連續(xù)梁拱橋施工監(jiān)測監(jiān)控與成橋分析

何 山

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315012)

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連續(xù)梁拱橋施工監(jiān)測監(jiān)控與成橋分析

何 山

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315012)

以寧波軌道交通2號線一期工程跨寧鎮(zhèn)公路連續(xù)梁拱橋?yàn)檠芯繉ο螅C合論述連續(xù)梁橋的監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測成果應(yīng)用。

連續(xù)梁 系桿拱橋 監(jiān)測監(jiān)控 成橋分析

1 監(jiān)測監(jiān)控工作概述

寧波市軌道交通2號線一期TJ2111標(biāo)跨寧鎮(zhèn)公路立交連續(xù)梁拱橋橋跨結(jié)構(gòu)形式為(40+85+40) m，施工方法為先梁后拱支架法。連續(xù)梁監(jiān)測監(jiān)控實(shí)行現(xiàn)場分組直控模式，在項(xiàng)目監(jiān)測小組下設(shè)應(yīng)力測量小組、溫度測量小組和變形測量小組，并成立監(jiān)控計(jì)算與分析小組，以負(fù)責(zé)施工控制中監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和施工過程跟蹤計(jì)算等具體技術(shù)問題。工作關(guān)系如圖1所示。

圖1 監(jiān)測監(jiān)控工作關(guān)系

2 施工監(jiān)測前期理論分析

2.1 理論分析和計(jì)算

按照施工方給出的施工工序及設(shè)計(jì)基本參數(shù)，采用結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil 2012進(jìn)行施工過程空間有限元分析。主梁及拱肋均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。全橋共284個梁單元，30個桁架單元，242個節(jié)點(diǎn)。橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖2 連續(xù)梁拱橋成橋階段有限元模型

根據(jù)材料特性、截面性質(zhì)、荷載及邊界條件等對成橋階段進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容及成果如表1及圖3～圖8所示。

表1 吊桿張拉力

圖3 主梁豎向位移計(jì)算成果

圖4 主梁內(nèi)力計(jì)算成果

圖5 主梁應(yīng)力計(jì)算成果

圖6 拱肋豎向位移計(jì)算成果

圖7 拱肋橫向位移計(jì)算成果

圖8 拱肋截面組合應(yīng)力

2.2 合理成橋目標(biāo)

在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下，主橋合理成橋目標(biāo)允許誤差如表2所示。

表2 合理成橋目標(biāo)允許誤差

2.3 施工監(jiān)測預(yù)警值

(1)線形預(yù)警值

當(dāng)主梁或拱肋線形實(shí)測值與理論值超出表3所列的控制值時，發(fā)布初步預(yù)警并分析原因。

表3 施工監(jiān)測線形控制指標(biāo) mm

(2)混凝土應(yīng)力預(yù)警值(C50混凝土)

混凝土應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果啟動初步預(yù)警的預(yù)警值如表4所示。

表4 混凝土應(yīng)力預(yù)警值 MPa

(3)鋼管拱肋應(yīng)力預(yù)警值

鋼管拱肋應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果啟動初步預(yù)警的預(yù)警值如表5所示。

表5 鋼管拱肋應(yīng)力預(yù)警值 MPa

3 連續(xù)梁拱橋監(jiān)測技術(shù)

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

連續(xù)剛構(gòu)橋主梁施工監(jiān)測包括以下主要內(nèi)容：

應(yīng)變監(jiān)測、線形監(jiān)測、溫度監(jiān)測、吊桿索力監(jiān)測。

3.2 應(yīng)變監(jiān)測

(1)測試儀器

選用質(zhì)量高的埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼筋應(yīng)變計(jì)和配套的綜合頻率接收儀作為應(yīng)變觀測儀器。該應(yīng)變計(jì)的溫度誤差小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，特別適合于長期觀測。

(2)監(jiān)測斷面

對邊跨、中跨的梁體進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。在主梁邊跨跨中，中跨L/4、L/2及中墩支點(diǎn)等關(guān)鍵截面布置應(yīng)力觀測點(diǎn)，共9個測試斷面，如圖9所示。

(3)測點(diǎn)布置

主梁每個應(yīng)力測試斷面應(yīng)根據(jù)情況布置不少于8個應(yīng)變測點(diǎn)；拱肋每截面設(shè)4個測點(diǎn)，具體布置如圖10和圖11所示。

圖9 連續(xù)梁拱橋應(yīng)力監(jiān)測截面(單位：cm)

圖10 連續(xù)梁拱橋主梁應(yīng)變測點(diǎn)布置

圖11 連續(xù)梁拱橋主拱應(yīng)變測點(diǎn)布置

(4)應(yīng)力計(jì)的埋設(shè)

應(yīng)力計(jì)按預(yù)定的測試方向固定在主筋上，測試導(dǎo)線引至混凝土表面。施工過程中需注意對應(yīng)力計(jì)和引出導(dǎo)線的保護(hù)。3.3 線形監(jiān)測

(1)主梁線形監(jiān)測

主梁線形控制的實(shí)質(zhì)是保持主梁底板線形平順且滿足設(shè)計(jì)要求。本橋主梁測點(diǎn)布置于箱梁頂板上，每個箱梁橫斷面頂面橫向布置3個測點(diǎn)，布置在橋梁中心線位置以及兩側(cè)翼板外承托的根部。順橋向每節(jié)段設(shè)置一個測試截面，在每節(jié)段箱梁澆筑完成后還應(yīng)測量頂?shù)赘卟?，以便?jì)算箱梁底面高程。采用型號為TC2003的電子全站儀按工程變形三等水準(zhǔn)測量。

(2)拱肋線形監(jiān)測

連續(xù)拱橋還需對拱肋進(jìn)行線形監(jiān)測。拱肋線形包括平面外的線形和平面內(nèi)的線形，通過設(shè)置在拱肋上測點(diǎn)的水平位置與高程來反映。

拱軸線線形測試斷面均設(shè)置于吊桿位置(具體布置在吊桿上錨墊板頂面中心)，每個拱肋上有15個吊桿，共設(shè)15個線形測點(diǎn)。

采用全站儀測量各測試斷面上測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以確定拱肋各位置高程和水平向偏轉(zhuǎn)，測點(diǎn)安裝棱鏡時須保證棱鏡處于豎直狀態(tài)且與拱肋連接牢固。

3.4 溫度監(jiān)測

溫度是影響主梁撓度的主要因素之一。溫度變化包括季節(jié)性溫變和日溫變化兩部分。日溫變化比較復(fù)雜，尤其是日照作用，會引起主梁頂?shù)装鍦囟炔?，使主梁產(chǎn)生撓曲。選擇早晨太陽出來前對撓度進(jìn)行觀測，可以有效地消除日照溫差的影響。季節(jié)溫差對主梁撓度的影響比較簡單，其變化相對均勻。

在主梁混凝土灌注期間及梁體合龍前，選擇良好的晴天，進(jìn)行兩個循環(huán)的溫度觀測。每個循環(huán)從第一天早上7:00時到第二天早上7:00時，每個小時觀測一次，其中9:00到19:00每小時觀測一次，每天18次。

在控制截面上埋置溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測，溫度測試斷面和測點(diǎn)布置同應(yīng)力監(jiān)測布置。

3.5 吊桿索力監(jiān)測

吊索安裝完成后，每根吊索張拉時，測試兩側(cè)相鄰3對索索力。全部吊桿第一次張拉完成后，選取溫度穩(wěn)定的夜間對溫度、主纜線形、主梁線形、主塔變位、全部吊桿的吊桿力進(jìn)行測試。同時進(jìn)行控制反饋分析，達(dá)到對后續(xù)工序監(jiān)控調(diào)整的作用。

索力測試采用索力動測儀，按弦振動法進(jìn)行測試，并選取一根同長度、同類型吊桿進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定方法：在張拉千斤頂與工具錨間安裝測力環(huán)(錨索計(jì))，在張拉過程中讀數(shù)并與頻率法結(jié)果進(jìn)行比對修正。

3.6 監(jiān)測要求

(1)測量誤差要求

主梁高程、里程、軸線測量誤差應(yīng)小于±2 mm。采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變測量，量程采用±1 000～1 500 μm，要求綜合精度高于±0.5%，年漂移量小于±0.5%，經(jīng)溫度補(bǔ)償后溫度漂移小于±1%/10 ℃。采用振弦式索力傳感器的精度為±2%，結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測誤差小于±1 ℃，環(huán)境溫度監(jiān)測誤差小于±1 ℃。

(2)其他要求

鋼管拱肋合龍后，其線形和內(nèi)力受溫度影響較大，測試應(yīng)在一天氣溫較為平穩(wěn)的夜間時段進(jìn)行，所有監(jiān)測項(xiàng)目測試應(yīng)基本同時進(jìn)行；測量時嚴(yán)格控制施工臨時荷載，材料堆放要求定點(diǎn)、定量；線形測量工作由施工方和監(jiān)控方分別進(jìn)行，同時監(jiān)理方進(jìn)行監(jiān)督；所有觀測試的記錄錄須注明施工階段、日期、時間、天氣、氣溫、特殊施工荷載和其它突變因素；每一施工工況完成后，由有關(guān)方進(jìn)行測試，確認(rèn)測量結(jié)果無誤后方可進(jìn)行下一工況的施工。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

施工過程的監(jiān)測監(jiān)控管理主要管控三個節(jié)點(diǎn)工況，分別是：(1)主拱混凝土澆筑完成后(以下稱：澆筑后)(2)吊桿張拉完成、主梁支撐拆除后(以下稱：拆架后)(3)鋪軌完成后的成橋階段(以下稱：成橋)。將監(jiān)測數(shù)據(jù)和過程管理資料按上述施工階段進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)分析。

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別如圖12～圖17所示。

圖12 拱肋軸線偏差(單位：mm)

圖13 拱肋軸線高程偏差(單位：mm)

圖14 主梁高程偏差(單位：mm)

圖15 主梁應(yīng)力偏差(單位：MPa)

圖16 北拱拱肋鋼管應(yīng)力偏差(單位：MPa)

圖17 南拱拱肋鋼管應(yīng)力偏差(單位：MPa)

4.2 數(shù)據(jù)分析及預(yù)警響應(yīng)

對照施工監(jiān)測預(yù)警值，施工過程中拱肋、主梁線形及應(yīng)力狀態(tài)偏差均有部分測點(diǎn)超出預(yù)警值，風(fēng)險(xiǎn)評估工程師共發(fā)出4次初步預(yù)警，對拱肋軸線15個測點(diǎn)、拱肋高程11各測點(diǎn)、主梁高程23個測點(diǎn)、主梁應(yīng)力28個測點(diǎn)和拱肋鋼管應(yīng)力3個測點(diǎn)位置進(jìn)行預(yù)警，并與各參建單位協(xié)同制定糾偏措施。最終在成橋階段，全部拱肋軸線有8個測點(diǎn)偏差得到相應(yīng)控制，8個仍超出成橋目標(biāo)，達(dá)標(biāo)率73.3%，最大偏差值為22.7 mm；拱肋和拱肋高程全部得到控制，達(dá)標(biāo)率100%；主梁應(yīng)力有21個測點(diǎn)位置偏差得到控制，但新增8處超出合理成橋目標(biāo)值，總體達(dá)標(biāo)率由26.3%提高至60.5%；拱肋鋼管應(yīng)力預(yù)警的3個測點(diǎn)均在成橋階段達(dá)到目標(biāo)值內(nèi)，但新增5個測點(diǎn)超出目標(biāo)值。

經(jīng)后期分析，各測點(diǎn)預(yù)警后，應(yīng)力值調(diào)整過程中可能影響周邊梁體或鋼管的應(yīng)力。因此，日后在其他橋梁的監(jiān)測監(jiān)控管理中，應(yīng)注意考慮糾偏措施對其他部位的影響，建立全方位糾偏理念。

4.3 預(yù)警響應(yīng)及措施

初步預(yù)警發(fā)出后，由項(xiàng)目總監(jiān)組織，由建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)測單位參加，召開預(yù)警分析會，會前進(jìn)行現(xiàn)場巡檢，會上進(jìn)行數(shù)據(jù)對比和措施討論，最終制定調(diào)整措施，以預(yù)警會議紀(jì)要形式發(fā)出，作為正式文件指導(dǎo)后續(xù)施工。

針對軸線高程偏低的問題，采取延長保溫、養(yǎng)護(hù)時間和拆模時間等措施；針對應(yīng)力偏差的問題，采取預(yù)應(yīng)力張拉力、伸長量和持荷時間微調(diào)等措施。取得了一定的效果，使多數(shù)偏差得到有效收斂。

5 成橋評析

(1)成橋階段主梁線形平順，主梁測點(diǎn)實(shí)測高程均能滿足控制精度要求。成橋階段拱肋線形平順，南側(cè)拱肋測點(diǎn)實(shí)測高程與理論值的差值均小于26.7 mm，滿足控制精度要求，測點(diǎn)軸線偏位大部分小于控制精度13.3 mm，最大偏差為22.7 mm，測點(diǎn)為J15，位于拱腳位置；北側(cè)拱肋測點(diǎn)實(shí)測高程與理論值的差值均小于26.7 mm，滿足控制精度要求，測點(diǎn)軸線偏位大部分小于控制精度13.3 mm，最大偏差為19.8 mm，測點(diǎn)為J12。

(2)對于施工過程中線形偏差超出預(yù)警值的情況，橋梁監(jiān)控工程師及時發(fā)布預(yù)警通知并提出了調(diào)整措施，大部分測點(diǎn)成橋階段較施工過程偏差有所收斂。

(3)從軸線偏差分析，跨中偏差值較梁段總體偏小。主要是梁端受下部結(jié)構(gòu)偏差影響較大，較難調(diào)整，跨中通過監(jiān)測調(diào)整，偏差值得到較明顯收斂；而軸線高程偏差值全部為負(fù)值，說明預(yù)拱度的設(shè)置，對支撐體系彈性、非彈性變形和地基沉降等參數(shù)的影響分析略有偏差，預(yù)拱度可增加10～15 mm。

(4)施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力與理論計(jì)算值基本吻合，最大拉、壓控制值未達(dá)到預(yù)警值，未出現(xiàn)異常情況。

(5)成橋階段主梁各控制斷面實(shí)測應(yīng)力均為全截面受壓，實(shí)測應(yīng)力平均值與理論值相比，大部分在1.5 MPa以內(nèi)，最大差值為2.91 MPa。成橋階段拱肋鋼管實(shí)測應(yīng)力與理論值相比，大部分差值在10 MPa以內(nèi)，最大差值為12.58 MPa。

(6)成橋階段為冬季，主梁應(yīng)力偏差值均為負(fù)值，儲備一定溫度應(yīng)力，整體偏安全；拱肋鋼管拉應(yīng)力偏差值達(dá)標(biāo)率82%，基本可控。

6 結(jié)束語

連續(xù)梁拱橋是連續(xù)梁拱組合體系橋梁，其設(shè)計(jì)與施工高度耦合，所采用的施工方法、材料性能、安裝程序、拱肋安裝高程以及吊桿張拉力等都直接影響成橋的線形與受力。即便在設(shè)計(jì)時已經(jīng)考慮了施工中可能出現(xiàn)的情況，在施工過程中由于施工誤差，會使實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論狀態(tài)不符。應(yīng)根據(jù)施工中對橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時監(jiān)測的結(jié)果，對施工過程中的控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。此外，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測措施的實(shí)施也有利于保證施工過程中結(jié)構(gòu)安全。

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Monitoring Control and Completion Analysis for Continuous Girder Arch

HE Shan

2016-07-19

何 山(1972—)，男，畢業(yè)于重慶大學(xué)，高級工程師。

1672-7479(2016)05-0014-05

TU196+.1； U446.2

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