施工监控技术在四角田特大桥施工过程中的应用

1、施工监控技术在四角田特大桥施工过程中的应用李富春 （陕西咸阳 中铁七局三公司 712000）摘 要：本文介绍了施工监控技术在四角田特大桥施工中的应用,阐明了施工监控技术在悬臂浇注桥梁施工中的作用,在该文中,作者以四角田特大桥施工为例,通过监控体系的建立,有限元模型的仿真分析,自适应控制方法的运用,以及施工监控对桥梁施工中应力和线形的作用,充分说明了桥梁监控技术在桥梁施工过程中的重要性。关键词：有限元模型；悬臂施工；仿真分析；自适应控制；施工监控；监控体系1工程概况四角田特大桥是国家重点建设项目沪瑞国道主干线贵州境镇宁至胜境关高速公路第25合同段跨越山谷的双线整体式悬臂浇注桥梁之一。左幅桥长30

2、5.9m，右幅桥梁长389.58m。左右幅分离。四角田特大桥主桥上部结构为(70m+120m+70m)变高度变截面预应力混凝土箱梁，箱梁横截面采用单箱单室，中支点（主墩）处梁高700cm，跨中合拢段及边跨直线段梁高260cm，梁底下缘线形采用圆曲线。悬臂浇注共14个节段， 施工顺序为悬臂浇筑边跨合龙中跨合龙。大桥主桥立面布置见图1。 图1四角田特大桥主桥面布置图（单位：cm）2主桥施工监控2.1 施工控制方法桥梁悬臂梁的施工控制是一个施工量测识别修正预告施工的循环过程2。采用自适应控制系统来进行桥梁的施工控制，用基于最小二乘法的参数复核识别算法进行参数估计，用带残差修正的灰色预测模型进行参数预

3、测，再反馈到施工控制计算中，重新进行下一阶段的合理状态分析，使实际成桥线形与理想成桥线形相接近。施工控制分析流程如图2所示： 图2 自适应控制分析流程2.2有限元的计算桥梁施工控制的首要工作就是对桥梁的应力、变形等进行理论计算，得出桥梁结构施工过程中每个阶段的受力和变形的理想状态，以保证桥梁施工工艺的科学性。本次计算实际共划分为26个施工阶段和1个运营阶段，在施工过程中不允许大范围变动施工工序及方法。四角田特大桥主桥的施工过程仿真计算采用平面杆系有限元分析软件进行分析，该模型共有61个节点，60个梁单元（仿真计算模型见图3），计算过程考虑了混凝土的收缩徐变、预应力、温度变化以及支座沉降的影响，

4、完善了对结构的仿真分析。计算方法采用正装分析法和倒装分析法交替使用，直到计算成桥状态与设计成桥状态闭合为止。各施工阶段分3种工况进行施工分析，即挂篮移动、浇注混凝土、张拉，主要是对各施工阶段工况下的相应截面的应力、位移进行分析，通过对各截面的应力计算值和实测值进行比较，作为监测的依据，以保证下一阶段顺利、安全施工。图3 仿真计算模型2.3 标高监控测点的布置主梁零号块浇注完之后，即在顶面上设置五个基准点。主梁其它节段开始浇注后，在每一截面底板及顶板各布置3个观测点，每一节段（两头）共布置12个观测点，布置见图4、图5所示。图4 悬浇段变形及标高测点布置图（cm）图5 0号块变形及标高测点布置(

5、cm)2.4 立模标高的确定 立模标高按下式计算： （4-1）式中：i节段立模标高（节段上某确定位置）；i节段设计标高；由各梁段自重在i节段产生的挠度总和； 由张拉各节段预应力在i节段产生的挠度总和； 混凝土收缩、徐变在i节段引起的挠度； 施工临时荷载在i节段引起的挠度； 使用荷载在i节段引起的挠度； 挂篮变形值。其中挂篮变形值是根据挂篮加载试验（挂篮加载试验是在挂篮安装完毕后，按照悬臂浇注最重节段的120%进行加载通过测量得来），综合各项测试结果，最后绘出挂篮荷载挠度曲线，进行内插而得。而、五项在正装分析法中已经加以考虑。四角田特大桥施工监控过程中，立模标高的提供的确定位置选定为施工时节段底

6、板端头底部标高。 计算实例以下是四角田特大桥左幅2号墩7号节段立模标高计算过程：挂篮移出后6号节段上标高监测点监测成果如表1：断面部位混凝土浇注后张拉后挂篮移出后15顶板左1456.1731456.161456.16中1456.3121456.3111456.31右1456.3651456.3611456.36底板左1452.4811452.481452.477中1452.4851452.481452.48右1452.4851452.4821452.4835顶板左1455.1291455.1291455.127中1455.2911455.2881455.286右1455.371455.3611

7、455.362底板左1451.4561451.4521452.45中1451.4641451.461451.461右1451.4581451.4581451.456表1 四角田左幅2号墩6号节段标高检测成果张拉后6号节段15号断面监控点确定位置（端头底板底部）控制标高为1452.479，35号断面控制标高为1451.451。实测张拉后，15号断面为1452.481 +2mm；35号断面为1451.457 +6mm；判断：不需要采取纠偏措施；根据计算，7号节段14号断面控制标高为1452.868m，36号断面控制标高为1451.701m，有挠度理论计算可知，挠度=+=+4.678cm=+=-3.

8、71cm=6mm 取4mm 取2mm 14号断面为2mm 36号断面为1mm 则立模标高计算：14号断面： =+=1452.868+0.04678+(-0.0371)+0.004+0.004+0.002+0.002=1452.89036号断面： =+=1451.701+0.04678+(-0.0371)+0.004+0.004+0.002+0.001=1451.722在计算中，业已考虑了混凝土收缩、徐变、临时荷载等的影响，要求实际立模标高与计算的名义立模标高之间的误差控制在2mm以内。2.5主梁变形监测主梁变形监测的主要内容包括挠度监测、主梁轴线偏位测量与墩顶沉降测量。挠度监测采用精密水准仪测

9、量各水准测点的标高，每一个节段进行数次的观测，以便观察各水准测点的挠度及主梁合龙精度及桥面的线形。轴线偏位测量是用钢尺找出前端梁段的中线并做标计，采用视准法直接测量其前端偏位，每块节段施工时均进行轴线偏位测量。墩顶沉降测量采用全站仪在一侧岸边设置两个站点，测出墩顶测点的三维坐标，以便得到墩顶标高值，每一测试工况下的变位即为测试值与初始值的差值，每块节段施工时均进行墩顶沉降测量。鉴于日照温差的复杂性，为了尽量减少日照温差效应对观测的影响，观测的时间宜安排在早晨太阳出来之前。2.6 应力监测为了及时掌握大跨度连续梁桥在施工过程中关键部位应力（或应变）的变化规律，弄清理论值与实际值之间的关系，在每一

10、跨主梁关键部位布置应力测点，通过施工阶段的实时测试获得结构真实的应力状态，对其进行误差分析并判断是否符合设计要求，如果实测值与理论值的差值超限则必须查找原因和调控，使之在允许的范围内变动。选取每一跨箱梁的支点截面、L/4截面和跨中合龙截面作为控制截面，共9个控制截面，测点布置在截面上、下缘处，采用智能式应变计进行测试，测试方法采用差值法，监测箱梁承受的纵桥向弯矩和轴力。梁监测截面内的应力测点布置如图6所示。应力监测采用JMZX-215A智能数码应变计测量混凝土的应变，数据采集仪为振弦检测仪JMZX-300X。传感器在埋入桥梁混凝土过程中，充分考虑传感器与混凝土变形一致，且对传感器精确定位，并采

11、取有效措施对其进行保护。此外还采用了无应力应变计做成温度补偿试块，用以测试控制梁段的混凝土收缩应变和徐变应变。 图6 应力测点布置图在实际结构中，混凝土的收缩、徐变、温度应变和荷载应变是混合在一起的，即实际测得的应变包含了荷载应变、温度应变、混凝土收缩应变和徐变应变。所以在按公式=E计算混凝土结构的实际应力时，必须将混凝土的收缩、徐变以及温度影响从实测应变中剔除3。再对应地将修正的实际应力与仿真分析得出的应力进行比较，作为监测的依据，合理评价施工的质量，以保证施工过程的顺利、安全施工。以下是四角田特大桥1-10号节段各施工过程应力监测点应力及变化图形(图7):阶段施工内容测点1应力测点2应力测

12、点3应力测点4应力291#段砼0.01910.01840.00470.0126 30张拉1.0107 0.9943 0.6964 0.3207 31移挂篮0.9535 0.9388 0.6700 0.3310 322#段砼0.8253 0.8155 0.6359 0.4095 33张拉2.0607 2.0275 1.4217 0.6576 34移挂篮1.9738 1.9433 1.3862 0.6835 353#段砼1.7346 1.7133 1.3228 0.8303 36张拉3.0147 2.9682 2.1172 1.0438 37移挂篮2.8991 2.8562 2.0727 1.08

13、45 384#段砼2.5548 2.5251 1.9831 1.2995 39张拉3.8727 3.8160 2.7799 1.4731 40移挂篮3.7475 3.6948 2.7325 1.5187 415#段砼3.3171 3.2810 2.6210 1.7886 42张拉4.6634 4.5988 3.4189 1.9308 43移挂篮4.5382 4.4776 3.3715 1.9763 446#段砼4.0216 3.9809 3.2361 2.2967 45张拉5.4348 5.3629 4.0503 2.3947 46移挂篮5.2998 5.2322 3.9970 2.4391

14、477#段砼4.6497 4.6073 3.8330 2.8564 48张拉6.1290 6.0523 4.6512 2.8840 49移挂篮5.9943 5.9220 4.6020 2.9372 508#段砼5.2678 5.2238 4.4200 3.4062 51张拉6.8135 6.7322 5.2462 3.3721 52移挂篮6.6788 6.6019 5.1971 3.4252 539#段砼5.8759 5.8303 4.9970 3.9460 54张拉7.4978 7.4116 5.8372 3.8514 55移挂篮7.3535 7.2722 5.7862 3.9121 561

15、0段砼6.5033 6.4554 5.5816 4.4794 57张拉8.1818 8.0905 6.4239 4.3219 58移挂篮8.0375 7.9511 6.3730 4.3826 5911段砼7.1587 7.1070 6.1631 4.9726 60张拉8.7099 8.6170 6.9209 4.7817 61移挂篮8.5754 8.4872 6.8759 4.8436 6212段砼7.6013 7.5519 6.6485 5.5092 63张拉9.0078 8.9216 7.3472 5.3614 64移挂篮8.8637 8.7826 7.3004 5.4309 表2 四角田

16、特大桥左幅2#墩1-10号节段应力图7 1-10号节段各施工步骤下应力变化图形从图中可以看出，应力监测点1、2、3、4应力变化呈现规律发展，测点1、2应力变化图形基本重合，大于3、4号监测点的应力，应力符号表明混凝土始终处于受压状态，数值与仿真分析得到的数据基本吻合，施工始终处于安全状态。2.7温度及其影响观测主梁温度测量采用JMT-36B型温度传感器，并配合使用JMZX-300X型综合测试仪测量。主要在主梁的标准截面内预埋温度元件，以测量其内部的温度场分布。选取一个“T”中的一个悬臂的L/4截面作为温度测试对象，布置12个温度测点，具体位置见图8。图8 断面温度测点布置图测试时间选在主梁施工期间选择有代表性的天气进行24小时连续观测，例如：每个月选择一个晴天、多云天和阴雨天。在进行温度测试的同时，测量结构的变形和内力，即主梁标高和相关截面应力应变，用以分析温度变化对结构的影响。为调节内外温差，施工时，在腹板上准确预留通风孔十分重要。3 结语3.1在桥梁监控中正确建立有限元仿真分析模型，从理论上计算出桥梁各个施工阶段应力和变形状态，与施工现场的实测数据及时进行对比分析，为悬臂桥梁安全、顺利地建成提供技术保障。3.2连续刚构或连续梁桥