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文档简介
1、洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥施工监控细则郑州大学土木工程学院2008年3月23日目 录1、蒲山大桥工程概况022、蒲山大桥总体施工方案及步骤033、蒲山大桥施工监控的目的和意义034、蒲山大桥施工监控依据055、蒲山大桥施工监控原则及施工控制方法066、蒲山大桥施工监控的任务077、蒲山大桥主桥施工监控的主要内容088、蒲山大桥施工监控工作的具体安排和精度要求129、蒲山大桥施工监控流程4010、蒲山大桥施工监控提交的成果4011、蒲山大桥施工监控中各方责任4112、蒲山大桥施工监控的组织安排及管理制度4213、主要仪器设备44洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥施工监控近
2、年来,在桥梁工程施工中由于不重视桥梁施工监控,出现多起桥梁事故,造成了较大的经济损失,给工程界带来了沉痛教训,目前大跨径拱桥施工状态的监控已引起工程界的高度重视。中、下承式的钢管混凝土拱桥外部看是一个静定结构,而内部是一个高次超静定的空间结构体系。尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况,但是由于施工中有可能出现的诸多因素,事先难以精确估计,而且在施工过程中由于各种施工误差,可能造成实际桥梁结构的内力和线型与设计不符,特别需要对桥梁施工各个阶段进行全过程监控。桥梁施工监控已成为桥梁施工过程中严格管理、科学决策和保证施工质量和安全的不可缺少的重要环节。1、 蒲山大桥工程概况洛南高速公路上跨焦枝
3、铁路南水北调总干渠大桥位于洛阳至南阳高速公路联络线与南水北调工程、焦枝铁路交叉处。在桥位处,南水北调总干渠下穿焦枝铁路,与高速公路夹角为22.53度,高速公路上跨焦枝铁路,高速公路与铁路夹角为71.95度。是太原至澳门高速公路的重要组成部分。2、 蒲山大桥总体施工方案及步骤2.1主桥施工方案主桥结构采用“支架法拼装梁拱”的总体方案进行施工。其上部结构施工是本桥的施工重点所在,同时也是施工的难点。端横梁及系杆拱脚段采用碗扣支架现浇施工;系杆及中横梁采用混凝土挖孔桩+钢管桩支架法安装施工,即系杆、中横梁分节段预制,经运输平车运至待架位置后由龙门吊机吊装至支架上;系杆与中横梁接头处的湿接缝在支架上现
4、浇施工。2.2主桥主要项目施工步骤3、蒲山大桥施工监控的目的和意义3.1 施工监测与控制施工监控包括施工监测和控制,其目的就是在全桥上部结构施工过程中,通过监测主拱、系杆和吊杆的应力及变形,来达到及时了解结构实际行为的目的;通过施工过程中对温度、应力、线形、混凝土材料的弹性模量等的监测,对桥梁结构体系计算所采用的参数进行识别、计算和修正,纠正实际线形和内力与设计目标值的偏差,确保结构的安全、稳定与结构受力合理,为大桥安全、顺利建成提供技术保障。施工控制的目的是为了在全桥施工完成后,主拱结构的线形、系杆及桥面系的线形达到设计理想的线形,并使主拱和系杆的内力分布与设计理想的内力状态一致。3.2 施
5、工监控的原因洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥为下承式单跨刚性系杆拱结构,上部结构施工顺序为:搭设系杆现浇支架钢管拱肋在预拼场进行组拼和焊接进行系杆的分节吊装端横梁、拱脚段支架和中横梁支架安装现浇端横梁和拱脚段系杆龙门吊机吊装中横梁,浇注湿接头并张拉系杆和中横梁形成平面框架结构,第一次张拉系杆预应力束拼装拱肋安装支架,吊装拱肋、风撑,焊接拱肋、横撑接头、拱肋合拢系杆预应力第二次张拉泵送灌注钢管内混凝土,形成钢管混凝土拱肋系杆预应力束按设计要求进行再次张拉,安装拱肋吊杆并张拉拆除系杆支架,调整系杆及吊杆内拉力桥面板安装。由于本桥跨径大,技术含量高,施工难度大。施工过程中温度、施工荷载变化
6、等因素,使桥梁在施工过程中各节段的应力、位移变化频繁,加上结构材料的实际物理力学参数的影响,结构的应力应变不可能与设计计算值保持一致,而拱肋线形一旦形成,很难调整。因此必须在施工过程中建立计算机随时跟踪系统,对大桥进行全过程的施工控制,保证其成桥内力和线形,是大桥成功建设的一个关键。因此,对桥梁施工过程的位移、应力和温度进行有效的监测并采取行之有效的调控措施是保证其顺利和成功修建的必要条件之一。3.3 监控目的及意义跟踪掌握施工进程和发展情况,收集大桥建成全过程的技术数据,为大桥的安全投入使用和大桥营运阶段的养护工作以及以后同类桥型的设计与施工提供科学、可靠的技术资料,给大桥的安全使用提供可靠
7、保证。总的来说,施工监控的目的为:(1)确保桥梁线形和内力符合设计要求,保证工程内在质量优良;(2)预知并及时发现施工中的失误,以予纠正,避免发生重大责任和技术事故,确保桥梁建造安全。(3)提供成桥的力学参数报告,为桥梁今后的养护提供数据资料。基于以上桥梁施工监控的目的,结合洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥的结构和施工特点,具体施工监控目的如下:(1)判断施工过程中拱肋的应力和变位是否符合设计要求,或是否处在安全范围内;(2)为拱肋合拢提供可靠的数据,指导拱肋合拢施工工艺;(3)判断钢管灌注混凝土过程中拱肋的应力及拱肋变形、高差是否符合设计要求,或处在安全范围内;(4)识别结构的实际
8、状态和参数,掌握环境作用对结构的影响规律,结合理论计算,指导桥面系的吊装和吊杆的张拉;(5)施工监测结果也可以作为桥梁施工质量和技术水平评定的依据。其任务就是要根据桥梁施工全过程中实际发生的各种影响桥梁内力与变形的参数,结合施工过程中测得的各阶段吊杆张力、系杆内力、主拱圈内力与变形数据,随时分析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预期值的差异并找出原因,提出修正对策,以确保在全桥建成以后桥梁的内力和外形曲线与设计值相符合。3.4施工监控主要工作措施(1)独立对结构进行分析,了解结构力学特性,合理选定测位和布置测点;(2)选用先进的性能优越的仪表,购置质量上成的元件(测力计、应变片等),保证测得数据
9、无差错、异常,误差小;(3)布设有相互校验的测点网,预防某些元件失效;(4)及时分析对照数据的规律性,向设计和监理人员通报,及时察觉问题,进行修改和纠正。4、蒲山大桥施工监控依据(1)公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004);(2)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004);(3)公路桥涵施工技术规范(JTJ041-2000);(4)公路斜拉桥设计规范(试行)(JTJ027-96);(5)公路工程质量检验评定标准(TJT071-98);(6)城市桥梁设计准则(CJJ11-93);(7)洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥设计图纸等设计文件;(8)施工方案
10、及施工组织设计;(9)其它工程资料。5、蒲山大桥施工监控原则及施工控制方法5.2施工控制方法施工控制采用自适应的控制方法,全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和设计目标,在施工过程中,用参数识别系统不断地对结构计算模型中所用的计算参数(如混凝土弹模、容重等)进行识别修正,使结构计算模型和实际结构磨合一段时间后自动适应结构的物理力学规律,减小理论值与实测值的偏差。洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥主要采用支架法安装施工,桥面系和拱肋形成后,受后续工序(如吊杆张力)和材料后续变形(如混凝土收缩徐变)影响很大,而且钢管拱肋合拢成形候,桥梁施工控制的可调因素很少,因此我们采用预先控制和反馈控制相
11、结合的方法进行控制,重点在施工前控制。施工前通过试验室试验材料性能和结构有限元分析,尽可能较精确的预测结构在各个施工阶段的变形和内力,通过提供合理的桥面系和拱肋的立模标高对桥面系和拱肋的线形进行控制。在吊杆的张拉阶段,通过施工过程中理论数据和实测数据的偏差,对数据分析和处理(结构分析和参数识别),调整后续施工工序、进行反馈控制,最终达到控制桥梁内力和线形的目的。具体为:(1)施工控制结构分析施工模拟计算是施工控制工作的基础,在施工监控工作开始前根据该桥的设计参数和施工方案,按照施工过程进行施工模拟计算,以验算和校核设计数据。在施工过程中,根据具体的施工阶段和相应的材料、荷载和结构参数跟踪计算。
12、(2)参数识别设计参数是指能以其结构状态(变形和内力)变化的要素,对于桥梁结构主要有结构几何参数、材料参数、温度参数和荷载参数。这几种参数都具有离散性和不确定性,特别是混凝土的材料特性离散性和不确定性更大,使施工控制参数与实际参数不同,在施工监控中不能假定这些参数,需要根据实际测量和修正的参数值进行计算,才能保证施工控制的精度。施工过程中,通过对应力和位移偏差分析、结构参数的敏感性分析和结构参数识别,进一步分析找出偏差的原因,确定参数的真实值。(3)施工调整在各施工阶段,若结构内力和结构变形与设计目标出现较大偏差,应及时调整,避免累计造成不可调偏差;在成桥后,较小的内力偏差可通过吊杆张拉力和张
13、拉顺序调整。6、蒲山大桥施工监控的任务洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥采用支架(桥面系支架和拱架)施工,支架一旦形成,在施工过程中就基本不容人为改变。故在支架形成前要对支架的预拱度做出预测。拱架形成后,对上部结构的各施工阶段连续监测和控制。根据施工步骤、特点及其施工阶段结构受力特征,其控制目标与任务随施工阶段的不同而异,其施工监控的主要任务如下:(1)桥面系施工时通过预拱度控制纵向线形,使成桥线形符合设计要求;进行拱肋架设调整控制,即通过施工监控,确保拱肋线形的架设精度,使拱轴线符合设计要求;(2)施工阶段拱肋和系杆内力的监测,确保拱肋在各施工阶段中安全,不失稳;(3)吊杆内力、张拉
14、力监控。通过吊杆张拉力调整,使拱肋与系杆受力实际值与设计值的偏差在较小范围内,使之符合设计要求;(4)同时保证吊杆的受力合理和均匀;(5)最终使成桥内力分布合理,线形美观达到设计要求。7、蒲山大桥主桥监控的主要内容洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥主桥为单跨刚性系杆拱结构,系杆梁和横梁形成平面梁格体系。结构新颖,受力形式复杂,为本次监控工作的重点之一,主要监控内容如下:(1)主桥的设计复核和施工过程仿真分析;(2)铁路防护设施的检算;(3)检验桥梁支架设计的合理性,进行支架变形及内力验算、监控;(4)成拱后拱体脱架过程的监控;(5)拱肋二期混凝土施工过程的计算机仿真计算与应力监测(6)
15、线形测量(由施工单位实施)及监控;(7)应力监控;(8)吊杆索力和系杆张拉力监控;(9)变形、位移监控;(10)结构稳定监控;(11)温度监控;7. 1 施工过程仿真分析设计复核和施工过程仿真分析是施工监控的基础,我们已对成桥状态和施工各阶段的受力情况进行了详细的分析计算。7. 2 应力测试1)主拱肋主拱圈测点布置如图1所示,取拱脚、l/8、l/4、3l/8、拱顶、3l/4等处7个截面,各截面应力测点布置示意图如图2所示,共布置应力计168个,其中混凝土应变计84个,钢管应变计84个。其中每片拱的拱底及拱顶截面为后期监控截面。2)刚性系杆l/8 l/8 l/8 l/8 l/4 l/4219m图
16、1 拱肋控制截面250410415615250410415615 图2 测点布置图3 刚性系杆梁控制截面300510360图4 刚性系杆梁应力测点布置3)横梁选择跨中横梁和端横梁各1根作为监测对象,取跨中截面作为控制截面,截面的应力测点布置如图5所示,共布置钢弦式混凝土应变计8个。25030450600图5 横梁应力测点布置图4)吊杆吊杆的受力是该桥耐久性和安全性的关键,在施工过程中尽可能精确的测量吊杆的内力。对吊索采用张拉油压表进行测量,同时采用频率法测量索力。频率法是利用附着在吊杆上的高灵敏传感器(索力计)拾取吊杆的振动信号,得到吊杆的自振频率,根据吊杆自振频率与索力的关系确定索力。5)测
17、量仪器及方法考虑适合长期观测并保证足够的精度,拟采用埋入钢弦式应力计(钢筋计及混凝土计)、索力仪、压力传感器、拾振器和配套的频率接收仪作为应力观测仪器进行应力测试。7. 3位移及变形测试1)拱肋、系杆拱肋和系杆的测点选取如图6所示,选取拱和系杆的八分点截面以及拱肋合拢前两个半拱的端部截面布设测点;拱肋的变形监测利用全站仪的交汇程序测量这些点的空间坐标,从而监测其变形变位;系杆及桥面系的变位利用精密水准仪和铟钢尺测量。 图6 拱肋、刚性系杆变形测试截面图2)主桥桥墩每个桥台沉降及位移测点布置2个测点,分别布置在主桥桥墩的盖梁两侧,测点根据所建立的平面和高程控制网布置,保证网内通视。3)测试仪器及
18、方法利用预先布设好的测点,用精密水准仪、全站仪、棱镜(或反射片)、铟钢尺等进行测量。7. 4 温度测试选取两拱脚截面,采用热敏电阻应变片测试拱肋截面的温度变化规律,采用接触温度计、温度传感器和相应的温度记录仪。7. 5 支架测试支架测试内容为支架顶面的线形(标高)和支架的应力及变形。在支架预压过程中测量支架的弹性变形和非弹性变形;消除支架的非弹性变形,在桥面系(系杆、纵梁和横梁)和拱肋的立模标高中计入支架的弹性变形。在浇注拱肋内混凝土过程中,随时监测支架的变形和应力,以保证施工过程中支架的安全和结构(拱肋和系杆)的线形。包括系杆控制点变位测试、主梁线形测量、拱圈线形测量、拱脚转角测试以及墩顶水
19、平位移测试;测点位置为拱脚(或梁端)、l/8、l/4、3l/8、l/2、5l/8、3l/4、7l/8等。7.6 铁路防护设施的检算8、蒲山大桥施工监控工作的具体安排和精度要求8. 1施工图仿真计算按照设计图纸和相应的施工组织进行计算,首先进行了设计复核和施工状态计算,并对施工过程进行实时分析计算。按照施工和设计所确定的施工工序,以及设计所提供的基本参数,对施工过程进行模拟计算,得到各施工状态及成桥状态下的结构受力和变形等控制数据。主要有:(1)各施工状态下以及成桥状态下的状态变量的理论数据:拱肋、系杆标高、吊索索力、系杆以及拱肋各控制截面应力应变。(2)施工控制数据理论值:拱肋和桥面系的立模标
20、高、吊索的张拉力和调控数据。8. 1. 1设计复核为了分析洛南高速公路蒲山大桥在施工阶段及成桥状态下的力学性能,采用大型有限元软件Midas/civil进行建模。系杆梁、横梁、拱肋和横撑等构件均采用空间梁单元进行模拟;吊杆采用只承受拉力的空间桁架单元模拟;桥面板用板壳单元模拟,桥梁空间有限元计算模型对蒲山特大桥进行设计复核分析,主要考虑以下3种荷载工况:工况1:恒载(按照承载能力极限状态验算)工况2:恒载车道荷载(半桥)工况3:恒载车道荷载(全桥)图7 静力分析有限元计算模型(JTG D60-2004)中公路级车道荷载确定,加载方式所示,qk =10.5kN/m,Pk360kN;横向折减系数取
21、0.55。主梁上的预应力输入,由Midas/Civil程序实施完成,并自动计算其损失。混凝土的徐变、收缩通过设定控制参数,由程序自动计算。吊杆初拉力的施加,通过Midas/Civil程序自带的桁架单元初拉力功能实现。图8 车道荷载根据以上3种计算工况,计算了桥梁的静态力学性能,给出拱肋及系杆梁的跨中、1/4跨、1/8跨、靠近支座位置处的截面内力、位移以及吊杆的内力,工况1作用下的内力和位移图如分析3种工况计算结果,可以得出以下结论:1工况1结论:(1)系梁受力分析:系梁受力关于该桥两个对称轴(横桥向、顺桥向,下同)近似对称。虽然系梁承担着拱肋传来的巨大拉力,但在施加了预应力后,系梁全部受压,边
22、系梁边缘最大压应力计算值为-10.8MPa(负号表示受压,下同),最小压应力为-1.0MPa,中系梁边缘最大压应力值为-10.0MPa,最小压应力为-4.5MPa,均比设计值大一些(),且小于C55混凝土的抗压强度,满足规范要求;由于系梁预应力的损失,系梁轴压力从桥两端向跨中逐渐减小(2)拱肋受力分析:拱肋受力近似关于该桥的两个对称轴对称(),拱肋以受压为主,压力较均匀,边拱肋的边缘最大压应力达到-99.2MPa,最小压应力达到-66.0MPa,中拱肋的边缘最大压应力达到-112.0MPa,最小压应力达到-71.5MPa,仅在支座处中拱肋下弦钢管混凝土的下缘压应力稍大于设计值外,其余均小于设计
23、值,符合规范要求。在边拱肋处上弦钢管混凝土的上部边缘压应力除在(3)吊杆受力分析:边吊杆和中吊杆张力关于两个对称轴近似对称,各吊杆所受的张力大致分布均匀,从总体上讲,跨中吊杆张力小,两侧吊杆张力大;边吊杆的安全系数在(4)整体变形分析:全桥以竖向位移为主,拱顶在桥梁自重作用下也有横向和纵向位移。边系梁的位移整体向下,中系梁由于有两根吊杆,受力较大,在,有向上的位移;边系梁的竖向向下位移在(2工况2结论:(1)系梁受力分析:系梁轴力和弯矩关于跨中大致对称,剪力关于跨中大致反对称。由于该计算工况活载为半桥偏载,中系梁两侧的构件受力相似但加载侧内力数值相对大些(2)拱肋受力分析:拱肋弯矩、轴力、剪力
24、关于跨中近似对称,加载侧受力稍大,中拱肋比边拱肋受力大。边拱肋和中拱肋均以受压为主,边拱肋边缘的最大压应力为 (3)吊杆受力分析:(4)整体变形分析:3工况3结论:(1)系梁受力分析:系梁轴力和弯矩关于跨中大致对称,剪力关于跨中大致反对称。系梁以受压为主,边系梁边缘的最大压应力为(2)拱肋受力分析:拱肋弯矩、轴力、剪力关于跨中近似对称,边拱肋和中拱肋主要以受压为主,边拱肋边缘的最大压应力(3)吊杆受力分析:(4)整体变形分析:图10 中系梁压应力值图图9 边系梁压应力值图图12 边拱肋下弦钢管压应力值图图11 边拱肋上弦钢管压应力值图图13 中拱肋上弦钢管压应力值图图15 边拱肋上弦钢管位移图
25、图14 中拱肋下弦钢管压应力值图图16 边拱肋下弦钢管位移图图17 中拱肋上弦钢管位移图图18 中拱肋下弦钢管位移图图19 边系梁位移图图20 中系梁位移图图21 工况1恒载作用下拱桥变形图8. 1. 2施工过程仿真分析大跨径钢管混凝土拱桥的施工都是分阶段逐步完成的,结构的最终成型必然会经历一个长期、复杂的施工过程以及结构体系的转换过程,这一过程也是结构形式及受力状态不断变化的过程。对桥梁施工中每个阶段进行变形计算和受力分析,是桥梁结构施工监控中最基本的内容;同时,桥梁结构的最不利状态并不一定发生在成桥运营阶段,往往出现在施工阶段的过程中。结构的某些荷载如重力、施工荷载、预应力及吊杆索力等都是
26、在桥梁施工过程中逐级施加和不断变化的,每一施工阶段都可能伴随着混凝土收缩和徐变的发生、边界约束条件的改变、预应力的张拉、吊杆索力的张拉和调整。另外,后期结构的力学性能也与前期结构的施工情况密切相关,施工方案的调整和改变,将直接影响结构成桥的受力状态和结构线形。因此必须在既定的施工方案下,分析各施工阶段及成桥结构的受力及变形特征,为施工提供中间目标状态。为此,对蒲山大桥施工的每一阶段进行了跟踪模拟计算。根据蒲山大桥的施工工艺流程,初步制定了蒲山特大桥主要施工控制模拟计算的施工阶段,见表1。采用大型有限元软件Midas/civil进行蒲山大桥施工过程的仿真分析,蒲山大桥有限元模型如所示,在施工阶段
27、的仿真计算中,各阶段新安装的构件和荷载可以用Midas/civil软件里的激活单元和荷载功能,拆除的构件以及需要去除的荷载可以采用Midas/civil软件里的钝化单元和荷载功能。计算结果可以反映出蒲山大桥在各施工阶段的受力和变形情况,将对指导蒲山大桥的安全施工提供依据。 图22 蒲山大桥有支架有限元计算模型1)各施工阶段应力分析控制各施工阶段截面的应力是桥梁施工控制的主要内容之一,在桥面系及拱肋的施工过程中,结构各截面应力必须控制在规范允许范围内。应力计算结果如图23 施工阶段边系梁1/2跨度截面应力图图24 施工阶段中系梁1/2跨度截面应力图图25 边拱1/4截面上弦钢管混凝土应力图图26
28、 边拱1/4截面下弦钢管混凝土应力图图27 中拱肋1/4截面上弦钢管混凝土应力图图28 中拱肋1/4截面下弦钢管混凝土应力图从中可以看出,在桥梁各施工阶段,边系梁和中系梁均以受压为主,最大压应力均在规范规定的范围内,满足规范要求,系梁的压应力在第3次张拉吊杆以调整吊杆索力时达到最大,最大值为-10.2MPa。边拱肋和中拱肋在整个施工阶段以受压为主,符合规范的要求,随着施工阶段的进行,边拱肋和中拱肋的压应力不断增加,在第3次张拉吊杆以调整吊杆索力时达到最大,钢管边缘最大压应力值为-87.6MPa,钢管中混凝土的最大压应力值为-10.2MPa,钢管和混凝土边缘所受到的压应力均满足规范规定的要求,同
29、时拱肋上下缘的应力差别很小,拱肋受力状态合理。2)各施工阶段位移分析在施工过程中,结构自重、吊杆索力、预应力、温度、混凝土收缩、徐变等因素引起的桥梁位移是随施工历程而变化的,且多种影响因素的结果又耦合在一起,可能出现桥梁线形与设计线形不一致的情况,对各个阶段施工进行结构变形计算是非常必要的。第3次张拉吊杆调整吊杆索力时所示。图29 施工阶段边系梁竖向位移图图30 施工阶段中系梁竖向位移图图31 施工阶段边拱肋上弦钢管竖向竖向位移图图32 施工阶段边拱肋下弦钢管竖向竖向位移图图33 施工阶段中拱肋上弦钢管竖向竖向位移图图34 施工阶段中拱肋下弦钢管竖向竖向位移图8. 1. 3蒲山大桥结构稳定分析
30、1)成桥结构稳定分析根据蒲山大桥的结构特点,考虑最大荷载:恒载进行桥梁在成桥状态下的整体稳定性分析。利用第前面所建立的蒲山大桥空间有限元计算模型,采用大型有限元程序Midas/Civil中的线性屈曲分析功能计算蒲山大桥的稳定性,蒲山大桥前6阶稳定安全系数和失稳模态图计算结果分别如分析蒲山大桥在成桥状态下的前6阶稳定安全系数和屈曲模态图,可以得出以下结论:该桥第1阶稳定安全系数为12.37,大于桥梁设计规范对拱桥稳定性要求(第一类稳定系数大于4),符合桥梁设计规范要求。说明拱肋之间的一字横撑和K撑把各根拱肋相互连接成整体,使拱肋具有较大的刚度;同时由于横梁、系梁以及桥面板共同构成一个整体桥面系,
31、提供了桥面较大的横向刚度。两种措施使该桥具有很好的空间稳定性。 施工阶段稳定性分析2)施工阶段稳定性分析在蒲山大桥施工顺序基础上,对蒲山大桥的主要施工顺序进行合理划分,蒲山大桥主要施工阶段的划分如示,各施工阶段稳定安全系数如图所示,从计算结果可以看出,蒲山大桥各施工阶段的第1阶失稳模态基本相同。由于桥梁设计规范没有对拱桥施工期间的稳定安全系数的数值进行明确规定,根据相关文献对拱桥稳定安全系数的研究成果,桥梁稳定安全系数的取值不宜小于4,从蒲山大桥各个施工阶段的稳定性计算结果可知,在蒲山大桥各个施工阶段,与桥梁第1阶失稳模态对应的稳定安全系数均满足要求,桥梁施工稳定性处于安全状态。8.2 蒲山大
32、桥施工监控的理论计算8.2.1 桥梁线形控制 1)桥面系标高线形控制通过蒲山大桥施工过程有限元模拟计算可知,吊杆张拉力的调整对桥面系线形影响显著,在吊杆张拉过程中桥面系的标高仍有一定余地的调整量以保证成桥后线形与设计线形吻合。根据计算结果以及类似桥型的工程经验,同时还要结合下部支架的预压观测记录,考虑支架及地基的弹性和非弹性变形、后续施工对桥面标高的影响,系杆梁安装标高的计算公式为:系杆梁安装标高设计标高+ 设计预拱度+支架变形 (1)设计预拱度应考虑系杆梁混凝土收缩徐变、图35 蒲山大桥施工阶段稳定安全系数根据蒲山大桥施工过程计算结果,可推算出系杆梁纵向的安装标高,计算结果列于表5,横梁立模
33、标高按相邻系杆梁位置的标高考虑横坡进行推算。表5给表5-1给出的数据进行计算分析值相比较2)拱肋标高线形控制在钢管混凝土拱肋中,钢管作为浇注混凝土的劲性骨架,不需要另外再立模板,所以确定拱肋各钢管的标高十分重要。设置拱肋合理的施工预拱度是施工完毕后保证成桥线形达到设计要求的保证,因为钢管混凝土拱肋一旦合拢浇注混凝土后,其线形很难调整,所以为拱肋设置合理的施工预拱度是保证拱肋成桥及运营阶段线形的重要手段。参照相关工程经验,考虑混凝土收缩、徐变对拱肋预拱度的影响,所以蒲山大桥各拱肋钢管标高为: (2)式中:l为拱肋立模标高;s为拱肋设计标高;f为拱肋结构受力变形;j为支架变形;c为混凝土收缩、徐变
34、产生的拱肋变形。拱肋钢管标高计算值如表6所示,图36给出了拱肋钢管标高定位点布置示意图。图36 拱肋钢管标高定位点布置示意图8.2.2结构应力控制按照蒲山大桥吊杆和预应力筋的优化张拉顺序进行施工阶段的仿真分析,桥梁施工控制8.2.3吊杆控制图37 拱肋吊杆编号图吊杆索力的测定有直接法和间接法2种,振动法测量吊杆索力属于间接法的一种,通过采用随机振动法测得吊杆的横向振动频率,代入根据吊杆索力和频率之间关系得出测定索力的计算公式,计算得到被测吊杆的索力。这种方法无需昂贵的激振装置,也不影响结构的正常使用。蒲山大桥采用柔性吊杆,且长度方向基本竖直,所以可以忽略其斜度、垂度等因素的影响,认为是两端固定
35、的弦振动问题,对于长吊杆,其索力计算公式为: (3)式中:为吊杆的第阶自振频率;为吊杆的计算长度;为吊杆单位长的质量;为振动阶数。对于短吊杆,应考虑吊杆弯曲刚度的影响,当吊杆两端边界条件为简支时,吊杆的张力计算公式: (4)式中,为吊杆的弯曲刚度,其它符号同公式(5-3)。但利用该式测定和计算靠近拱脚处的短吊杆张力时,会产生较大的误差。为此应考虑吊杆弯曲刚度的影响,当吊杆两端边界条件为固定时,采用第1阶振动频率时,吊杆的张力计算公式: , (5) , (6) , (7)式中, ,其它符号同公式(3)和公式(4)。表8所示为根据蒲山大桥的有限元模型计算得到的吊杆索力表8 吊杆索力设计计算值8.
36、3 施工过程中结构应力和变形监测8. 3.1施工阶段划分和监控工作内容8. 3.2桥面浇筑阶段(1)建立好施工监测的平面和高程控制网,可以开始对支架进行预压,开始支架预压过程的变形监测。监测内容为支架的弹性变形和非弹性变形。支架预压过程中可以消除支架的非弹性变形,在主梁立模时考虑支架的弹性变形。(2)桥面系的混凝土浇注过程中监测支架的变形,同时在系杆内预埋系杆应力测试元件、温度测试元件和设置变形观测点。(3)提供数据:系杆的立模标高,该标高(设置预拱度)考虑系杆在后续施工中的变形和混凝土收缩、徐变变形。(4)注意事项:a)调整模板标高、确定立模标高的时段应在晚上气温稳定时进行(晚10:00至次
37、日早上7:00,根据具体的季节有变)。b)混凝土浇筑时,各种预埋测试元件已经固定好,混凝土振捣过程中,在布置仪器位置要注意保护仪器。c)混凝土浇注过程中一般会产生胀模现象,主梁浇筑后,应测定主梁的实际截面尺寸,以便后续阶段计算修正。施工监控内容安装系梁、横梁应变传感器和温度传感器,埋设线形测点;铁路防护设施检验计算测试系梁应力和线形测试系梁应力和线形测试系梁应力和线形,设定支架标高安装拱肋振弦计,设定拱肋预抬高度进行拱肋线形和应力监控进行拱肋线形和应力监控进行拱肋线形和应力监控进行拱肋线形和应力监控进行拱肋线形和应力监控进行拱肋线形和应力监控进行拱肋线形和应力监控,吊杆力监测进行拱肋线形和应力
38、监控,吊杆力监测进行拱肋线形和应力监控,吊杆力监测进行拱肋线形和应力监控,吊杆力监测进行拱肋线形和应力监控,吊杆力监测进行拱肋线形和应力监控,吊杆力监测进行拱肋线形和应力监控,吊杆力监测进行拱肋线形和应力监控,吊杆力监测8. 3.3拱肋安装阶段(1)拱架进行预压,预压过程中监测拱架的变形。监测内容为拱架的弹性变形和非弹性变形。拱架预压过程中可以消除拱架的非弹性变形,在拱肋立模时考虑拱架的弹性变形。(2)拱肋的合拢时间和合拢温度。拱肋合拢:拱肋合拢前进行为期3天的全天候监测,监测合拢段梁端拱肋随时间和温度的变化规律,确定最佳的合拢时间。(3)拱肋混凝土浇注过程中监测拱架的变形,同时在拱肋内预埋拱
39、肋应力测试元件、温度测试元件和设置变形观测点。(4)提供数据:拱肋的立模标高,该标高(设置预拱度)考虑拱肋在后续施工中的变形和混凝土收缩、徐变变形。(5)测试内容:拱肋施工时系杆的内力,监测每一拼装段的轴线是否符合所提供的立模线形(空间线形),支架和模板的变形。(6)施工注意事项:a)调整模板标高、确定立模标高的时段应在晚上气温稳定时进行(晚10:00至次日早上7:00,根据具体的季节有变)。b)拱肋就位时,各种预埋测试元件已经固定好,在布置仪器位置要注意保护仪器。8.3.4拱肋的卸架阶段(1)提供数据:监控小组进行拱架卸架的稳定性分析,并提供拱架的卸架程序。(2)测试内容:在第一批系杆预应力
40、张拉前后,拱架卸架前和卸架后,分别测试各应力和变形测点,在拱架的卸架过程中,及时监测已预埋各点的应力和拱顶及l/4截面的空间变位。(3)该阶段是本桥的一个关键施工阶段,施工时应严格按照拱架卸落程序进行卸架,监控小组也要加强本阶段的监测。8. 3.5吊杆及系杆预应力的交替张拉阶段(1)张拉方案的确定:根据已施工阶段的监测数据和设计的成桥内力及线形,进行结构分析。若按原设计的张拉方案可以满足成桥内力和线形的要求,则按原设计方案进行张拉;如果以前施工的累计偏差影响成桥内力和线形,则调整吊杆和系杆预应力的张拉批次和张拉力,重新制定张拉方案,报请设计方验算并批复。(2)张拉方案确定后(经监测小组计算复核
41、的原设计张拉方案或监控小组提出经设计单位验算批复的张拉方案),提供张拉方案的具体数据。(3)在每批吊杆或系杆预应力张拉前和张拉后,进行已预埋各应力和变形测点的测试,以及已张拉吊杆的索力测试。(4)根据每次张拉后的理论值和实测值的误差,经参数识别和结构分析,对后续施工进行小范围调整,以保证成桥内力和线形;如果需较大的调整,仍报请设计单位验算并批复后实施。(5)吊杆的最后一次张拉(可能分多批次张拉过程):全部吊杆张拉完成后,根据结构的应力、变形和吊杆索力的测试数据,进行吊杆张拉力的调整,保证成桥内力和线形,吊杆张拉力的合理和优化。最后一次张拉应在夜间温度稳定时段进行。8. 3.6成桥成桥后,根据天
42、气情况进行不少于3天的全天候观测,分析桥梁成桥后的力学参数。8. 4温度测试 8. 4.1温度场观测在桥梁施工期间选择有代表性的天气进行24小时连续观测,例如对每个季节选择一个或几个晴天、多云天和阴雨天。8. 4.2温度对结构变形和受力影响的测量 (1)测试内容:结构的应力(应变)、变形和吊杆索力。(2)测试时间:与温度场观测同步进行。(3)在施工过程中,应力、变形和吊杆力测量前后,均进行温度测试。8. 5收集与监控有关的基础试验资料(1)混凝土龄期为3、7及28天的弹性模量试验以及按规定要求的强度试验。(2)气候资料:晴雨、气温、风向、风速。(3)实际工期与未来进度安排。(4)施工荷载在桥上
43、布置位置与数值。(5)拱肋和系杆徐变试验资料以上这些数据均由相关单位提供。8. 6设计参数误差分析和识别(1)自重误差对结构的影响;(2)拱肋、系杆刚度误差对结构的影响;(3)混凝土收缩、徐变对结构的影响;(4)吊杆索张拉力误差对结构的影响;(5)温度的影响;8. 7重大设计参数修改本桥为新结构,对其真实的受力性能还没有深入地了解,如果出现与设计目标较大的偏差,或出现较大的施工误差,可能需采取以下重大修改措施:(1)设计参数作重大修改。(2)吊杆较大范围的索力调整。(3)合拢施工方案作重大调整。8. 8施工控制的精度和总体要求8. 8.1控制精度和原则(1)控制指令执行原则与允许误差1)立模与
44、吊杆张拉必须在一天中温度相对稳定均匀时段(一般日出前)内完成;2)立模标高允许误差:±5mm;3)吊杆张拉最大允许误差:±5%;4)拱肋、系杆应力误差:±5%;(2)拱肋拼装的监测、监控标准1)拱肋桁架节段拼装误差5mm;2)拱肋轴线偏差<5mm;3)拱顶、拱脚偏差<10mm;4)拱肋间相对偏差<5mm。(3)成桥后拱肋系统控制误差1)两个拱肋标高差:<10mm;2)轴线最大偏差:<20mm;3)索力误差:±5%;(4)其它:桥面系轴线、桥面系平整度等参数允许误差按有关规范取用。8. 8.2实施中的总体要求(1)严格控制施工
45、临时荷载。(2)测量工作由施工方和监控方平行进行,以便于现场及时校对,同时由监理方进行监测。(3)所有观测记录须注明工况(施工状态)、日期、时间、天气、气温、桥面特殊施工荷载和其它突变因素。(4)每一施工工况完成后,由有关方进行测试,确定测量结果无误后方可进行下一工况的施工。(5)模板定位和吊杆张拉前后的测试工作必须回避日照温差的影响。(6)桥梁每一施工阶段完成后,有关方把数据汇总至监控方,由监控方进行数据分析后,下达下一施工阶段的控制指令表。(7)控制指令表经有关方签认执行后,方可进行下一阶段的施工。9、蒲山大桥施工监控流程监控的主要工作就是对监测到的桥梁结构的应变、变形等实测数据与按施工过
46、程计算的理论数据进行分析、比较和判断,并据此提供相应的处理措施,来控制结构的应力及变形,使其不发生超限,进而控制施工过程,以确保施工安全与质量,其主要工作流程如图38所示。监控数据数据处理综合分析预 测输出监控实施措施理论分析监控方案实施细则施工落实图38 施工监控流程图根据桥梁的结构形式与施工工艺,洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥的施工监控流程如图39所示。10、施工监控提交的成果10.1施工监控过程中提交的阶段报告(1)各阶段施工监控总结;(2)各阶段施工控制数据(理论数据和实际数据);(3)各阶段完成后的结构状态(内力和线形);(4)下阶段施工控制工作的安排和调整。10.2施工
47、监控最终提交的报告(1)蒲山大桥主桥施工监控总结报告;(2)蒲山大桥成桥后的力学性能分析报告;(3)蒲山大桥建成后的管理和养护技术建议;(4)蒲山大桥监控报告。理想结构分析测量1、查找原因2、对施工方案进行调整并重新计算结构内力和变形施工预告结构(拱肋和系杆)内力、变形,并确定立模表标高误差分析理论与实测比较结构状态判断、综合评价是否按原计划继续施工图39 洛南高速公路上跨焦枝铁路南水北调总干渠大桥施工监控流程图 11、蒲山大桥施工监测工作中各方职责(1)由设计、施工单位和监测单位共同组成监测小组,如需要可请业主和监理单位一起参加;(2)设计、施工单位应先根据施工程序和计划向监测单位提供监测计划。(3)监测单位应根据设计施工单位提供的监测计划编制详细的监测程序及其细目,以便密切配合。(4)施工单位应向监测单位提供
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