特大桥施工监控方案(新).doc
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岔河特大桥
(88+168+88)m预应力混凝土连续刚构桥挂篮法悬臂施工
监
控
方
案
西安建筑科技大学
二零一三年十二月
目录
1、工程概况 1
2、施工监控的目的及意义 2
3、施工监控的基本思路和方法 3
4、施工监控 4
4.1施工监控系统的建立 4
4.2施工监控的主要内容 6
4.3施工控制结构分析计算 7
4.3.1前进分析法 7
4.3.2倒退分析法 11
4.3.3拟采用的结构分析软件 17
4.4施工控制误差分析 17
4.4.1预测控制法 17
4.4.2自适应控制法 19
4.4.3线形回归分析法 19
4.4.4误差分析 19
4.5主跨结构设计参数识别 21
4.6误差调整 24
4.7有限元分析计算模型的优化 26
4.8稳定性分析 27
4.9挂篮设计安全评估及静载试验:
27
4.9.1安全评估 27
4.9.2静载试验 27
4.10主梁位移监测 28
4.11边跨现浇段及支座预偏设置 29
4.12主梁正应力应变监测 29
4.13主梁腹板主拉应力监测 30
4.14承台及基础下沉量监控 33
4.15材料力学指标试验的测定 33
4.15.1弹性模量的测量:
33
4.15.2容重的测量 34
4.15.3收缩、徐变系数及热膨胀系数测定 34
4.16钢绞线管道摩阻损失的测定 34
4.17预应力钢绞线应力监测 34
4.18温度监测 34
4.18.1温度监测 34
4.18.2温度变位的控制:
34
4.19转换过程监测 36
4.20重大设计修改 37
5、施工控制的精度与总体要求 37
5.1控制精度与原则 37
5.2实施中的总体要求 37
5.3施工监控预警系统 38
6、监控量测服务计划 39
7、监控组织机构及管理措施 39
7.1施工监控管理系统 39
7.1.1建设单位 39
7.1.2设计单位 39
7.1.3施工单位 40
7.1.4监理单位 40
7.1.5监控单位 40
7.2施工监控组织机构 41
7.3质量管理措施 42
7.4安全管理措施 42
8、监控报告 43
I
1、工程概况
岔河大桥位于贵州省兴义市普安县和晴隆县境内,主要为跨越岔河沟谷而设。
大桥起讫里程桩号为DK896+413.9~DK896+897.95,全长484.05m。
桥梁设计纵坡0‰、处于半径为11000m的平曲线上。
桥跨结构为:
主跨(88+168+88)m连续刚构+引桥(33+56+33)m连续刚构。
墩高在19~103m之间。
桥梁下部结构为:
桩基+承台+空心薄壁墩柱(实心墩),桥台为空心桥台;桥梁上部结构采用预应力连续刚构及预应力连续刚构。
连续刚构梁体为单箱单室直腹板变截面箱梁,箱梁顶板宽12.0m,底板宽8.0m,顶板厚62cm,边跨端块处顶板厚由62cm渐变至100cm,底板厚52~110cm,腹板厚50~110cm,梁体全长345.8m,中跨中部18m梁段和边跨端部13.9m梁段为等高梁段,梁高6.0m,中支点处梁高12.0m,0#段外其它梁段梁底下缘按二次抛物线Y=6.0+6.0×X2/4900(m)变化,梁体在支座处设横隔板,全联共设6道横隔板,隔板中部设孔洞。
2、施工监控的目的及意义
随着我国交通事业的不断发展,急需修建更多的高墩桥梁跨越大江大河和深谷,同时随着预应力混凝土施工工艺的不断完善,采用挂篮悬臂浇筑节段混凝土,实现无支架而靠自身结构进行施工的先进方法,使得预应力混凝土连续刚构桥得到了更大的发展。
分段悬臂浇筑法是目前国内外预应力混凝土连续刚构桥的主要施工方法。
当桥梁下部结构施工完成之后,从桥墩墩顶部位浇筑箱梁0号块开始至全桥箱梁合拢,其间经历逐段立模浇筑混凝土节段,分批张拉预应力钢束,逐步至全桥合拢的较长施工过程。
在这个施工过程中,对于高墩连续刚构桥,其施工阶段比较多,各个阶段的变形、内力、应力与墩高、荷载大小、混凝土收缩、徐变、预应力筋应力损失、温度、施工误差、材料特性等多种因素有关,加之各阶段混凝土加载龄期不同的相互影响,从而会造成桥梁在施工过程中的每一状态不可能与设计状态完全一致,结构的受力变形过程表现为非平衡的随机过程。
大量荷载试验表明,其实测值总小于理论值,从强度角度来讲,具有安全储备,符合新建桥规范;从变形的角度来讲,实际变形小于理论变形,实际刚度大于理论刚度,如果仅用理论刚度来进行施工控制,就无法实现结构的空间设计位置。
因此,为了保证施工质量,必须对梁的整个悬浇过程进行施工控制,在施工过程中对结构内力和变形不断进行监测,分析其与设计理论值间的关系,对施工过程及有关控制参数加以调整和控制,保证建成后的主梁线形及结构的受力状态符合设计期望值,结构受力尽可能处于最优状态。
所以实施桥梁监控量测,及时、准确地提供施工控制数据对桥梁的施工质量有着重要的意义。
同时为了保证桥梁施工安全,必须对悬浇的整个过程进行施工监控。
因为桥梁所采用的施工方法均是按预定的程序进行。
施工中的每一阶段,结构内力和变形是可以预计的,同时可通过监测手段得到各施工阶段结构的实际内力和变形,从而完全可以跟踪和掌握施工进程和发展情况。
当发现施工过程中监测的实际值与计算的预计值相差过大时,就要进行检查和分析原因,这样就避免了不安全事故的发生。
可以说施工监控量测是桥梁施工过程中的安全监测系统,为了确保施工安全,监控量测必不可少,尤其对造价昂贵的大跨径连续刚构桥更为重要。
施工监控工作一方面是保证各个施工阶段能安全、可靠地进行;另一方面是结合测试分析和模拟计算,对施工过程中结构状态的变化进行有效的预测和控制,优化施工工序、保证工程质量。
现在国内同类桥梁在建设中均进行了全面的监控工作,充分反映了桥梁施工监控的重要性和必要性。
3、施工监控的基本思路和方法
根据我单位施工监控的数座高墩连续刚构桥的经验,施工监控的基本思路和方法可归纳如下:
(1)收集设计和施工文件,对施工全过程进行模拟计算,得出各主要阶段的变形和应力状态的数据,并作数据分析或图表文件进行存放。
(2)协同设计、监理和施工单位优化预定的施工监控方案,制定实施细则,报送业主审查。
(3)做好监控前的准备工作,如:
材料进场、设备购置、仪器标定、传感器的安装、测试系统的调试等。
(4)对施工所涉及材料的性能进行试验和测定,掌握其弹性模量、收缩、徐变及热膨胀系数的变化规律,这些工作将为施工监控中的计算过程提供可靠的经过实际修正的参数。
(5)对悬灌施工的重要设备-施工挂篮进行变形分析研究和计算,并进行必要的静力荷载试验。
(6)实施监测:
一是对施工过程中的关键工序进行按时跟踪监测,确保关键施工工序的安全、可靠;二是阶段性状态监测,当施工到某一相对稳定的状态时,测试结构的线形、变位以及应力状态。
(7)实施监控:
对比施工模拟计算和阶段性监测的实测值,分析偏差原因,利用实测参数和动力特性的测试分析参数,并考虑收缩、徐变和环境作用的影响修正模拟计算值,对下一步施工的结构变形和应力状态进行预测,以确定下一阶段的调整量。
监控程序如图1施工监控流程图所示。
收集设计、施工文件
混凝土试验成果、施工挂蓝参数、施工工艺、施工计划
施工过程的计算模拟
细化和优化施工监控方案、制定施工监控细则
专家审查
监测监控准备工作
材料设备购置
仪器设备和测试系统标定
辅助设施的设计制作
传感器的安装调试
基准点设置
监测、监控
关键工序的实时跟踪监测
阶段性监测
控制点变形
控制截面应力
线型、位移
应力测试
温度场
预应力
监测结果分析
偏差分析
环境作用分析
材料参数变异分析
修正模拟计算值
预测指导下一步施工
图1施工监控流程图
4、施工监控
4.1施工监控系统的建立
桥梁施工控制的实施涉及到方方面面,所以必须事先建立完善、有效的控制系统才能达到预期的控制目标。
桥梁施工控制系统的建立及其功能的确定要根据不同的工程施工实际分别考虑。
一般施工控制系统都具备管理与控制的功能,施工控制系统由施工控制管理与施工现场控制两个分系统组成。
施工控制系统如图2所示。
桥梁施工控制系统
施工现场控制分系统
施工控制分析支系统
误差与实时跟踪分析支系统
施工状态监测与参数识别支系统
施工控制管理分系统
图2施工控制系统框图
(1)施工控制管理分系统
大跨度桥梁施工控制是一个较大的系统工程,它必须具备足够的人力、物力、财力以及先进的管理手段才能使其正常运行。
桥梁施工通常要涉及到业主、设计、施工、社会监理、政府监督、施工控制等多个部门及单位,这些单位都将在施工控制中起到不同程度的作用,他们既分工负责又协同作战。
本桥施工控制管理系统如图3所示。
设计单位
业主
控制单位
监督单位
施工单位
监理单位
意见
意见
意见
意见
监督
协调
协调
通报
协调
协调
通报
通报
控制反馈
控制指令
监督执行
控制指令
控制反馈
图3施工管理系统框图
(2)施工现场控制分系统
施工现场控制分系统是施工控制系统的核心,它包含整个施工控制的主要分析过程,具有数据比较、结构当前状态把握、误差分析、参数识别、前进或倒退仿真分析、未来预测等功能。
施工现场控制分系统由多个支系统组成。
施工控制分析支系统
该系统是指采用专业软件对结构进行施工模拟计算分析,判断当前结构状态是否与实际相符和对未来状态进行预测。
结构状态监测与参数识别支系统
结构状态监测是为控制模拟分析提供合理的基本参数。
参数识别是为判断当前施工状态是否与设计值相符提供实际参数。
误差分析与实时跟踪分析支系统
施工控制中总存在误差,这些误差均将使施工偏离理想状态和控制目标。
该系统主要功能是:
对结构理想状态、实测状态和误差信息进行分析并做作出最佳调整方案,使结构施工实际状态与设计理想状态的差值控制在允许范围内;在计入结构参数调整修正值、结构初始状态最优估计值、结构施工误差、量测误差等信息后,通过控制模拟分析系统对结构施工状态确定出超前预测控制值。
4.2施工监控的主要内容
(1)基础资料试验数据的收集
①混凝土龄期为3、7、14、28、90天的弹性模量试验以及按规定要求的强度实验;钢筋混凝土容重。
②气候资料:
晴雨、气温、风向、风速。
③挂篮支点反力及其他施工荷载在桥上布置位置与数值。
以上数据由相关单位提供
(2)施工控制的主要内容与技术路线
①主跨在施工过程中及成桥后的结构分析;
②施工控制误差分析;
③主跨结构设计参数识别;
④结合控制的实时跟踪分析;
⑤施工控制软件的简单操作说明;
⑥进度计划安排;
⑦有限元分析计算模型的优化;
⑧墩身和箱梁施工过程中的稳定性分析;
⑨挂篮设计方案安全性评估。
(3)施工监测的主要内容与技术路线
①施工挂篮静力荷载试验;
②结构截面的应力监测;
③砼弹模、容重的测定和收缩、徐变、热膨胀系数的确定;
④高桥墩施工监测;
⑤主跨结构施工监测;
⑥钢绞线管道摩阻损失的测定;
⑦温度监测;
⑧墩身稳定性监测;
⑨预应力钢筋应力监测;
⑩腹板主拉应力监测。
4.3施工控制结构分析计算
大跨度桥梁的施工均采用分阶段逐步完成的施工方法,结构最终形成必须经历一个漫长而又复杂的施工过程,对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析是桥梁施工控制中最基本的内容。
现阶段混凝土连续刚构桥施工控制计算方法有两种:
前进分析法和倒退分析法。
4.3.1前进分析法
又称正装计算法,是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析,它能较好的模拟桥梁结构的实际施工历程,能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,不仅可以用来指导桥梁设计和施工,而且为桥梁施工控制提供了依据。
前进分析法的目的在于确定成桥结构的受力状态。
这种计算的特点是:
随着施工阶段的推进,结构形式、边界约束、荷载形式在不断的改变,前期结构将发生徐变,其几何位置也在改变,因而前一阶段状态将是本次施工阶段结构分析的基础。
(1)基本原理
悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续刚构桥的前进分析计算如下:
①确定结构初始状态:
主要包括:
中跨、边跨(次边跨)的大小、桥面线形、桥墩的高度、横截面信息、材料信息、约束信息、混凝土徐变信息、施工临时荷载信息、二期恒载信息。
②基础、桥墩和0号块浇筑完成:
计算已浇筑部分在自重和外荷载作用下的变形和内力。
③在每一个桥墩上对称地依次悬臂浇筑各个块件,直到悬臂浇筑完成,挂篮拆除。
计算每一次悬臂浇筑时结构的变形和内力,每一阶段计算均依照上一阶段结束时结构变形后的几何形状为基础。
④进行边跨合拢(次边跨合拢)、中跨合拢,计算这几个主要阶段结构的变形和内力。
⑤桥面铺装:
计算二期恒载作用下结构的变形和内力。
综上所述,前进分析法具有以下几个特点:
①桥梁结构在作前进分析之前,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、材料非线性计算的基础。
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在施工分析过程中严格计入结构几何非线性效应,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。
前进分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果,还为结构刚度、强度验算提供依据,而且可以为施工阶段理想状态的确定、完成桥梁结构施工控制奠定基础。
前进分析程序系统流程图如图4所示。
(2)几何非线性分析
几何非线性即是大位移问题。
大多数大位移问题,结构内部的应变是微小的,而且材料的应力应变关系基本呈线性的。
当荷载作用在桥梁结构的某个节点上,该节点将发生位移,荷载也随之移动,这种位移不仅改变了荷载相对于与该节点相连接的杆件的作用方向,而且改变了荷载对结构上其它节点产生的弯矩。
如果位移量大,就会严重的影响荷载对结构产生的效应。
因此,考虑几何非线性的影响对于大跨径桥梁结构分析是十分必要的。
激活本阶段单元与节点
建立并修改本阶段结构刚度矩阵
刚度矩阵分解
激活本阶段结构上的预加力束
本阶段所增块件自重与施工荷载内力与位移计算
本阶段预加力效应(内力与位移)计算
挂篮前移效应(内力与位移)计算
混凝土收缩徐变内力与位移计算
对施工阶段循环
预应力损失卸载效应(内力与位移)计算
阶段内力与位移汇总
截面特性修正
内力、位移及体系预加力沿程分布写入外设
预加力损失计算
开始
结束
数据输入
图4前进分析流程图
(3)混凝土材料非线性分析
在大跨径桥梁中,钢筋混凝土结构无论是钢筋还是混凝土,都存在材料非线性问题,在精确理论分析中应当予以考虑,它包括在短时间荷载作用下混凝土的非线性应力应变关系。
(4)混凝土收缩与徐变分析
混凝土的徐变、收缩与混凝土的组成材料和配合比,周围环境的温度与湿度,构件截面形式与混凝土养护条件,以及混凝土的龄期都有关系,除此之外,还与混凝土水灰比,水泥种类和用量、构件与大气的接触面积等众多因素有关。
对箱梁结构而言,徐变的影响主要表现在以下几个方面:
①主桥箱梁在悬臂施工阶段,其受力图式为T型的静定结构悬臂梁,混凝土的徐变是存在的,主桥合拢后体系发生转换时从前期结构继承下来的应力状态所产生的徐变受到后期结构的约束,从而导致结构内力和支点反力的重分布;
②由于徐变的作用使预应力钢束发生应力损失;
③由于徐变的作用,使箱梁发生徐变挠度,而悬臂施工阶段箱梁截面上的应力仅为弹性应力而无徐变引起的应力。
但是由于钢筋应力计埋在混凝土中,当混凝土发生徐变变形时,根据变形协调原理,钢筋应力计也要发生变形,其值与相应的变形一致。
因此,应当由应力计的总应变中扣除这时刻发生的混凝土徐变应变值作为混凝土的弹性应变实测应力计算参数。
根据规范公式,本项目将结合试验成果,修正徐变与收缩的总效应,利用桥梁结构实用计算程序求算混凝土徐变、收缩影响的理论值。
在桥梁施工过程中,由于混凝土龄期短,混凝土徐变、收缩影响较大,必须加以分析和控制。
混凝土徐变收缩各影响因素在实验上的统计结果也有15%-20%的变异系数,而且实验的试件和实验环境往往与实际结构物所处的条件相距很远,故精确度较低。
公路桥规的徐变分析理论考虑了瞬时徐变、滞后弹性徐变以及塑性徐变三部分徐变特性。
可以采用递推分析法分析各阶段收缩徐变的影响。
4.3.2倒退分析法
也称倒装计算法,是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构分析,其目的是为了获得桥梁结构在各个施工阶段理想的安装位置和理想的受力状态。
即从成桥状态开始逐步地倒拆计算得到施工个阶段中间的理想状态和初始状态。
前进分析可以严格按照设计好的施工步骤进行各阶段内力分析,但由于分析中结构节点坐标的改变,最终结构线形不可能完全满足设计线形要求。
实际施工中桥梁结构线形的控制与强度控制同样重要,线形误差将造成桥梁结构的合拢困难,影响桥梁建成后的美观与营运质量。
为了使竣工后的结构保持设计线形,在施工过程中用设置预拱度的方法来实现,而对于分阶段施工的连续刚构桥,一般要求给出各个施工阶段结构物控制标高(预抛高),以便最终使结构物满足设计要求。
这个问题用前进分析是难以解决的,而倒退分析系统可以从根本上解决这一问题。
(1)倒退分析的基本原理
它的基本思想是:
假定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阶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个阶段结构应有的位置和受力状态,每段的施工理想状态都将控制着全桥的最终形态和受力特性:
①倒退分析时的初始状态必须由前进分析来确定,但初始状态中的各杆件的轴线位置可取设计轴线位置。
②拆除单元的等效荷载,用被拆单元接缝处的内力反向作用在剩余主体结构接缝处加以模拟,这些内力值可以由前进分析计算来得到。
③拆除杆件后的结构状态为拆除杆件前的结构状态与被拆杆件等效荷载作用状态的叠加。
换言之,本阶段结束时,结构的受力状态用本阶段荷载作用下的结构受力与前一阶段结构受力状态相叠加而得,即认为在这种情况下线性叠加原理成立。
④被拆构件满足零应力条件,剩余主体结构新出现的接缝面应力等于此阶段对接缝面施加的预加应力,这是正确进行桥梁结构倒退分析的必要条件。
混凝土的收缩徐变与结构的形成历程有着密切的关系,徐变应变不仅与混凝土的龄期有关,而且与作用在混凝土构件上的应力应变有关。
因而结构在进行倒退分析计算时,一般是无法直接进行徐变计算的。
为了解决这一问题,一般是应用下述的方法:
在进行前进分析时,先不计混凝土收缩徐变的影响,计算出结构的内力和变形值,然后再计算出结构计入混凝土收缩徐变后的内力和变形值,两者相减则可以得到每一阶段混凝土收缩徐变产生的内力和位移值,将其保存起来。
接着进行倒退分析,按阶段扣除前进分析时相应阶段混凝土时效的影响。
倒退分析程序系统流程如图5所示。
对施工阶段循环
图5倒退分析流程图
t=t0时刻状态
阶段末状态
输出立模时刻(阶段初)的状态数据,预留拱度及立模标高
施工初态
阶段初状态
开始
结束
数据输入
(2)几何非线性分析
对于几何非线性十分明显的大跨度桥梁,一次倒装分析的结论并不是理想的初始状态。
由于结构非线性的影响,要确定结构的理想状态,就必须完成倒装计算和正装计算的交替迭代过程,也就是用循环迭代逼近分析的方法。
循环迭代逼近分析方法是依据已知的设计成桥状态进行倒装分析,一位移反推结构的最初状态,由此得到第一次拟理想初试状态,依此初试状态按施工顺序进行正装计算,求出新的成桥状态。
由于几何非线性的影响,倒装、正装一次分析结果并不吻合,因此,要求反复多次进行正装计算、倒装计算,直到计算成桥状态与设计成桥状态一致。
由此得到的收敛值就是理想的初试状态。
(3)混凝土收缩与徐变的分析
倒退分析是桥梁施工阶段的计算方法。
但是以往的倒退分析方法都无法计入徐变收缩对结构内力和变形的影响。
原因是徐变收缩计算在时间上只能是顺序的,而倒退分析方法在时间上又恰好是逆序的。
对于混凝土材料的桥梁(特别是悬浇的情况)如果在结构变位和内力计算中不计入徐变收缩的作用,引起的误差将是显著的。
下面讨论徐变倒退分析方法:
徐变应力——应变可以表达为:
(4-1)
式中:
为初始时刻时的混凝土应力;
为龄期为时混凝土弹性模量;
徐变老化理论有一很重要的特性:
已知结构初始时刻的内力可以求出徐变终了时结构内力;反之,已知结构徐变终了时,由结构内力亦可求出结构的初始内力。
这种特性是徐变弹性体理论和继效理论所不具备的,这就有可能考虑徐变影响对桥梁进行倒退分析。
在实际结构中应力与时间关系近似示于图6。
图6应力与时间关系图
图7中表示时刻的瞬时弹性应力,表示时段的徐变应力增量,实际结构中应力与时间关系
则第个时段的徐变即的徐变应变为
(4-2)
利用积分中值定理,有
(4-3)
令(4-4)
(4-5)
其中
于是式(4-3)有
(4-6)
而老化理论
(4-7)
这样,式(4-4)、(4-5)变换为
(4-8)
将上式代入式(3-8),得:
(4-9)
令(4-10)
(4-11)
由图中看出是时刻的结构真实应力。
由于在倒退分析中,首先已知即时刻的结构真实应力,现在要求第阶段的徐变应力增量,于是需进行如下变换
(4-12)
式中:
(4-13)
为第时刻的结构真切实应力;
(4-14)
称为倒退分析徐变弹性模量。
式(4-12)
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