。试吊后须综合各种观测数据和现场检查结果，对设备的技术状况进行分析、鉴定，提出切实可行的改进措施，对能否调装做结论。3442、吊施工观测34421、主索垂度观测观测方式（1）用水平仪或水准仪在索塔塔身上对主索进行观测；（2）用经纬仪测仰角来计算；（3）跑车上吊绳直接测量。主要目的通过对垂度的测量来计算主索拉力。34422、塔顶及锚碇位移观测观测方式（1）对塔架不高、风力较小的索塔，可在其塔顶上下游端头各挂一重量为大于5的垂球；（2）塔架较高、风力较大时，在塔顶上、下游端头设固定标尺，用经纬仪在固事实上点进行观测；（3）锚碇可在上、下游侧布置固定观测点，用经纬仪观测。主要目的通过对其位移观测来判断安全性。34423、拱肋中线观测观测方法（1）当桥墩（台）顶面标高高于接头标高进，将经纬仪架设在拱肋中线方向上，直接观测拱肋上的中线标志；（2）当经纬仪架设在拱肋中线方向上不能通视，可将经纬仪架设于两肋之间，在每条拱肋接头处垂直拱肋安放一水平标尺。主要目的通过观测了解拱肋是否在平面位置上安装到位。34424、拱肋高程观测观测方式（1）在观测处设置垂直标尺，在两岸相应高程设置水平仪观测台，若两岸没合适的地势，则可搭设塔架观测，观测距离不应大于150M；（2）在桥墩上观测接头下面挂的水准尺；（3）将水准仪架设在桥墩、台主墙顶面上，观测拱肋背上竖立的水准标尺。主要目的通过观测调整接头高程及拱轴线。3443、设置缆风时注意的问题横向缆风索，在边段拱肋安装时，可用来调整和控制拱肋中线；在拱肋合龙时可以使接头对中就位；在拱肋成拱后，可以减少拱肋自由长度，增大拱肋的横向稳定；在外力作用下对拱肋的位移产生约束。因此缆风绳的作用可见一斑，设置时需注意以下问题。1缆风索可以布置在岸上、水中或桥墩上。2缆风索应成对称布置，且上、下游缆风索的长度相差不宜，过大。缆风索与拱肋轴线夹角宜大于450；与地平面夹角宜为300，距离宜小于100M。3用以缆风绳的地锚应牢固可靠，为防止地锚受力后的位移，应采取预先试拉。对固定在桥墩台上的缆风索须进行计算，不能对墩台造成不利因素。4根据缆风索受力大小可采用单线钢丝绳，也可采用滑轮组，在初始收紧缆风索时可用卷扬机，做拱肋调整时宜用链子滑车进行。5缆风绳在收紧、放松时应在测量观测下统一指挥进行，随拱肋接头高程的升降而放、收。6对于拱肋为整段吊装或两段吊装的中小跨径双曲拱桥，每孔至少应有一根基肋设置固定的缆风索，分3段或5段吊装的大跨径拱桥，每孔至少有两根基肋在接头附近设置稳定的缆风风索。7在每孔拱肋全部合龙、横系梁或横隔板达到一定强度后，方可拆除缆风索。3444、拱肋合拢后，松索过程中必须注意事项1松索前应校正拱轴线位置及各节头高程，使之符合要求。2每次松索均应采用仪器观测，控制各接头高程，防止拱肋各接头高程发生非对称变形而导致拱肋失稳或开裂。3松索应按照拱脚段扣索、次段扣索、起重索的先后顺序进行，并按比例定长、对称，均松卸。4每次松索量宜小，各接头高程变化不宜超过LCM。松索至扣索和起重索基本不受力时，宜用钢板嵌塞接头缝隙，再将扣索和起重索放松到不受力，压紧接头缝，拧紧接头螺栓，同时用风缆调整拱肋轴线。调整拱肋轴线时，除应观测各接头高程外，还应兼测拱肋及18跨点处高程，使其在允许偏差之内。5接头处部件电焊后，方可松索成拱。4、模型上所开展的实验41、应变测量411、实验分析应变测量，就是利用实验手段直接获取结构某些部位的变形信号。通过科学分析，从而对结构的受力状态作出较客观的评价。从目前国内外实验应力分析技术动态看，应变测量的方法很多，主要取决于传感元件。适用于表面变形测量的有外夹式变形测量、应变片粘贴、脆性涂层等；适用于现场内埋实测的混凝土应变传感器有应变式传感器、钢弦式传感器、压电晶体传感器、内埋光纤等；此外，对于钢筋混凝土结构还可通过测量钢筋的应变来反应混凝土应变。在实际应用中，要根据被测结构物和测量要求，综合考虑，合理选择测量方法。利用电阻应变测量技术可测量事物表面的应变，且具有很高的测量精度。由于它在测量的过程时输出的是电信号，因此易于实现测量数字化。其测量基本原理如下；电阻应变测量系统由电阻应变传感器、电阻应变仪及记录器三部分组成。其中电阻应变片可将构件的应变转换为电阻变化，电阻应变仪将此电阻变化转换为电压（电流）的变化，并进行放大，然后记录器记录下来，并换成应变数值。412、传感器的选择与防护在工程实际应用中，传感器的选择既要考虑传感器的测量量程、测量精度、零点漂移、温度漂移、综合误差、价格等，又要全面考虑被测物的结构特点现场安装、使用期限、防护、测点数量等诸多因素。基于实验室所用的桥梁建造及检测模拟系统对传感器要求精度高、能反复使用、便于拆装等具体情况。因此，实验平台的钢管拱、桥面等位置采用单向拉压传感器；塔架底部采用双梁及S型传感器；吊杆部分安装多孔应力集中圆环传感器；同时，可机动使用夹式引申计用于其它位置应力的测量。此外，测量仪器设备的稳定性、导线的可靠性（要求导线有一定的防水、耐寒耐高温能力，有一定的张拉强度，有较好的抗干扰屏蔽作用）、传感器的安装与防护等都十分重要，每个步骤对监测监控的成功都十分重要，必需依照严格的科学依据和工作经验进行。413、灵敏系数和温度补偿用应变片灵敏系数来表示应变片电阻变化与被测应变的关系。当被测点为一维应力状态时，称应变片电阻变化率与被测点的应变之比为应变片灵敏系数。测量时，应尽量使应变片的灵敏系数与应变仪的灵敏系数一致。如无法保持一致，应按有关理论公式进行修正。进行温度补偿的措施是在布点出沿正应力方向埋设应变砖作为工作片，将其与应变仪的一个桥臂连接。按应变电测原理，当其与被测点同步变形时，引起应变片中敏感栅电阻的电阻值变化，由电桥测量出其电阻值的改变，从而反映出该点应变的大小。当被测点发生温度改变，也会引起应变片阻值的变化，影响测量精度。为消除其影响，在布控点除埋设工作片外，在与最大主应力方向垂直的方向上，另埋设温度补偿片，将其与被测点放置在同一温度环境中且不受机械荷即可。将工作片与补偿片分别接在应变仪的两个桥臂上，引起的温度变形能彻底消除，从而仅剩下机械荷载引起的变形量（与机械应力成正比）。414、导线电阻值修正对于桥梁监测监控，被测点与应变仪需要长导线相接，从而使应变片与导线电阻串联接入桥臂。然而导线电阻不随应变变化，使桥臂阻值相对变化减小，应变仪显示的应变减小，为此需考虑对应变仪灵敏系数的修正。设应变片的电阻为R，导线电阻为R1，修正前、后的灵敏系数分别为K、K1，则可按公式11K进行修正。有时亦可用相应增长补偿片导线长度进行补偿。415、高低温长期应变监测规4151、技术领域本高低温长期应变监测规适应于各种构件的应变长期测量。适应于桥梁在建造过程中的监测监控，桥梁的成桥检测。构件的荷载试验及产品的检验等。4152、技术背景目前，成桥试验中，桥梁部件应力测试通常采用电测法。其中电阻应变片由敏感栅、基底和覆盖层、粘结剂、引线四部分组成。按应变片敏感栅的材料来分，可把应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片。按形式分，可分为直角，45度，60度应变花。按温度来分可分为高温（300度以上）、中温（60300度）、常温（3060度）和低温（30度以下）。由于应变片单价比较便宜，在短期测量时方便可靠，所以在电测中应用广泛。在桥梁的监测监控过程中使用的应变片通常为常温应变片（也有使用内置、外置钢弦，千分表装置及传感器等。这些单价均比较贵）。桥梁的建造时间一般都比较长，此时再用应变片监测监控，其测量精度就会受到很大影响。而且应变片的使用为一次性的。为解决桥梁建造过程长期应变监测监控问题，我们设计了高低温长期应变监测规，以满足桥梁的建造过程中的应变长期监测监控的问题。本高低温长期应变监测规可重复安装使用，成本低，使用方便，测试数据可靠，使用面宽（高温、中温、常温、低温均可使用）。可广泛应用于桥梁的监测监控及桥梁的成桥检测、建筑构件的应变测试等。对于各种材料及高低温构件，同样可进行构件应变的测量。4153、主要功能本监测规所要解决的问题是设计制做高低温长期应变监测规，以解决用应变片电测法目前尚未解决的应变长期监测监控的问题。本高低温长期应变监测规可重复安装使用，成本低，使用方便，测试数据可靠，使用面宽（高温、中温、常温、低温均可使用。）。可广泛应用于桥梁的成桥检测、构件的应变测试等。对于各种材料及高温构件，同样可进行构件应变的测量。技术方案是高低温长期应变监测规由接触螺钉22、44、锁紧螺母23、43、支撑套24、41、位置调节杆25、42、十字螺钉26、40、刀口支架27、39、沉头螺钉3、15、45、47、垫圈1、5、10、12、14、16、19、21、29、31、34、36、基零刀口6、8、测量刀口28、38、夹式引伸计33及标准刀口安装板7所组成。使用方法为首先以刀口安装基准块46的厚度为基准，在标准刀口安装板7及刀口支架27、39上分别安装基零刀口6、8及测量刀口28、38。其次以基零刀口6、8为基准安装夹式引伸计33，将其信号输出线接入静态电阻应变仪并调零。卸下夹式引伸计33，并将其安装在测量刀口28、38上，构件受载时测量其应变值。最后其应变乘以每一个应变所代表的位移值即为标距范围内的伸长量，伸长量除以标距再乘以构件材料弹性摸量即为构件测点应力。高低温长期应变监测规的优点是能够在各种温度及复杂的环境下进行测量，由于夹式引伸计33可随时进行装夹，可节约测量导线，可减少环境对传感元件的影响。高低温长期应变监测规可重复安装使用，成本低，在高低温长期应变监测中使用非常方便，测试数据可靠。4154、具体实施方案见图52。首先确定构件要检测的部位，比如箱梁桥要检测部位为L/2、3L/8、L/4、及桥墩，并在这些截面下部安装上高低温长期应变监测规,以检测其应力大小。其使用方法为首先用接触螺钉22、44以200毫米长的标距安装在桥梁截面下部表面上，再分别安装支撑套24、41，使固定在支撑套24、41上的位置调节杆25、42的中心线在一个水平面上，调节杆25、42用十字螺钉26、40分别锁紧。支撑套24、41用锁紧螺母23、43分别锁紧。刀口支架27、39分别固定在位置调节杆25、42上，并用沉头螺钉3、15、45、47分别将其固定。标准刀口安装板7用螺钉9、13、17、20固定在刀口支架27上。以刀口安装基准块46为基准，在标准刀口安装板7及刀口支架27、39上，安装基零刀口6、8及测量刀口28、38。分别用螺钉2、4、11、18、30、32、35、37进行固紧。其次以基零刀口6、8为基准安装夹式引伸计33，将其信号输出线接入静态电阻应变仪并调零。卸下引伸计33，并将其安装在测量刀口28、38上，构件受载时测量其应变值。最后其应变乘以每一个应变所代表的位移值即为标距范围内的伸长量，伸长量除以标距再乘以构件材料弹性摸量即为构件测点应力。夹式引伸计静态电阻应变仪向视图向图图52高低温长期应变监测规设计图42、拱肋线形监测与控制421、线形测量大桥拱轴线线形测量仪器由日本索佳有限公司（SOKKISHACO,LTD）生产的型号为SOKKISHASET2C的全站仪及其配套装置。该仪器测距时的标准偏差为（3MM2PPMD），最大测距为3100M；角度测量时的最小显示为1（02MGON），可在2050温度范围内使用，是90年代最先进的测量仪器。测量方法主要采用交会法（前方交会法），同时配合三角测量（激光测距）相互校核。外业完成后，全部的内业工作由计算机程序处理，计算误差小。在计算机程序处理过程中，为消除系统误差和测量误差，采用盘左、盘右数值平均，且两者的偏差值不超过18，否则自动跳出。为提高测量精度，大部分采用三站交会、或四站交会测量，然后再取平均值，作为控制点的坐标值。4211、监测方法桥梁模型的线形监测工作分为拱轴线和标高控制两部分,与施工测量完全独立。根据长、桥跨及跨越的结构形式,选定平面监测网为三等独立三角网,各控制点均砌水泥观测墩并镶入强制对中基座,以消除对中误差。为保证高程精度一致性,模型两岸的水准点做到联测。网的各项精度指标测角中误差为06,三角形最大闭合差为12,最弱边精度为1/440000。图61中承式钢管混凝土拱桥模型控制网4212、钢管拱肋的线形监测为做好模型监控工作,确保大桥施工质量,每节钢管拱吊装完,监测工作开始实施,并及时上报监测数据。针对实际工作环境,为测到每段拱肋的拱轴线和标高,采用双经纬仪作前方交会,可实现桥梁施工三维监测的同步化。拱肋上的监测点,事先在法兰盘或拱背其它通视良好部位做标记。42121、拱轴线的监测图62内前方交会监测点的平面位置如图62、图63,已知点A、B的坐标为XA、YA和XB、YB,在A、B两点设站,测出水平角AA和B,按下式计算未知点P的坐标CTGBAYXCTPABA（61）TYTGBABBA若每段拱肋的Y值为一固定常数P,则表明拱轴线正确,未发生偏移。图63外前方交会监测点的平面位置42122、拱肋标高的监测测定拱肋标高的原理是三角高程测量。图64双经纬仪监测点的标高位置图64中,Q、Z控制点高程为HQHZ,P点高程为、HP,Q、Z点上经纬仪仪器高为IQIZ用游标卡尺量取,Q、Z到P点的水平距离为DQP、DZP,A、R为竖直角。根据三角高程测量原理有HPHQDTGAIQFQP62HPHZDZPTGRIZFZP63式中FQP,FZP,R6371KM,水RQP/4302RZQ/4302平距离DQP、DZP由下式求出DQP622QPQPYX4DZP22ZPZP65由62、63两式计算标高取平均值,若计算值与设计值相等,则表示拱肋标高已调整到位。4213、线形监测的精度估计42131、拱轴线监测精度估计根据前方交会精度估计公式,P点的平面位置精度MP为66SINI22BAMDABP式中M为测角中误差单位秒,206265,DAB为A、B点间的水平距离,A、B见图62、图63。42132标高监测精度估计根据式62或式63,利用误差传播定律,可得单经纬仪监测P点精度MHP为（6/TAN42222SMDMMFIH7）式中为竖直角,M为其观测误差,MH为Q点或Z点高程误差,MD为边长的测量误差,MF为球气差误差,MI为仪器高测量误差。7通常，由于在一节钢管拱吊装前，本段钢管拱焊接完毕、调整塔架位置、或调整扣索索力、温度显著变化等工况下，施工单位测量后，监测人员对前一段钢管拱进行复测或对本段钢管拱进行监测。大多数情况下，会同施工单位对本段钢管拱进行同步测量。为确保工程质量，对于个别节段数值偏差较大时，必须及时调整钢管拱（高程、轴线）。经反复调整到位后，才能进行下一节段的安装。422、线型控制4221扣索伸长量与拱肋位移由于钢绞线具有承载力大，延伸量小，变形稳定等优点，适宜作斜拉索，以减小张拉过程中扣索的不稳定非弹性变形。为满足成桥后拱轴线的设计线形，事先要计算出裸拱线形（预拱轴线），再根据钢管拱吊装施工程序确定出裸拱线形基础之上的拱肋施工预抬高值。无论是一次扣索张拉法，还是扣索动态调整技术，都有必要确定扣索伸长量与拱助几何位移之间的相互关系。考虑到扣索/钢管拱系统整体结构的几何尺寸与钢管拱肋绕拱脚O（0,0）点微小转动的相对大小，在确定扣索伸长量与拱肋位移之间的关系时可作一些近似处理。相对扣索而言，静平衡状态下的钢管拱肋可视为刚体转动。扣索一端与钢管拱铰接于点A（X,Y），另一端跨过塔架顶部滑轮，与后锚固接。设扣索总长度为L，与水平线的夹角为；AO连线为R，与水平线的夹角为（如图65所示），则图65钢管拱位移简图（68）COSRXSINRY当钢管拱肋绕O点转动产生一微小角位移时有（69）SINRXCOSRY那么扣索伸长量与A点沿Y方向（标高）的刚体位移满足Y（6YCOSI10）利用式（310），一方面可计算出由于扣索伸长（如外力作用、温度变化等），拱肋绕O点转动时A点沿标高方向产生的位移及其对预拱度的影响；另一方面可计算出给定拱肋预拱度下各扣索的实际张拉调整量。若第I节段钢管拱肋已吊装就绪，设其扣索总长度为，与钢IL管拱铰接点的坐标为（），与水平线的夹角为；该点与O点IYX,I的连线为，与水平线的夹角为；第I节段钢管拱肋自重为，重IRIIW心坐标为（）。当第K节段钢管拱肋吊装安装后，第I、K节CIYX,段扣索的增加伸长量分别为和，且有（当IK）。那么IK0IK有（611）KIJIILEAF式中，为第I根扣索的内力，EA为扣索的抗拉刚度。I当第1节段钢管拱吊装后有（612）1111COSSINCXWYXLEA令为力臂，式（612）可写成IIIIID（612）11CXL当第2节段钢管拱吊装后有（613）221CXWDLEAD同理，当第N节段钢管拱吊装后有（614）CNNXDLEADLD21LN由式（612）、（613）和（614）可写成（615）CNCNNXWMXDDLLOLEA212121L2110由式（68）和（69）有（616）KIKIXY由式（610）和（616）可得IIIIXCOSN（617）KIIIK式中，为第K次钢管拱肋绕O点转动产生的微小角位移。K利用式（615）、（616）和（617），可依次求得每次钢管拱绕O点转动时间生的微小角位移，进而由式（6,21NI11）可求得各扣索的内力。IF式（616）表明，钢管拱肋绕O点转动产生微小角位移时，其上控制点沿Y方向的刚体位移与该点的横坐标X成正比。由此可计算出各点的施工预抬高量，同时可用于钢管拱肋标高的监测监控。4222、扣索动态调整法在钢管拱肋吊装的现行程序中，一般先计算出裸拱线形基础之上的拱肋施工预抬高值（施工预拱度），然后逐段起吊，空中拼装焊接。随着吊装施工的进行，钢管拱不断延伸，拱肋重量逐渐增加，各扣索内力随之增大，钢管拱肋的几何中心线亦逐步向裸拱轴线逼近。在理想状况下，钢管拱合拢时恰好落在裸拱线形上。该施工方法习惯上称为一次张拉法，其特点是操作简单、一次张拉成型。然而，随着钢管混凝土拱桥设计跨度的增大，一次张拉法存在着一些不可克服的弊端1）钢管拱肋的施工预抬值是无法精确计算的。其主要是受钢管拱肋结构的弹性变形、大型塔架的弹性变形、扣索（钢绞线）弹性模量的变化、扣索温差热膨胀等诸多因素的影响，致使裸拱圈最终不能满足设计线形。工程施工中如果过分地依赖其计算预抬值，可能会导致主拱合拢的困难。2）随着钢管拱拼装的延续，如果扣索是不可调的，先期安装的扣索，其内力总是不断地增加而偏大，使得各扣索内力分配不合理，那么相应地锚（特别是重力式地锚）和塔架的投入会过大，造成人力和财力资源的浪费。为了使得主拱满足设计线形，最可行的方案是反复调整扣索扣索动态调整。通过现场适时张拉扣索，重新合理分配各扣索的内力，使各控制点的标高以某种方式逼近设计拱轴线，以其获得满意的拱肋内力、扣索内力和拱轴线形。扣索动态调整是通过理论分析和现场测试来实现的。其主要内容涉及到钢管拱和塔架的应变控制、扣索的内力控制和钢管拱助的标高控制。利用扣索动态调整技术，可以使扣索内力较合理的分布和控制拱肋标高。实际施工过程中，单肋钢管拱是分5节段吊装完成的。如果每次吊装后都对扣索进行调整（特别是后期对多组扣索进行同步调整），其工作量是很大的。若将一次张拉法与扣索动态调整技术结合起来，即分阶段调整扣索。每3至4段钢管拱分为一组，安装前利用式（69）至式（617）计算出钢管裸拱线形基础之上的施工预抬值，初步安装就位（在节段不多的情况下，可保证结果的可靠性）；然后再对各扣索做一次动态调整。从某一吊装阶段来看是一次张拉，而从整个施工过程来看是扣索动态调整。这种扣索动态调整方法既实用、又可行，具有工程实际意义。43、扣索索力监测目前,大跨度钢管混凝土拱桥的建设主要是缆索吊装，斜拉扣定施工法。随着拱桥结构设计跨径的增大,缆索系统的吊装重量不断增加。在钢管拱桥的吊装过程中,较准确地测量出扣索的拉力,保证桥梁设计线型和减小肋拱内力是非常关键的。目前,国内外常用的测量方法有油压千斤顶法、钢索周期仪法和频谱分析法。本模型采用频率法测扣索内力。431、基本原理斜拉索索力的测量有直接法与间接法两种,频率法测量索力是间接法的一种,原理如图81所示。频率法测量索力过程包含三项内容测量索结构的自振频率被测量索力的索结构索力频率关系即TT曲线的拟合把实测放入TT中,得F到实测索力11。图81频率法测量索力的原理匀质绳索在拉力TT为常量作用下作微幅自由振动,其横向位移为YX,T。取位于绳索X处的微段DX为研究对象,受力分析见图82,其运动微分方程为图82绳索微单元受力分析（81）22TYXYAQT利用关系式和MEI,绳索自由振动的偏微方程为XQ2XY（82）242TYXYXYAEIT式中M,Q分别为绳索的弯矩和剪力EI,QA分别为绳索的弯曲刚度和单位长度的质量对于两端铰支、长为L的绳索,第R阶固有频率为（83）32,1422，RAEILRT对应的拉力（84）22LREIRT当绳索弯曲刚度为零EI0或其弯曲刚度远小于索长的平方时,式83退化为弦自由振动的固有频率（822ATLR5）相应的张力（82RALT6）式85表明,绳索弯曲刚度为零时,相邻模态的固有频率之差为一常数,即第R阶固有频率恰好是第一阶固有频率的R倍。事实上,由于绳索弯曲刚度的影响,其各阶固有频率将比相应的弦结构有不同程度的提高8工程实践表明，频率法具有快速准确、使用方便之优点。其频率法测试索力流程图如图83所示。图83频率法测试索力流程图432、扣索内办测量中的有关问题4321、激励方式的选取扣索固有频率的识别方法依赖于激励方式，实际工程问题应视现场环境而定。（1）钢管拱肋在吊装过程中，扣索主要受自然风的干扰而振动。这类不易被测量的环境激励有时可视为随机激励，则其响应亦是随机的。利用随机减量技术，可提取系统在初始位移激励下的自由响应，从而用时域法识别出扣索的固有频率。（2）当随机环境激励力在一定的频带内可简化为白噪声时，输入的互功率谱为一常数，通过响应的自功率谱可直接识别出扣索的固有频率。（3）当环境激励力比较小时，为了提高系统响应信号的信噪比，应施予人工激励。脉冲激励法（锤击法）具有试验仪器简单、激励方式灵活、无附加质量、信号频率范围宽、便于现场实施等一系列优点。特别是在低频段，脉冲激励对各频率注入的能量基本相等，能有效地激出扣索各低阶模态，且勿须对激励信号进行处理。4322、传感器安装位置的确定传感器的位置既要避开低阶模态的节点、保证测试信号的可靠，又要使得传感器装卸方便。由于施工现场的限制，一般总是选在靠近扣索的某一固定端。因而会出现第1、2阶固有频率识别不好，或者各阶固有频率变化的规律被破坏。只要将传感器稍远离扣索固定端、并适当提高信噪比即可解决之。4323、弯曲刚度的影响实际结构中扣索的长度是不同的。当扣索不太长时，弯曲刚度对高阶模态的影响较大。为了消除弯曲刚度（尤其是钢绞线）对索力的影响，将代入式（84）KKF2（87）2241LEIFALTK如果选取被测扣索的第1阶和第2阶固有频率来识别索力，那么有（88）22146ALFT如果选取被测扣索的第2阶和第3阶固有频率来识别索力，那么有（89）23241806ALFFT同理，可导出适用于更高阶扣索固有频率求解索力的表达式。4324、附加质量的影响扣索一般较长，其低阶固有频率较低，宜采用高灵敏的低频传感器拾取振动信号，因而附加质量（传感器和夹头）随之增加，从而又影响了索力的识别精度。大多