跨京开高速公路中承式钢箱混凝土拱桥监控监测方案.doc

京沪高速铁路跨京开高速公路中承式钢箱拱桥监控、监测方案京沪高速铁路跨京开高速公路32.1+108+32.1 m中承式钢箱拱桥监控、监测实施方案土木工程学院 桥梁工程系二九年十月i目 录目 录i1工程概况12监控、监测方案制定依据33施工控制的目的、方法与原则、内容43.1施工监控、运营监测目的43.2施工控制、运营监测的方法和原则43.3施工控制、运营监测的内容64施工控制技术方案64.1施工控制方法64.2 施工控制的预测计算、误差分析和调整74.3 施工控制计算分析方法134.4 现场实时控制145施工监控、运营监测方案155.1监控计算分析工作155.2环境参数监测155.3线形监测165.4温度监测185.5应力监测205.6吊杆应力和预应力系杆索力监测225.7施工临时结构监测236 数据采集、传输系统236.1自动化采集系统方案的设计原则及选择236.2光纤仪器监测系统组成及功能256.3光纤仪器监测系统特点257 施工监控技术方案的保障措施268 项目组成员279 经费预算28京沪高速铁路跨京开高速公路中承式钢箱拱桥监控、监测方案1工程概况本桥位于北京附近，为京沪高速铁路北京特大桥的节点桥之一，跨京开高速公路，铁路与高速公路交叉夹角8110，桥位处高速铁路为平坡、直线。跨京开高速公路主桥采用（32.1+108+ 32.1）m中承式钢箱混凝土拱式连续梁体系，如图1-1所示。d130和d131号墩拱脚支座设在承台顶，无墩身，d129号和d132号桥墩采用流线形圆端实体墩。基础均采用钻孔桩基础，d129号和d132号桥墩采用直径1.25m钻孔灌注桩，d130和d131号墩采用直径1.5m钻孔灌注桩。本桥为京沪高速铁路双线桥，设计时速为350 km/h；线间距为5.0m，采用crts型板式无砟轨道。拱肋中心距12m。主跨拱肋矢高采用25m（系杆中心线上下各为12.5m），矢跨比为1/4.32。边拱肋中心距12m，矢高11.75，矢跨比为1/5.19。主拱肋及边拱肋拱轴线均采用二次抛物线。主拱肋和主纵梁固结。主跨桥面以上设一道一字横撑和二道k撑，桥面以下设两道k撑；边跨桥面以下设一字横撑。吊杆对应主跨小横梁设置，间距5.4m，全桥共设11对吊杆。图1-1 全桥结构图边拱肋和主拱肋采用变截面钢箱混凝土截面，主纵梁采用钢箱截面。主拱肋截面宽1.6m，截面高度由拱顶2m到理论拱脚处2.6m，上下翼缘板厚除拱梁固结点处厚44mm外，其余均为32mm，腹板厚除拱梁固结点处厚44mm外，其余为28mm。主拱肋上下翼缘板各设一道纵向加劲肋，腹板设三道纵向加劲肋。边拱肋截面宽1.6m，截面高度由拱顶1.9m到理论拱脚处2.6m，上下翼缘板厚28mm,腹板厚24mm。边拱肋钢箱在转体前支架上灌注混凝土；主拱肋钢箱在转体到位，支座安装后完成体系转换，主拱肋顶升灌注混凝土。主纵梁截面宽1.6m，高2.1m，上下翼缘板厚除拱梁固结点处厚44mm外，其余均为36mm，腹板厚除拱梁固结点处厚44mm以及边拱肋和主纵梁合并段厚24mm外，其余为28mm。主纵梁顶面焊有剪力钉与混凝土桥面连接。同时主纵梁内设置四束预应力系杆，预应力系杆采用ovm.gj15b-31钢绞线整束挤压拉索，每个主纵梁内施加13000kn的预加力。拱梁固结点处主拱肋上、下翼缘板在主纵梁翼缘板处断开，并与主纵梁翼缘板熔透焊接，在拱梁固结点内部主拱肋翼缘板同样与主纵梁翼缘板焊接，保证纵梁传力匀顺。主拱肋内侧腹板在主纵梁上翼缘板处断开，与主纵梁上翼缘板上下面焊接。桥面采用纵横梁体系结合梁桥面，混凝土桥面板通过主纵梁、小纵梁、横梁上布置剪力钉连接。除端横梁采用箱形截面外，其余横梁和小纵梁均采用工字形截面。纵横梁顶面与主纵梁顶面平齐，横梁间距有4.5m、5.4m、5.0m、5.816m、5.784m和5.95m共6种，梁高除端横梁为4.55m外其它横梁为2.1m，横梁截面根据其所处的部位分为三种类型，即端横梁、小横梁和固结点横梁，端横梁为顶宽1.5m，小横梁翼缘宽600mm，固结点横梁翼缘宽800mm。端横梁伸出牛腿长1.87m，相邻简支梁压在牛腿上，作为平衡边墩负反力的压重。本桥为双线高速铁路桥，设4片小纵梁，每线两片，间距2.0m，两线之间小纵梁间距3.0m；小纵梁梁高1.0m，翼缘板宽450mm。小纵梁连续设置，不设伸缩纵梁。混凝土桥面板顶为平坡，桥面板宽13.6m，厚30cm，通过保护层形成排水坡。桥面板在拱梁固结点至边拱肋支墩顶范围局部设纵向预应力钢束，在先浇段混凝土达到设计强度后张拉。吊杆直径120mm，吊杆及其锚具为配套成品。吊杆对应中跨横梁设置，吊杆间距5.4m，全桥共22根。吊杆上下销轴中心距为2.9829.490m，单根吊杆长度大于5.52m时，需要两根吊杆杆体通过调节套筒连接成一个长吊杆，本桥共8根短吊杆，14根长吊杆，吊杆初张力20150kn。京开高速公路由主辅四条车道组成，行车道断面宽65m，交通异常繁忙。桥位处京开高速公路高出地面约10.2m，边坡坡度约为1：1.5，以花砖防护，两侧地势较为平坦开阔，地表多为果园及耕地。高速铁路线位左侧是既有京山铁路，其中心距京山铁路限界最小距离为33.5m。本桥位于第三层，第一层为既有京山铁路，第二层为京开高速公路跨京山线公路桥，公路桥台尾距高速铁路线路中心最近处约12m。北京地区属暖温湿润带季风气候，四季分明，春季干旱多风沙、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷干燥。年平均气温11.4，最热（7月份）月平均气温为25.6， 极端最高温度达 40.6，最冷（1月份）月平均气温为-4.4， 极端最冷气温达-17.7。年最大风速为21.7m/s，风向为nwn。全年可施工期长，对施工有利。地震动峰值加速度：50年超越概率10%水平的地震动峰值加速度：0.20g（地震基本烈度度）；地震动峰值加速度反映谱特征周期划分：1区；场地类别：类场地。桥位处表层局部为人工堆积层，其下依次为第四系全新统冲积层及第四系上更新统冲洪积层， 全新统冲积层厚约12m，岩性以细砂、粉质黏土、粉土为主，第四系上更新统冲洪积层岩性以粉质黏土、细砂、中砂、圆砾土为主，较好的土层为圆砾土层，厚约7m，距地表约50m，深度适中，适合做钻孔桩基础的持力层。孔深86m87m为强风化砂岩，87m以下为中等风化石灰岩，基本承载力800 kpa。为保证本拱桥在施工过程中的安全和施工质量，成桥后结构的内力状态与线型满足设计要求，运营后环境因素及列车荷载等对线形应力的影响规律，并结合本桥的施工方案特制定本桥的施工监控及运营后的监测方案。2监控、监测方案制定依据（1）铁道第三勘察设计院集团有限公司. 京沪高速铁路跨京开高速公路（32.1+108+ 32.1）m中承式钢箱混凝土拱桥施工图设计. 2007.12；（2）中铁十七局集团公司京沪一工区项目经理部. 京沪高铁跨京开高速公路转体钢箱拱桥施工方案. 2009；（3）新建时速300350公里客运专线铁路设计暂行规定（铁建设函200747号）；（4）铁路桥涵设计基本规范（tb10002.1-2005）；（5）铁路桥梁钢结构设计规范（tb10002.2-2005）；（6）铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（tb10002.3-2005）；（7）铁路结合梁设计规定（tbj24-89）；（8）铁路桥涵工程施工质量验收标准（tb10415-2003）；3施工控制的目的、方法与原则、内容3.1施工监控、运营监测目的本中承式钢箱混凝土拱桥为高速铁路桥梁，设计速度达到350 km/h。为了不影响京开高速公路的正常通行，采用顺京开高速公路方向拼装节段，再进行水平转体施工、最后合拢的方案施工。为了确保在施工过程中结构受力和变形始终处于安全的范围内，且成桥后的线形符合设计要求，结构恒载内力状态接近设计期望，在施工过程中必须进行严格的施工控制。在施工过程中，由于材料物理性质、混凝土收缩徐变、恒载、施工荷载、温度以及施工测量等方面的因素影响，桥梁施工中节段的实际测量值常常与原理论设计值存在偏差。值得注意的是，坐标偏差具有累积的特性，若对该偏差不加以及时有效的调整，随着节段拼装长度的增加，会显著偏离设计值，造成合龙不顺、影响成桥的内力和线形。本项目旨在通过桥梁施工控制理论与本拱桥施工方法相结合的方法，对本桥施工过程进行严格的控制和调整，即根据施工过程中实际发生的各项影响桥梁线形的参数，结合施工过程中监测的坐标和应力，跟踪分析各施工阶段中内力和变形与设计预测值的差异并找出原因，提出修正对策，以协助施工单位安全、优质、高效地进行施工，并确保在桥梁建成以后的内力状态与外形曲线与设计相符、且满足相关规范要求。京沪高速铁路是我国第一条高速铁路，当桥梁建成投入运营后，除了材料自身性能的变化外，还受到各种环境荷载（温度、风等）及高速列车荷载等影响。国内对高速铁路拱桥的监测还比较少，环境荷载及高速列车动载作用对桥梁的影响规律还有等进一下的研究。在运营后通过对桥梁的结构响应与行为以及桥梁所处的工作环境进行实时监测，评估桥梁结构的健康状态，为桥梁的设计提供参考、为桥梁的管理与维护提供科学的决策依据。3.2施工控制、运营监测的方法和原则基于大跨度桥梁控制理论的角度，桥梁结构施工控制的方法主要有：开环控制法、闭环控制法（反馈控制法）和自适应控制法。（1）开环控制法对于跨径不大，结构简单的桥梁结构，一般总是可以在设计计算中按照桥梁结构的设计荷载精确计算出成桥阶段的结构理想状态，并且根据各个施工阶段的施工荷载估计出结构的预拱度，在施工过程中只要严格按照这个预拱度进行施工，施工完成后的结构状态就基本上能够达到结构理想状态的几何线形和内力状况。因为在这种施工过程中的控制作用是单向前进的，并不需要根据结构的实际状态来改变原来设定的预拱度，因此被称为开环控制方法。由于这个系统不考虑结构状态方程的误差和系统量测方程的噪声，因此又称为确定性控制方法。（2）闭环控制法对于跨径大、结构又复杂的桥梁体系，尽管可以在设计计算中精确计算出成桥状态和各个施工阶段的理想结构状态，但是由于施工中的结构状态误差和测量系统误差的存在，随着施工过程的进展误差就会累积起来，以致到施工完毕时，代表实际状态的几何线形和内力状况远远偏离了结构理想状态，这就要求在施工误差出现后，必须进行及时的纠正或控制。虽然结构理想状态无法实现了，但可以按照某种性能最优的原则，使得误差已经发生的结构状态达到所谓的结构最优状态。因为这种纠正的措施或者控制量的大小是由结构实际状态（计入误差）经过反馈计算所确定的，这就形成了一个闭环反馈系统，因此称为闭环控制或反馈控制。（3）自适应控制法虽然闭环控制方法能够通过控制作用，消除由模型误差和量测噪声所引起的结构状态误差，但是这种随机性控制方法只是在施工误差产生以后，用被动的调整措施减少已经造成的结构状态误差对最终结构状态的影响。分段施工中实际结构状态达不到各个施工阶段理想结构状态是误差生成重要原因之一，并会使系统模型-结构有限元模型中的计算参数（例如截面几何特性、材料容重、弹性模量、混凝土收缩徐变等）与实际参数之间有偏差。如果能够在重复性很强的分段施工特别是悬臂施工中，将这些可能引起结构状态误差的参数作为未知变量或者带有噪声的变量，在各个施工阶段中进行实时识别，并将识别得到的参数用于下一个阶段的实时结构分析、重复循环，这样经过若干各施工阶段的计算与实测磨合后，必然可以使系统模型参数的取值趋十精确合理，使系统模型反映的规律适应于实际情况，从而主动降低模型的参数误差，然后再对结构状态误差进行控制，这就是自适应控制的基本原理。（4）综合方法 除了上述的三种控制方法之外，还有其它的一些控制方法，如最优控制、模糊控制、专家系统控制等。随桥梁结构形式、施工特点及具体控制内容的不同，其施工控制的方法也不尽相同。一般而言，大跨度桥梁均需采用多种方法并行的综合方法进行施工控制。具体地说，就是通过参数识别修正计算模型，预测控制每一施工阶段的状态，并根据设计施工规范结合实际情况确定最大容许误差。 参数识别修正是指在控制开始阶段，在进行施工控制计算时，若控制体系的某些设计参数与实际情况有出入，需要借助现场测试体系，进行参数估计、识别和修正，使控制计算结果与设计基本相符，与实际情况吻合。 预测控制法是桥梁施工控制的主要方法，其在考虑影响桥梁结构状态的各种因素和控制目标设定的基础上，对每一施工阶段的结构状态（内力和变形）进行预测，使施工沿着预定状态进行。预定状态与实际状态之间存在误差，其对控制目标的不利影响则在后续若干施工阶段的预测中予以考虑。 在分析误差、建立安全预警机制时，当根据设计要求、工艺水平和相关的施工和制造规范，按照最大宽容度法，确定一套合理可行的容许误差度指标体系。 根据多座桥梁施工控制的工作经验，结合本桥的实际施工特点，确定本桥采用综合方法对全桥实行施工控制。3.3施工控制、运营监测的内容施工监控工作包括设计复核、实际施工中的荷载参数，施工过程的实时理论分析、温度、风荷载等环境参数、应力监测、系杆索力监测、线形监测和实时控制五部分。运营监测包括定期对环境参数、拱肋、桥面线型及应力、吊杆索力和预应力系杆索力进行监测。4施工控制技术方案4.1施工控制方法施工控制的工作一方面指根据实际施工方法对施工的每一阶段进行理论计算，求得各施工阶段施工控制参数的理论计算值；另一方面指对施工过程中的关键控制值（拱轴线）进行精确测量，针对实际施工过程中由于种种因素所引起的理论计算值与实测值不一致的问题，采用合理的方法加以控制、调整。对于本项目的中承式拱桥的施工控制，由于要严格控制拱肋线型，故拟严格按照“施工监测判断修正预告施工”的循环过程，综合采用参数识别修正法、预测控制法和最大宽容度法进行控制。4.2 施工控制的预测计算、误差分析和调整计算预测、误差分析和调整工作是施工控制的核心工作内容。它通过对桥梁施工全过程实时模拟的结构计算，结合各设计参数的识别、修正以及其它测量数据的分析评价工作，进而求得各施工阶段施工控制参数的理论计算值，形成施工控制指令并对各施工阶段结构状态做出实时预测，从而达成对桥梁施工实施软控制的最终目的。这部分工作依序包括以下几个方面。4.2.1施工控制初期的设计复核计算设计复核计算：施工控制实施第一步是要形成控制的目标文件。施工控制的预测计算将采用设计计算参数对施工过程进行分析，计算出控制目标的理论真值。在这一计算过程中将与设计计算进行相互校核，以确保控制目标与设计要求相符。施工控制计算：桥梁施工控制的目的就是使施工与设计尽可能一致。在桥梁的设计计算中通常会采用一些假定的参数用于计算，比如：材料的弹性模量、容重、施工时间等。另外，在设计计算中还有大量的指定的计算参数，比如：施工顺序等。在桥梁的施工控制计算中通常会采用尽可能真实的参数用于计算，以反映出设计与施工的差异。在本桥施工控制初期，首先进行设复核计算工作，以校核施工控制计算结果与设计计算结果的闭合性，达到使施工控制指导的结构实际状态与设计的理想状态相一致。施工控制复核计算依据设计文件所提供的资料 ，独立于设计方建立施工控制计算模型，同时根据本桥实际施工情况做进一步细化。复核计算中采用设计计算的主要参数和设计计算中假定的施工时间进行计算，利用此过程下的施工控制计算结果与设计计算结果相核对，以校核二者在计算模型及施工模拟等方面是否存在实质性差异。只有当二者计算结论基本一致时才开展后续的施工控制工作。否则，通过与设计人员一起仔细核对两种计算过程，找出并解决存在的问题。施工控制复核计算流程及与设计计算的比较如图4-1所示。图4-1 设计计算与施工控制校核计算4.2.2施工进程中施工模拟的结构实时分析桥梁施工控制的目的就是通过施工达到设计要求的合理成桥状态。在桥梁的设计计算中通常会采用一些预设或假定的参数用于计算，它们所依据的是既有的施工经验和设计标准参数，并不一定完全真实地反映当前桥的实际施工情况。由于桥梁的设计和施工中存在着这两种既不相同又相互联系的计算过程，并且在实际工作中这两类计算可能采用不同的计算模型，由不同的单位来完成。在桥梁的施工控制计算中必须采用实际施工参数用于计算，以尽可能真实地反映结构实际内力变形状态，亦即施工模拟的结构实时分析。这一计算工作在桥梁整个施工过程中需要实时调整，这些调整既包括各个直接的实时测量参数，也包括根据实测数据通过反馈分析等而得的辨识参数，还要视实际施工情况对计算模型、计算方法及计算内容等做出调整。施工控制实时计算与设计计算的区别和联系以及施工控制的基本流程和控制目标如图4-2所示。图4-2 设计计算与施工控制校核计算根据设计图提供的资料，建立施工控制计算模型(a)，采用设计计算的主要参数(b)和设计计算中假定的施工时间(c2)进行计算，利用此过程下的施工控制计算结果与设计计算结果相核对，以校核二者是否在计算模型(aa)及施工方法模拟(c1c1)间存在实质性差异。4.2.3施工控制影响因素对于本桥来说，影响施工控制的因素涉及范围极其广泛，包括设计参数误差、施工工艺误差、施工监测误差、结构分析计算模型误差、施工管理。（1）设计参数误差设计参数误差，即在进行桥梁施工控制结构分析时所采用的理想设计参数值与结构实际状态所具有的相应设计参数值的偏差。在钢管混凝土拱桥施工中不同的设计参数对结构状态(内力和变形)的影响程度是不同的，而且，同一设计参数对不同施工阶段也有不同程度的影响。对于钢管混凝土拱桥，主要的设计参数误差包括以下几个方面： 结构几何形态参数误差钢管混凝土拱桥的结构几何形态参数主要包括拱桥的跨径、拱轴线形、矢跨比。施工中跨径通常可以保证，但拱轴线形和矢跨比容易受施工误差及测量误差的影响而偏离理想值，从而对结构的内力和变形产生较大的影响。因此施工控制中，必须加强对拱轴线形控制，不断对施工中出现的线形误差进行调整，尽量避免误差的累计。 结构构件截面尺寸误差桥梁施工中截面尺寸误差较为普遍，这种误差将直接导致截面的面积、抗弯惯性矩以及抗扭惯性矩等截面特性误差，影响结构内力、变形等的分析结果。由于钢箱混凝土拱桥刚度和强度是逐渐组合形成，截面特征参数随着施工阶段的变化而变化，因此各个施工阶段的截面特征参数误差大小也不相同。 材料特性参数误差材料特性参数主要指材料的弹性模量e，剪切模量g、泊松比v以及材料的热膨胀系数a。对于钢箱拱肋内的混凝土材料，弹性模量、剪切模量、泊松比、容重以及热膨胀系数有一定的波动，对于超静定结构，弹性模量对结构分析结果影响较大。在施工过程中要根据施工进度经常性的对混凝土现场抽样试验。 与时间相关的参数误差温度和混凝土收缩徐变是随时间而变化的设计参数。温度变化对钢砼组合结构的内力与变形影响较大，这种影响随温度的改变而改变。 荷载参数误差在拱桥结构的施工控制中，荷载参数主要指结构构件自重力、施工临时荷载和环境荷载。对于钢箱混凝土拱肋，当拱肋内浇注了混凝土，由于受到浇注混凝土密实度的影响，构件自重有一定的随机误差，所以在施工控制中必须计入实际容重与设计取值间可能存在的误差；施工临时荷载是较为稳定的量，但由于在已成结构上乱放材料，往往引起临时荷载较大的误差，结构分析时都需要考虑。环境包括包括温度、风荷载等，由于实际温度在各部分的不均匀性以及风力方向的随机性及风力大小的脉动性，与理论分析结果有一定的差异。（2）施工工艺误差施工控制是为施工服务的，反过来，施工的好坏又直接影响控制目标的实现，除要求施工工艺必须符合控制要求外，在施工控制中必须计入施工条件非理想化带来的构件制作、安装等方面的误差，使施工状态保持在控制之中。钢箱混凝土拱桥施工主要包括拱肋的安装、拱肋内混凝土浇注以及桥面系安装三个主要阶段，主要存在以下一些施工误差：拱肋的制作误差、拱肋线形的安装误差、拱肋内灌注混凝土的密实度误差、混凝土配合比误差、桥面系线形施工误差。（3）施工监测误差由于测量仪器、仪器安装、测量方法、数据采集、环境情况等情况引起的误差称为施工监测误差。该误差一方面可能造成结构实际参数、状态与设计或控制值吻合较好的假象，也可能造成将本来较好的状态调整得更差的情况，因此保证测量的可靠性对施工控制极为重要。（4）结构分析计算模型误差在结构分析中需对实际桥梁结构进行简化，建立计算模型。这种简化使得计算机模型与实际情况之间存在误差，包括各种假定、边界条件处理、模型化的本身精度等。控制中，必要时需要对简化进行专门的试验研究，以使计算模型误差所产生的影响减到最低限度。4.2.4对反馈施工信息分析确定施工误差状态目前的各类施工控制的理论的实质都是基于对采样误差的分析和确定调整方法以控制误差积累。施工误差的出现是不可避免的，但各类施工误差会出现不同的分布形态。常见的误差形态有图4-3所示的三类。图4-3a中的误差分布，由于其单个误差峰值较小，且正负误差分布均匀，类似于白噪声干扰，它对结构的影响很小，是施工控制所追求的理想状态。图4-3b中的误差分布，虽然其单个误差的峰值较小，但整体误差分布出现连续的正向或负向分布，特殊时会呈现积累放大现象。有积累的连续分布误差会对结构线型及内力产生严重不利影响。图4-3c中的误差分布，虽然其整体误差均值较小，但出现单个误差峰值较大的情况，会对结构的内力和线型产生严重影响，必须加以控制和调整。施工控制中应根据施工反馈的数据与施工控制的预测计算的理论目标真值及施工控制的实时计算结果的修正目标真值进行比较，确定误差的实际分布状态分析，对连续分布误差和大峰值误差进行及时调整。a) 白噪声形态分布误差b) 连续单向分布形态误差c) 大峰值误差图4-3 常见误差形态分布4.2.5利用参数识别系统对计算参数进行识别、修正施工中如出现有发散趋势的连续分布误差状态，这类误差的产生大多源于计算参数失真引起的目标真值失真，必须进行参数识别、参数修正或参数拟合，提供合理的目标真值。对于产生参数失真的原因必须进行认真分析，以便在施工中加以控制。4.2.6确定适用的施工误差容许度指标和应力预警机制要确定误差峰值的大小和确定是否进行误差调整，必须确定一套符合施工实际情况的施工过程中误差容许度指标体系。过严的误差容许度会为施工带来困难，延误施工进度，过松的误差容许度会为施工留下一定的隐患。误差容许度的确定还必须满足设计和监理对施工质量的要求。4.2.7利用施工控制实时计算调整控制目标值在进行参数调整拟合后，利用实际的施工时间参数和实际的施工荷载参数进行施工控制实时计算，产生施工控制实际目标真值，用于下一阶段的参数的确定和误差分析。4.3 施工控制计算分析方法本桥施工采用节段拼装施工，结构的最终形成经历一个漫长而又复杂的施工过程以及结构体系转换过程，对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析，是桥梁结构施工控制中最基本的内容。桥梁结构施工控制的目的就是确保施工过程中结构的安全，保证桥梁成桥线形及受力状态和变形情况进行预测和监控。因此，必须通过合理的计算方法和理论分析来确定桥梁结构施工过程中每个阶段在受力和变形方面的理想状态，以便控制施工过程中每个阶段的结构行为，使其最终的成桥线形和受力状态满足设计要求。从这个意义上讲，施工控制中的结构计算方法不仅能对整个施工过程进行描述，反映整个施工过程中结构的受力行为，而且还能确定结构各个阶段的理想状态，为施工提供中间目标状态。为此，现阶段施工控制中桥梁结构的计算方法主要包括：正装分析法、倒拆分析法和无应力状态法。（1）正装分析法这种计算方法的特点是：随着施工阶段的推进，结构形式、边界条件、荷载形式在不断地改变，已形成梁段其几何位置也在改变，因此，前一阶段的结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。正装分析法能够较好地模拟桥梁结构的实际施工历程。所以，前进分析法概念清晰，目标明确。正装分析计算具有如下特点：1）桥梁结构在做前进分析计算之前，必须先制定详细的施工方案，只有按照施工方案确定施工加载顺序进行结构分析，才能得到结构的各个中间阶段和最终成桥阶段的实际变形和受力状态。2）在结构分析之初，先要确定结构最初的实际状态，即以符合设计的实际施工结果（如跨径、标高等）倒退到施工的第一阶段作为结构前进分析计算的初始状态。3）本阶段的结构分析必须以前一阶段的计算结果为基础，前一阶段的结构位移是本阶段确定结构轴线的基础，前一个施工阶段结构受力状态是本阶段结构时差计算的基础。4）对混凝土徐变、收缩等时间效应在各个施工阶段中逐步计入。5）本阶段结束时的结构受力状态用本阶段荷载作用下结构受力与以前各阶段结构受力平衡而求得。（2）倒拆分析法倒拆分析法的基本思想是：时刻结构内力分布满足前进分析时刻的结果，轴线满足设计线形要求。在此初始状态下，按照前进分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次拆除一个施工节段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析得到的结构位移、内力状态、支座反力便是该阶段结构理想的施工状态。所谓结构施工理想状态就是在施工各阶段结构应有的位置和受力状态，每个阶段的施工理想状态都将监控着全桥最终形态和受力特性。（3）无应力状态分析法无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础，将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来，这种方法对于大跨度斜拉桥和悬索桥的施工控制较为使用。通过三种计算方法的特点，结合本桥设计特点及施工方案。在本桥的施工控制中，由于桥梁结构的体系转换和混凝土的收缩、徐变问题，本桥采用正装分析法。4.4 现场实时控制（1）技术体系的建立 在拱肋吊装施工之前，完成监控所需的各种技术文件（包括监控职责大纲、测量细则、元件埋设和应力测试细则、监控流程和报表体系等），并根据实施情况及时修订和完善。在组织体系方面，配备具有应力监测和实时监控经验的人员及时进驻现场，保证各项监控工作的顺利进行。 （2）控制网的复测 为确定保拱肋顺利合龙，在吊装施工开工前，监控单位和施工方对水准基点和中线桩以不同的方法进行了复测。 （3）实时控制 根据现场测试资料，进行参数识别与修正，并详细模拟施工过程，形成施工控制文件。在施工过程中，根据实时测量的回馈资料，随时进行调控。拱肋的拱轴线和应力、桥面系的线型和应力，是施工控制的根本目标。在上述控制中，以线形控制为主，应力控制为辅。 施工控制工作流程见图4-4。控制单位在各施工阶段前，提交控制指令表，由监理单位签发交施工单位执行；在各施工阶段完成后，施工单位应将控制需要的相关数据回馈给监理单位签认后交控制单位，以便决定下一施工工序的控制指令。在遇到重大技术问题时，由业主组织施工控制领导小组商讨解决办法。 图4-4 施工控制工作流程5施工监控、运营监测方案5.1监控计算分析工作首先根据设计文件及初步施工方案，对该桥进行复核性检算。分别运用桥梁设计计算专用软件和通用有限元分析软件，对全桥施工过程进行动态仿真模拟。并与设计方的主要计算结果进行比较，确保两者的模型计算误差在合理范围内，然后会同设计方制定各主要工况的控制方案。然后在每个施工阶段，根据实测的参数对模型进行调整，建立与实际相符合的计算分析模型，得出指导下一步施工的结果。除对主体结构进行计算分析外，还对施工中的临时结构：如拼接支架、塔架和转体施工过程等进行复核计算，并对施工方案的可行性和安全性进行评价，提出优化措施。5.2环境参数监测环境参数包括温度、风速、风向、气压、温度。采用caws600-b（图5-1）自动气象站可实时得到桥位处的各项环境参数，本气象站具有全自动气象数据采集、存储、处理和传送功能的自动气象站，其技术指标如表5-1。图5-1 caws600-b自动气象站表5-1 caws600-b自动气象站技术指标要素测量范围分辨率准确度单位地温-50+800.10.3气 温-50 +500.10.2相 对 湿 度0 1000.13%(t0) 5%(t0)%风向03602.55风速0750.1(0.3+0.03v)m/s气压45010600.10.3hpa5.3线形监测变形监测的目的主要是获取（识别）已形成结构的实际几何形态，它对施工控制、预报非非常关键。线形监测包含对拱肋、主纵梁高程、轴线偏位等内容。高程监测是指用精密水准仪对各块件控制点的标高进行测量。使用全站仪对轴线、偏位进行测量。线形监测的主要内容包括：- 变形监测网的建立；- 测点布设；- 监测阶段及频次；- 变形评估。（1）变形监测网的建立监测网在现有控制点的基础上，采用控制点加密方法，根据实际需要，在适当位置加设控制点。为了保证监测网的稳定性，并且能满足施工需要，对监测网必须定期进行联测，然后对联测结果进行平差处理，并且对结果进行分析。（2）测点布置临时测点：在每一施工节段前端拱肋和主纵梁上布置观测点。测点由钢结构制作单位在制造时设置，分别布置于拱肋和主纵梁的上、下翼缘板上。测点可由钢筋作用，并将测头磨平并用油漆标明编号。永久观测点：在两片拱肋和两主纵梁的典型截面位置（0、1/8l、1/4l、3/8l、1/2l、5/8l、3/4l、7/8l、l）上设置长期监测观测点。长期监测观测点由钢结构制作单位在制造时设置，以测定各施工阶段拱轴线及桥面系的实际线形及正常运营后各环境变量对拱肋和桥面系变形的影响。长期监测观测点布置如图5-2所示，共44个。图5-2 长期线形监测点布置图（3）测量方法采用leicatca2003全站仪结合反射棱镜进行全拱轴线及主纵梁轴线观测。采用liecadna10精密水准仪测量拱肋和主纵梁高程。监控单位和施工单位按施工次序，对拱肋线形进行平行独立测量，相互校核。测量时间在凌晨和晚上温度变化不大时进行。在测量过程中，除考虑工序进展必须对每一工况进行例行测量外，还要对温度变化引起的挠度进行测量。为了避开温度变化引起拱肋线形变化，在拱顶合龙前，分别在温度较低的凌晨和温度高的中午12：3014：30间对拱顶挠度进行测量，找出温差变化较大时挠度变化的极值，为合龙段安装的最佳时机提供较为可靠的依据。（4）测量要求 测量阶段及频次在每一节段的安装前后均进行一次拱肋和主纵梁坐标测量。在施工到一定阶段后，将进行拱肋和主纵梁标高通测和联测，并校核测量基点。在体系转换前后及合龙前后进行通测。梁体线形监测阶段及频次见表6-1。 精度要求高程、轴线测量的精度要求为1mm。该精度不包括由于从水准基点引基点到测量基点产生的精度误差。线形评估每个施工阶段完成后均结合理论值及实时监测数据对拱肋和主纵梁线形进行评估分析，找出测试及理论分析误差，进行误差回归分析，修正理论计算及下节段坐标预测值。合龙段前后、混凝土桥面施工、二恒铺装前对全桥线形进行比对分析，给出施工监控成果及线形误差值。5.4温度监测桥梁施工过程中，环境温度的大小及日照温差会影响到结构体系内的内力分布；并且，结构的温度变形还影响到施工中构件的架设精度及测量精度。对日照温差影响较大的情况，一般要求标高测量在清晨日出前进行，即使如此也不能完全消除温度分布不均匀的影响；另外，本桥的施工为跨季节施工，体系温度改变也较大，因此建立温度监测体系对于修正温度给施工带来的误差也是有必要的。温度测量包括：施工阶段环境温度及桥梁构件的温度场分布。环境温度测量安排在各施工进行阶段及相应线型测量阶段。构件温度场的测量采用测温传感器及相应温控仪进行测试。除采用测试断面中电阻式温度传感器测点测定构件温度外，同时采用接触式点温计辅助测量施工控制所关心的构件断面处表面温度，以形成较完整的施工桥位处各构件的温度分布场。在施工中针对特征季节(夏季、冬季)和特征天气状况(晴天、阴天)，选择代表性的时段进行构件温度场测量，同时进行环境温度的连续观测，以掌握该条件下的钢箱拱、桥面系的温度分布规律，模拟各构件的特征数值温度场，为施工控制计算中温度修正计算提供科学的特征数据，并为合拢时机选择提供参考。采用caws600-b自动气象站对桥位处的大气温度进行测试，由于本次所采用的应力监测传感器均带有温度传感器，因此可以得到各构件不同位置的大气温度值。在拱肋、主纵梁和纵、横梁桥面系的外表面还布置了表面温度传感器测试不同位置表面的实际温度。对于拱肋和主梁纵梁及混凝土桥面板的混凝土内部也布置温度传感器，可以得到混凝土内部在不同阶段的温度分布情况。构件表面的温度传感器直接粘结在构件的外表面上，而拱肋内部的温度传感器则通过制作钢筋骨架焊接于拱肋和主纵梁上。其布置图如图5-3所示，总的测点数为195个，其中外表面测点布置于两拱肋和两主纵梁及桥面系其15个断面，共105个测点；拱肋内部测点布置于两拱肋的t1、t2、t4、t6、t7共5个断面90个测点。温度传感器采用bgk-fbg-4700s光纤光栅温度计（图5-4），通过bgk-fbg-8600型中速光纤光栅分析仪（图5-4）采集数据，并通过无线模块传送到监控计算机。(a) 布置断面 拱肋外表面主纵梁外表面 拱肋内部桥面系(b) 典型断面测点位置图5-3 温度监测点布置图 (a) 光纤光栅温度计 (b) 光纤光栅分析仪图5-4 温度传感器及采集分析仪5.5应力监测结构截面的应力（包括混凝土应力、钢筋应力、钢构件应力等）监测是施工监测的主要内容之一。无论是拱桥、梁桥，还是斜拉桥、悬索桥，其结构某指定点的应力值，也是随着施工阶段的推进而不断变化的。通过对关键截面受力情况的监测，适时发出安全预警以便及时采取措施，保证结构安全。因此，应力监测就是施工过程的安全预警系统的重要组成部分。 本桥为中承式钢箱混凝土拱桥，拱肋和主纵梁是主要的受力部位，因此是监测的重点；同时为了解拱肋内部混凝土的受力情况，对拱肋内部混凝土应力也进行了监测。 （1）应力测试元件和设备拱肋、主纵梁、纵横梁表面采用bgk-fbg-4000光纤光栅表面应变计（图5-5），拱肋内部混凝土采用bgk-fbg-4200光纤光栅埋入式应变计（图5-5）。数据的采集和分析采用bgk-fbg-8600型中速光纤光栅分析仪通过无线模块传送到监控计算机。(a) 光纤光栅表面应变计 (b) 光纤光栅埋入式应变计图5-5 应变传感器（2）测试断面及测点分布为了全面了解应力的分布情况，在两片拱肋、两主纵梁的典型断面上布置测点，其布置示意图如图5-6所示。对桥面系的纵、横梁、混凝土桥面板也布置了相应的测点，如较长5-7所示。两拱肋、两主梁外表面应变测点布置于图5-6所示的所有断面，共176个测点，埋式入应变计布置于g1、s2、m1、m6、m8、s3和g11断面，共56个测点。桥面系分别在横梁断面和纵梁跨中断面布置测点，表面应变测点布置于横梁和小纵梁的下翼缘、混凝土桥面埋入式应变计布置于板厚中部，共65个测点。应变测点全桥总共297个。(a) 应变测点布置断面 拱肋外表面 主纵梁外表面 拱肋内部(b) 典型断面测点位置图5-6 拱肋和主纵梁应变测点布置图(a) 桥面系应变测点布置断面(b) 横梁断面测点布置（为表面应变计为埋入式应变计）(c) 纵梁断面测点布置（为表面应变计为埋入式应变计）图5-7 桥面系应变测点布置图（3）传感器安装测试及保护钢结构表面应变计：在节段吊装前，将传感器焊于相应位置的表面，用套管将数据传输线加以保护，要求施工方在吊装及后续施工过程中，避免触及碰撞损伤传感器及其传输线。 拱肋内混凝土埋入式应变计：拱肋内应变计需要预先制作定位钢筋骨架。骨架钢筋均采用焊接，先将传感器绑扎在定位钢筋上，待需要安装埋入式应变计的拱肋节段到达现场后再将骨架焊接在拱肋内，并在拱肋上开一小孔将传感器的传输光纤引出来。对所有元件安装前后都进行测试，以确保安装元件的完好。 混凝土桥面板埋入式应变计：在制作混凝土桥面时，将埋入式传感器固定于钢筋上，再将传输光纤引出。5.6吊杆应力和预应力系杆索力监测本桥吊杆采用35crmo合金钢，吊杆直径为120 mm，常用的吊杆力的测试方法不适合于本桥，通过在吊杆的外表面上布置表面光纤应变计可得到其应力情况，从而间接得到其吊杆力。吊杆监测点选取端部吊杆和跨中吊杆进行监测（图5-8），每根吊杆布置按中心线对称布置两个应变传感器，全桥共12个测点。图5-8 吊杆应变测点布置图在主纵梁内部，每侧还设置了4束预应力系杆，预应力系杆采用ovm.gj15b-31钢绞线整束挤压b型锚具拉索。为了了解各个阶段的有效预应力值，在系杆的两端端部安装bgk-fbg-4900型光纤光栅式锚索计（图5-9），每侧主纵梁选一束，各布置4个锚索计。图5-9 光纤光栅式锚索计5.7施工临时结构监测在对施工拼装支架、吊架及扣索进行复核计算的基础上，针对内力较大的杆件、塔架扣索索力和控制截面进行应力和变形的监测。具体的测点布置在对施工临时结构进行复核计算后确定。6 数据采集、传输系统由于本桥监测点很多，并且需要在通车运营后进行较长时间的变形、应力、环境变量的监测，京沪高速铁路均为全封闭式，如果在桥上对每个测点进行单独测试，会存在很大的安全隐患。因此本项目采用了自动化采集系统，并能够通过无线传输的方式将数据传输到监测终端。6.1自动化采集系统方案的设计原则及选择自动化采集系统方案设计遵循如下原则：系统可靠、功能实用、组网合理、维护保养方便。系统应具有开放性：采用国际主流技术和平台，以适应系统的发展，使系统具有良好的纵向和横向的兼容性，为系统集成预留有接口。系统应具有可扩展性：设备可方便地通过添加模块，增加远程端口和本地端口数，为将来系统规模扩大和接入新的分中心提供网络接口。自动监测仪器和系统必须正确反映建筑物的工作性态和不同时期的实时变化情况，仪器及系统性能要求低故障、高可靠性。系统建成后，必须是能够长期稳定运行的实用性系统。因而，对采集设备的选择遵循：应采用低故障率、高可靠性并经过现场考验的监测系统设备。采用分布式数据采集系统，降低故障率，提高准确性和采集速度，扩展性强。充分考虑防潮、防雷、抗干扰等技术措施，把由于自然、人为因素造成的系统损坏降至最低。采集软件要简单实用，功能强，容易操作，数据库开放，能与第三方数据处理分析管理软件兼容。而监测自动化采集系统主要有集中式、分布式、混合式三种基本形式。各类型系统特点分述如下：集中式自动化监测系统，是将现场数据采集自动化，数据运算处理自动化及资料异地传输均集中在专设的终端监测室内进行。布设在各处的传感器经集线箱(或切换装置)与观测室内采集装置相连，通过集线箱切换对传感器进行巡测或选测。集线箱到采集装置之间传输的是电模拟量，抗干扰能力较差，可靠性较低。而且不同的传感器要用不同的集线箱和专用的测量设备。分布式自动化监测系统，是一种分散采集、集中管理的结构，是将mcu(measureand and control unit)测量控制单元分布在传感器附近，而mcu具有模拟量测量、a/d转换，数据自动存储和与上位机进行数据通讯等功能。每个测控单元可看作是频率、脉冲、电压、电阻等某种测量信号的独立子系统，各个子系统集中控制，所有监测数据经总线输入上位计算机集中管理。这种结构的优点是：测控单元就近传感器，缩短了模拟量传输距离，由测控单元传输出去的都是数字量，即使一个子系统发生故障也不会影响整个系统运行。混合式是介于集中式和分布式之间的一种结构模式。它具有分布式布置的外型，而采用集中方式进行采集的系统。设置在传感器附近的遥控转换箱类似mcu，虽可汇集其周围传感器信号，但不具备mcu 的a/d转换和数据存储功能。其传输的模拟信号汇于一条总线中，集中到监控站进行集中测量和a/d转换，然后将数字量送入计算机进行存贮处理。综上所述，本项目自动化采集系统选用分布式结构。基于以上原则以及监测仪器选择以及采样频率的要求，建立其光纤仪器采集子系统6.2光纤仪器监测系统组成及功能本光纤仪器监测子系统主要由光纤光栅传感器系统、光纤光栅网络分析仪系统、光纤传输网络、信息处理与分析软件系统组成。（1）光纤光栅传感器系统该系统应用先进的准分布式光纤光栅传感技术，通过各种不同功能的光纤光栅传感器，将被测的不同形式的物体量（如应变、温度、位移等）转变成光信号直接通过光缆进行远距离传输。本项目涉及的光纤光栅传感器有：光纤光栅温度传感器、钢表面安装的光纤光栅表面应变计和拱肋混凝土内部、桥面板混凝土内部光纤光栅埋入式应变传感器。（2）光纤光栅网络分析仪系统该系统的功能是通过放置在监控机房的光纤光栅传感解调仪将光纤光栅传感器经光缆远程传输过来的光信号直接进行解调，并以温度、应变、位移等物理量的方式，根据主工作站（或服务器）的要求进行数据上传或信息上报。（3）光纤传输网络主要由主干传输光缆构成，用于将桥梁监测现场布设的光纤光栅传感器网络与光纤光栅解调仪系统进行连接，通过无线传输模块实现无线传输数据。（4）信息处理及分析软件系统该系统是安装在监控计算机上的软件系统，用于收集、处理、显示和存储各监测仪器的数据和信息，为桥梁的安全运营与维护管理提供科学的决策依据和指导。（5）系统的建成后可实现的目标： 报告桥梁的工作