混凝土斜拉桥施工监控技术研究

混凝土斜拉桥施工监控技术研究
摘要:有效地组织管理,分析、反馈施工现场的真实状态,同时进行结构仿真分析,在斜拉桥施工中已发挥了重要的作用。

论文在斜拉桥施工监控制技术发展趋势基础上,结合实际桥梁施工监控实例,展开了有针对性地探讨,包括施工监控的目标、施工阶段的跟踪检测的内容、施工过程中仿真分析等,从而达到保证斜拉桥施工过程中的受力安全的目的,最终实现满足设计要求的成桥状态。

关键词:施工监控组织管理分析反馈结构仿真分析
混凝土斜拉桥施工过程中的安全和成桥状态是否能满足设汁要求,桥梁工程界非常关心和必须解决的问题。

通常的混凝土斜拉桥工程规模都很大、构造复杂、技术难度高。

施工具有很强的系统性,是一个系统工程。

施工就是系统的运行,施工过程中结构的安全、成桥后满足设计的要求、达到预期的目标,就必须对施工全过程进行控制,才能确保控制目标的实现。

混凝土斜拉桥的施工监控中可以通过计算来预测结构内力和变形,并采用相应的检测方法了解工程实际参数,加以对应比较,从而达到保证施工质量,指导施工顺利进展的目的。

同时施工过程中收集的大量资料为今后桥梁营运的安全,提高结构耐久性提供有价值的参考信息。

目前在我国虽然斜拉桥施工监控已经是桥梁建设必不可少的重
要环节,但还是不太成熟。

有关斜拉桥施工监控的理论研究,工地现场实践操作,都没有进行系统、完善的总结分析工作。

混凝土斜拉桥施工过程中结构受力比一般梁桥、拱桥都复杂得多,材料参数、环境变化对施工都有较强的影响。

因此只有施工过程中的监控,来保证桥梁成桥线形、受力等参数符合设计的要求,不会出现工程质量问题和安全事故隐患。

1 斜拉桥施工监控的目标
在桥梁结构高技术施工过程中,斜拉桥施工监控是不可缺少的部分,它集技术性、时间性、协调性于一体,贯穿于整个施工过程的始终。

在大跨度预应力混凝土连续梁桥的工程建设中,许多结构构件在施工期内都会产生变化复杂的内力和位移。

为了保证施工质量和施工安全,尤其是成桥后的线形,针对上部箱梁结构的理论力学计算分析和现场监控都是非常必须的。

与施工同步的监测,对施工过程中各阶段各工况下控制断面的内力、挠度等出现的问题进行跟踪测试,并进行预应力损失和箱梁日变化规律等方面的测试,在测试的过程中,注意收集大量数据信息及资料,将现场实测数据与设计单位提供的理论计算结果进行比较,一方面可以及时发现和避免桥梁结构在施工过程中出现超出设计范围的参数和结构的破坏,另一方面也能够及时调整设计中的不足,及时修正某些理论参数,确保工程的正确性和安全性。

2 施工监控的检测项目
与混凝土斜拉桥施工过程同步的检测内容很多,便于操作的项目通常有以下几种。

2.1 索力测试
斜拉桥是缆索承重的一种桥梁。

由于斜索的存在使得桥梁上部结构,主梁恒载及车辆活载产生的作用大部分是通过斜索传给塔柱,再传到基础,从而得出跨越能力大的效果。

在满足上部结构主梁基本刚度及抗风稳定性要求的前提下,实现等高度主梁的结构形式,因而结构轻巧,节约了上部结构主梁的材料用量,达到了美观与经济的统一。

由于斜索只承受拉力,不能承受压力,斜索的索力变化及变形对主梁和塔柱的内力与变形影响都很大。

因此需要严加控制斜索的索力。

斜索索力的检测是这类包含柔性构件结构检测的特点之一,通过准确地测取索力,可以充分掌握全桥结构的受力状态。

斜拉桥成桥后索力的检测方法有:频率法、磁通量法和光纤光栅法。

光纤光栅法所用的传感器是在光纤的纤芯范围,采用紫外光对光纤侧面进行曝光或其它方法写入,使该段范围内的折射率沿光纤轴线发生周期性变化,再通过周期性变化栅格的反射波长的移动,来感应外界物理量的变化,这种测量技术的特点是尺寸小、线性度高且重复性好、抗电磁干扰和抗腐蚀能力强、绝对测量和响应速度都很快的优点。

是结构健康监测的理想的,一种有较高的精度的技术。

不过目前这种方法并未大范围推广应用,普及率,从而价格太高。

磁通量法是一种测定索力、监测斜索锈蚀程度的非破坏性方法。

这种方法的使用是预先将作为传感器的磁通环套在斜索上,通过测定磁通量变化,根据索力与磁通量之间的关系来推算索力。

磁通量法所用的传感器材料是电磁是,由两层线圈组成,因此不会影响索的任何力学和物理特性,除了温度之外几乎不受其他干扰因素影响,相对别的检测方法精度较高。

缺点是对于没有预埋传感器的斜索测量是不能应用的。

此外传感器和测试仪器价格很高,一般大跨度斜拉桥的斜索都有上百根,甚至好几百根,若每根索都安装磁通量传感器,成本太大。

目前有一种新型的磁通量传感器,是由两个半环合成,检测索力时可以随时随地扣在斜索的外面进行,这就可以大减小检测工作的成本。

但半环合成磁通量传感器灵敏度非常低,而且很不稳定,尚处于研制阶段,没有实际工程价值。

频率法检测索力是在人工或环境激励下,利用加速度传感器拾取斜索的随机振动信号,即时域图;再通过FFT将时域图转化为斜索的频谱图,确定斜索的各阶自振频率;根据索力与自振频率之间的对应关系到实测的索力。

频率法测量索力是一种间接方法,其精度取决于高灵敏度拾振技术以及准确的索力与频率关系。

检测时将加速度传感器简单地固定在斜索上,能同时进行单根或多根索力的检测。

因为不需要预埋传感器,不仅适用于施工中的桥梁,也适用于成桥检测和长期监测,尤其是事先没有预埋其它传感器的旧桥的检测,几乎是唯一的选择。

不用预埋加速度传感器,可重复使用,成本较低,精度也较好的,因此是当今使用最为广泛的索力检测手段。

利用振动频率法求索力,可以确保斜索的安全。

因为斜拉桥实际的索力只是斜索极限强度的40%左右,只要斜索不发生锈蚀,锚固区不出现松动、损伤等现象,斜索一般是不会发生问题的。

但若要充分了解斜索的工作状态,还远远不够。

已有的研究工作指出,斜索的刚度、垂度、仰角以及风力、雨雪等因素对自振频率都有影响,要正确地掌握斜索的索力,还应考虑消除这些因素的影响。

2.2 主梁应力与线型的检测
斜拉桥主梁是承受外力的主要构件,在施工中荷载直接或间接作用于主梁,使之应力与变形随着荷载的分布和大小不断地产生相应的变化,进行调整,使整个结构系趋于新的平衡。

目前主梁的应力还无法直接测定,是通过变形的观测来了解其受力状况及变化规律。

在斜拉桥结构中主梁与索塔、斜索之间的受力与变形存在着相互影响、相互制约的关系。

因此主梁的受力情况及内力分也是斜拉桥检测的一项主要内容。

结构变形情况是反映其受力的一个重要参数,在斜拉桥施工过程中,通过标高的测量可以直接了解主梁的线形,通过不同阶段标高比较,可以掌握并预测挠度的发展趋势,同时也为主梁受力分析提供重要资料。

在梁的不同施工阶段,受力状态是不断变化的。

对于已成的梁部分来说,随着下一施工阶段的进行,受力性能可能会得到不同程度的改善。

应力测试要求,各梁段施工过程中应力实测值与设计值应有一定的距离,以保证结构自身的调整,使最终能满足要求。

另外梁的应力还
与自已的标高和斜索的索力等参数有关。

所以检测主粱标高、应力和索力最好是同步进行,一起进行分析,才能更好地了解主梁的实际受力状况。

2.3 预应力损失测试
斜拉桥主梁结构跨度一般较大,都是应用预应力混凝土。

施工张拉力能否有效传递,张拉时的预应力损失是施工、设计等有关部门极为关注的问题。

预应力损失测试时,可在梁段两端的锚垫板与锚具之间预置钢套环,并在钢套环上粘贴金属应变片,通过跟踪测试箱梁预应力张拉时的两端钢套环的应力差,反映出预应力的摩阻损耗情况。

同时对照张拉时使用的油压表与延伸率双向控制结构,确定检测应力损失值。

根据设计单位提供的有关预应力损失计算参数,包括钢束松弛率、摩擦系数、孔道偏差系数、锚具回缩变形等,可计算各施工节段箱梁预应力筋的应力损失。

预应力损失实测值与设计计算值必须基本相符合。

2.4 日变化规律测试
由日变化规律测试可知,在跟踪观测日,箱梁室外阴、阳面温差较大,而箱梁室内温度变化不明显,箱梁受日温及光照影响变化不是很均匀。

在室外温度变化值较大时,梁底挠度有明显的影响。

有资料表明,某些结构当温度升高时箱梁梁底标高上升;当温度下降时梁底标高下
降。

同时箱梁底板跨中顺桥向应变在一定程度上受昼夜温差影响。

2.5 主塔塔顶定位测量
斜拉桥的索塔是斜拉桥的主要承重构件之一,索塔的水平偏移是斜拉桥结构分析的一项重要参数,索塔的偏移又以塔顶最为显著,测量索塔塔顶的位置,及时纠正偏位,可能保证斜拉桥结构的整体平衡。

塔顶定位测量工作可使用全站仪。

测量工作是在主测站架设仪器,在后视点和塔顶的观测点分别竖立觇牌和红外线反光棱镜作为观测目标。

主测站读取各目标的相关参数后,通过坐标转换计算求得各点空间坐标,确定是否存在偏移。

2.6 裂纹调查
混凝土斜梁施工过程中,经常存在不同发育程度的裂纹,除有可能在底板出现裂纹外,大多出现在腹板上。

根据检测资料统计,裂纹基本上分布在各跨1/4至3/4梁段之间,宽度大部分在0.1mm与0.2mm之间,裂纹之间的间距一般为2～5m。

裂纹形状主要表现为腹板外壁下宽上窄,腹板内壁中间宽、两头窄。

如果有关施工方案调整好,结构裂缝可以有效地控制。

大量的工程实践和理论分析表明,对于大体积混凝土箱梁施工,要想完全避免裂纹的出现是很难做到的,但是如果设计方案和施工措施作出一定的协调,裂缝是可以克服和控制的。

设计单位与施工单位应进行及时沟通和配合,在设计时要考虑施工的可行性,保证结构计算模型接近施工实
际情况,为施工的顺利进行打下基础;同时,施工单位在积极调整配合比的同时,尽量克服因天气、施工条件不便给养护带来的问题,加强施工现场的监督和管理,确保施工工艺符合结构设计受力的要求。

试验监测数据表明,只有当设计单位与施工单位互相协调,共同努力,才能保证施工的顺利进行,取得一定的成效。

2.7 其他项目
对于采用支架施工的工程,由于支架要承受施工过程中桥梁的大部分恒载,必须有足够的强度、刚度。

作用荷载后的挠度要有充分的估计和计算,特别是要设置相应的预拱度,以便使主梁线形符合设计要求。

分层浇注混凝土时,应尽量缩短两次浇筑的时间差,充分考虑两次浇注的各部分混凝土由收缩引起的体积变形,新旧混凝土的结合部不同的收缩变形引起的应力,大体积混凝土的浇筑水化热引起的的温度应力等等。

3 施工过程中的仿真分析
桥梁结构仿真技术的应用日臻广泛,已在桥梁工程中的设计、施工监控和检测中必不可少的重要环节。

斜拉桥的仿真计算是在于建立一个能够全面、正确反映桥梁结构真实性态的完整的有限元仿真模型,根据斜拉桥的结构特点和力学特性,进行计算分析,以代替一部分实际的工作,减轻一部分实际工程的工作量。

斜拉桥仿真模型建立的过程中,计算模式和计算理论的选择应该
能够准确模拟承载构件的空间位置、尺寸、材料特性以及连接形式和荷载作用等因素。

然后进行大规模的全桥结构效应分析计算,得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。

在建模过程中单元的合理选取和划分、边界条件的正确模拟都是如实反应桥梁实际状态的要点。

基于有限元仿真模型的结构理论计算结构和斜拉桥实际检测结果的对比分析,可以相互验证,找出存在的错误,为今后修正更准确地建模提供依据,为以后的检测工作提供指导作用,以达到替代一部分的斜拉桥检测工作的目的。

混凝土斜拉桥施工监控的仿真计算,除了考虑正确建模之外,还应兼顾斜拉桥的动态因素。

在斜拉桥建造过程中,由于荷载与环境因素的作用,主梁标高、索塔位置都不是确定不动的,因此在仿真计算时有限元分析的各单元结点的坐标应根据实际工作状态而有所调整,这就要求仿真计算必须与实际检测结合起来,才能真正准确地反映斜拉桥的受力状态。

4 研究展望
斜拉桥施工控制的方法很多,应根据施工的实际情况,具体问题具体分析,选择合适的施工计算方法和施工控制方法。

应建立完善的施工管理体系和控制体系,保证施工控制工作的顺利进行。

另外,还应该考虑立模、浇注混凝土及修正温度对施工控制的影响,做好施工监测工作。

通过对监测数据的分析,对施工计算的理论数据进行修正,以保证大桥施工过程中的受力安全和实现最终的成桥状态。

虽然大跨度斜拉桥的成桥状态分析和施工阶段模拟计算展开了较为深入研究并开展了具体的工作,但很多具体问题的分析还不够深入。

斜拉索在长期风荷载作用下的疲劳分析和桥梁结构的整体抗震分析等,这些因素都会对斜拉桥运营过程中的主梁受力和线形产生一定的影响。

除了合理成桥索力和施工初始张拉力外,其他内容也可采用软件的计算进行方案比选。

由于斜拉桥的施工过程是个很复杂的过程,且影响因素众多,在建模和分析阶段都进行了些简化,而斜拉桥的施工过程的仿真模拟内容还是相当复杂的。

将计算数据和实际施工过程中的实测数据进行对比分析,一定存在很多不同之处,以后需要待进一步完善。

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