斜拉桥施工监控实施方案.docx

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斜拉桥施工监控实施方案

施工监控方案

编制：

刘海宽

复核：

崔文涛审核：

唐国斌

第一章工程概述1

1.1东运河桥工程概述1

1.1.1桥梁概况1

1.1.2主要技术标准1

1.1.3施工方法概述2

1.2西运河桥工程概述2

1.2.1桥梁概况2

1.2.2主要技术标准3

1.2.3施工方法概述3

第二章监控的依据、目的、内容和方法6

2.1施工监控依据6

2.2监控目的和内容6

2.3施工监控方法7

第三章监控仿真计算与分析方法9

3.1施工过程仿真分析9

3.1.1有限元模型9

3.1.2仿真计算内容10

3.2计算分析方法11

3.3控制误差分析14

3.4各类误差处理方法15

3.5结构设计参数识别18

3.6控制的实时跟踪分析18

3.7索力调整的方法18

第四章施工监测工作方案20

4.1线形监测20

4.1.1索塔轴线偏移测量20

4.1.2主梁线形测量21

4.1.3线形监测设备23

4.2应力监测23

4.2.1索塔应力监测24

4.2.2主梁应力监测25

4.2.3传感器的选择与埋设27

4.2.4应力监测流程与注意事项29

4.3索力测试29

4.4温度测试31

4.5支架变形监测33

4.6其他监测内容34

4.7基础资料收集与分析34

4.8施工控制精度35

第五章施工监控工作重点与难点37

5.1支架现浇施工特点37

5.2施工监控工作重点37

5.3施工监控工作难点39

第六章施工监控工作组织41

6.1施工监控组织流程41

6.2施工监控协调与分工41

6.3文件传递与提交42

第七章质量保证及安全措施45

7.1质量保证措施45

7.2人员与仪器设备47

7.3人员安全保障措施49

7.4施工监控安全预警49

7.5应急预案与处理措施50

第八章荷载试验及运营期健康监测建议52

8.1荷载试验52

8.2运营期健康监测建议52

附表54

第一章工程概述

1.1东运河桥工程概述

1.1.1桥梁概况

郑州市郑东新区北三环跨东运河桥西接北三环路-龙翔三街交叉口，东接北三环路-朝阳路交叉口，跨越东运河。

桥梁总长272m，设计起点桩号K4+652.175，终点桩号K4+924.180，左右分幅布置。

东运河桥主桥设计为独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用塔墩梁固结体系，主桥跨径布置为（80+112）m，分左右两幅，左右幅镜像对称，两幅桥之间为已竣工的北三环下穿隧道。

左幅桥宽29.5m、右幅桥宽27.0m，梁高均为2.8m。

斜拉索索体采用环氧喷涂钢绞线成品索，在塔身内设置鞍座，梁端张拉。

北三环跨东运河桥左幅立面布置如图1.1所示。

图1.1北三环跨东运河桥立面图（左幅）

1.1.2主要技术标准

（1）桥梁设计基准期：

100年。

（2）桥梁设计荷载：

城-A级，人群荷载按规范取值。

（3）桥梁结构设计安全等级：

一级。

（4）环境类别：

Ⅱ类。

（5）地震烈度：

抗震设防烈度7度，地震动峰值加速度为0.15g。

（6）设计速度：

60km/h。

（7）桥梁横坡：

车行道、非机动车道及慢行系统-向外1.5%；

人行道-向内1.5%。

（8）防撞等级：

车行道设防撞护栏，防撞等级：

SB,SBm。

（9）桥面防水等级：

Ⅰ级。

1.1.3施工方法概述

本桥主梁采用满堂支架现浇施工，索塔拟采用爬模法施工。

主要施工步骤为：

（1）四通一平，施工队伍进场；

（2）全桥桩基础及承台施工，搭设主梁施工支架，支架预压；

（3）施工主塔下塔柱；

（4）施工主桥墩顶段：

立模板、绑扎钢筋、浇注箱梁混凝土；同时施工桥塔上塔柱；中间引桥箱梁与主桥箱梁可同步施工；

（5）施工主塔两侧余下部分主梁，完成后张拉箱梁横、纵向预应力；同步

继续施工索塔直至桥塔封顶；满堂支架施工引桥；

（6）同步安装斜拉索，逐根分级对称张拉斜拉索至设计索力，主梁脱架；安装塔上避雷设施；

（7）拆除主塔吊机（或支架）；拆除河中施工支架；

（8）施工桥面系及附属设施；清理河道，荷载试验，作通车准备。

1.2西运河桥工程概述

1.2.1桥梁概况

郑东新区龙湖区北三环跨西运河桥梁工程位于郑东新区龙湖地区北三环与众意路交叉口西侧，跨越西运河，是北三环道路工程东延段的一部分，位于规划的龙湖半岛西南侧。

桥梁平面位于直线上，最大纵坡-1.83%。

桥梁设计起点桩号K1+906.00，终点桩号K2+133.00，桥梁全长227m。

本桥设计为独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用塔墩梁固结体系，跨径布置为（40+109+70）m，分左右两幅，左右幅镜像对称，两幅桥之间为已竣工的北三环下穿隧道。

左幅桥宽29.0～24.5m、右幅桥宽26.5～22.0m，梁高均为2.5m。

斜拉索采用高密度聚乙烯护套无粘结预应力钢绞线成品索。

本桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩。

北三环跨西运河桥左幅立面布置图如图1.2所示。

图1.2北三环跨西运河桥立面图（左幅）

1.2.2主要技术标准

（1）桥梁设计基准期：

100年。

（2）桥梁设计荷载：

城-A级，人群荷载：

2.4kN/m2。

（3）桥梁结构设计安全等级：

一级，重要结构。

（4）环境类别：

Ⅱ类。

（5）地震烈度：

地震烈度为7度，地震动加速度峰值为0.15g。

（6）设计速度：

60km/h。

（7）桥梁横坡：

车行道、非机动车道及慢行系统-向外1.5%

人行道-向内1.5%

（8）防撞等级：

机动车道两侧护栏采用SB级。

（9）风荷载：

运营期100年重现期设计基本风速28.7m/s；

施工期20年重现期设计基本风速25.3m/s。

1.2.3施工方法概述

1、主塔及基础施工顺序

（1）主塔

a、平整场地；b、桩周注浆；

c、桩基钻孔施工，边钻孔边下放钢护筒，浇筑桩基混凝土；d、开承台基坑，切割承台以上多余钢护筒，平整基底并夯实；e、浇筑承台垫层混凝，绑扎承台钢筋，浇筑承台混凝土；f、绑扎承台钢筋，浇筑承台混凝土；

g、浇筑塔墩混凝土；h、爬模法浇筑上塔柱混凝土。

（2）辅助墩a、平整场地；b、桩周注浆；

c、开挖承台基坑，平整基底并夯实，施工钻孔桩；d、浇筑承台垫层混凝土，绑扎承台钢筋，浇筑承台混凝土；e、施工墩身。

（3）桥台

a、平整场地；b、打入桩基桩护筒（边跨桥台），施工钻孔桩；c、绑扎盖梁钢筋，浇筑盖梁混凝土；

d、待主梁预应力张拉完毕后，浇筑背墙及耳墙混凝土。

2、主梁

（1）主梁0#段与主塔横梁同步采用满堂支架施工，主要施工步骤如下：

a、支架预压，消除非弹性变形；b、立模现浇混凝土，由支架两端向中间对称浇筑；c、0#段节段的混凝土养护，特别注意主梁和横梁等被模板封闭的部分养护，

在养护混凝土的初始结硬过程中，不得对被养护的混凝土有扰动（在主梁混凝土

施工中均按此要求）；

d、待混凝土强度达到设计强度的95%以上时，张拉横梁预应力钢束。

（2）主梁阶段施工采用满堂支架。

主要施工步骤如下：

a、支架预压，消除非弹性变形；b、由桥塔向两侧立模逐段现浇主梁混凝土；

c、每个节段均由支架两端向中间对称浇筑，覆盖并洒水养护；d、施工缝凿毛并清洗干净；

e、浇筑下一节段；

f、待混凝土强度达到设计强度的95%以上时张拉预应力钢束；g、对称张拉斜拉索，拆除施工支架。

第二章监控的依据、目的、内容和方法

2.1施工监控依据

（1）郑州市郑东新区北三环跨东运河桥施工图（2014.07）；

（2）郑东新区龙湖区北三环跨西运河桥梁工程施工图设计（2014.08）；

（3）郑州市郑东新区北三环跨东运河桥相关施工方案文件；

（4）郑东新区龙湖区北三环跨西运河桥相关施工方案文件；

（5）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；

（6）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；

（7）《公路斜拉桥设计细则》（JTG/TD65-01-2007）；

（8）《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）；

（9）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）；

（10）《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）；

（11）《城市桥梁工程施工与质量验收规范》（CJJ2-2008）；

（12）其它相关国家及行业标准。

2.2监控目的和内容

斜拉桥的特点之一是设计和施工的高度耦合，施工方法的不同，不但影响结构安装时的应力，而且对建成后的桥梁最终应力状态和几何线形也有很大影响。

该项目两座桥梁均为支架现浇施工斜拉桥，为确保桥梁设计的合理成桥状态在施工中顺利实现，必须进行施工控制。

另外，该项目两座桥梁左右幅之间为已竣工的下穿隧道，由于规划的限制，隧道与桥梁边缘距离很近，桥梁的施工将对隧道产生一定的影响，施工期间需对隧道变形进行监测。

本项目施工监控即针对桥梁设计目标，通过施工过程模拟分析、现场监测以及误差识别与预测，对桥梁施工过程中的结构进行反馈控制，以实现设计要求的成桥结构受力与线形状态。

施工监控的具体内容和目的包括以下7方面：

（1）计算复核设计成桥状态和确定合理施工状态；

（2）通过调整和控制标高，确保全桥线形符合设计要求；

（3）优化和调整斜拉索成桥索力；

（4）控制主塔应力和线形；

（5）通过对全桥关键截面应力进行控制，确保成桥内力符合设计要求；

（6）监测桥梁支架应力及变形，确保支架施工安全；

（7）左右幅桥梁之间下穿隧道位移监测（另见隧道变形监测方案）。

2.3施工监控方法

施工控制是一个预告、施工、量测、识别、修正、预告的循环过程系统。

系统除了应具备常规的结构分析计算功能外，还应具备在施工现场根据实测参数消除设计与实际不一致的自适应能力，并能及时提供标高和索力修正值。

因此，本项目选用自适应控制方法。

其基本原理为：

通过施工过程的反馈测量数据不断更正用于施工控制的跟踪分析程序的相关参数，使计算模型适应实际施工过程，当计算模型能够较准确地反映实际施工过程后，以计算结果指导以后的桥梁施工。

由于经过自适应过程，计算模型已经与实际施工过程比较吻合，因而可以达到线形与内力（索力）状态双控的目的。

如图2.1所示，自适应控制方法基本步骤如下：

（1）首先以设计的成桥状态为目标，按照设计参数，计算确定每一施工步骤应达到的分目标；

（2）根据上述分目标开始施工，测量实际结构的变形等数据；

（3）根据实际测量的数据分析和调整各计算参数，以调整后的参数重新计算确定以后各施工步骤的分目标。

（4）反复上述过程即可使计算模型与实际施工相吻合，各分目标也成为可

实现的目标，进而利用计算模型指导以后的桥梁施工和进行必要的调整与控制。

实测

数据库

图2.1施工过程控制框图

第三章监控仿真计算与分析方法

3.1施工过程仿真分析

3.1.1有限元模型

针对本项目桥梁的结构及施工特点，拟采用桥梁有限元软件midasCivil梁/板单元模型对结构进行离散，建立该桥的有限元模型；施工过程中的支架采用只受压单元模拟。

1.施工过程的模拟

在对桥梁结构进行施工过程仿真计算时，为了得到主塔及主梁结构任意截面处在施工各阶段的内力和变形的动态变化情况，必须进行多步骤连续求解。

建立桥梁有限元模型时，将结构各单元及节点一次建立完成，然后根据施工阶段的划分，依次激活或钝化单元来模拟施工过程。

在整个计算中的位置和编号固定不变，无需进行多次单元重新划分。

2．荷载因素

在桥梁施工控制仿真分析中，为了保证分析结果的精确性和结构的安全性，对施工过程中所有的荷载作用必须充分考虑。

分析中需要考虑的荷载情况如表3-1所示。

表3-1施工仿真分析的荷载分类表

编号

分类

荷载名称

作用说明

结构恒载

构件重力

静重力、动力（静重力的1.2倍）

构件重力偏差

构件重力的2%～5%

构件不平衡荷载

一个构件差异

施工活载

分布荷载

按桥面面积计算

集中活载

视具体情况定

动力活载

构件重力的10%～20%

顺桥向活载

视具体情况定

其他荷载

预应力或索力

预应力筋形状、预加力大小

收缩及徐变影响力

结构变形与内力，该值相对较小

温度影响力

均匀温差和温度梯度

风载作用力

等效风荷载横桥向分量

3.非线性影响因素

本项目桥梁设计均为独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，拉索长度较大，非线性对拉索存在一定的影响，在施工仿真分析中拟考虑采用Ernst公式对斜拉索进行刚度修正，以修正拉索垂度的非线性效应。

3.1.2仿真计算内容

施工监控有限元仿真计算的主要内容包括以下几个方面：

1.复核设计所确定的成桥状态和施工状态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，对成桥阶

段和各施工阶段的设计索力、变位、应力及线形（预拱度）等进行计算并与设计计算资料进行相互校核比较。

2.实时跟踪计算

根据现场实测的索力、梁体刚度、线形、温度等设计参数，进行反复计算，拟合桥梁控制参数值，使计算值与实测值之间的差别达到最小，再根据前阶段所拟合的参数值和实测索力、线形、温度及应力等计算下一阶段的合理索力及线形的调整量。

3.中间索力调整计算

由于施工中存在各种不利因素，如索力张拉误差等，而计算时各个参数值也

有偏差以及计算本身存在的误差等，当桥梁施工至一定节段时，索力及线形会有

一定的偏差，需进行中间调索计算，按索力、线形双控的原则优化调索工作。

4.成桥索力调整计算主梁建成后，将实测索力、线形与设计索力、线形进行比较，对索力偏离设

计值较大的索或线形偏离设计值较大的梁段处的索进行调整、优化，使全桥索力与线形均能满足设计要求。

5.稳定性控制

稳定性验算及控制内容包括：

①主梁、索塔临时结构（或杆件）稳定性验算；

②施工中的结构（局部和整体）稳定性验算和控制；③影响施工中结构（含临时）

稳定的因素分析、监测与控制。

3.2计算分析方法

1.考虑未闭合配合力的正装计算

该桥采用支架现浇施工，桥梁结构从开始施工到成桥必须经历一个复杂的施工安装和体系转换过程。

施工过程结构体系不断变化，增加了施工控制的难度。

为了决定安装拉索时的控制张拉力，首先要确定在成桥阶段恒载作用下的初始平衡状态，然后再按施工顺序进行施工阶段分析，检查施工方法的可行性，最终找出最佳的施工方法。

斜拉桥正装计算难以确定的是斜拉索初张力，为了得到初始张拉力值通常先进行倒拆分析，然后再利用求出的初始张拉力进行正装分析。

采用这种分析方法，往往出现正装和倒拆的张力不闭合。

主要是由倒拆分析和正装分析时的结构体系差异导致，即正装分析时得到的最终阶段（成桥阶段）的内力与单独做成桥阶段分析（平衡状态分析）的结果有差异。

初始平衡状态分析（成桥阶段分析）时，同时考虑了全部结构的自重、索拉力以及二期荷载的影响。

但在正装分析时，所有阶段的加劲梁会因为自重、索拉力产生变形，合拢时合拢段只受自身的自重影响而不受其它结构的自重和索拉力的影响。

如上所述，结构体系的差异导致了初始平衡状态分析（成桥阶段分析）与正装分析的最终阶段的结果产生了差异。

桥梁有限元软件MIDAS/Civil能够在小位移分析中考虑假想位移，以无应力长为基础进行正装分析。

这种通过无应力长与索长度的关系计算索初拉力的功能叫未闭合配合力功能。

利用此功能可不必进行倒拆分析，只要进行正装分析就能

得到最终理想的设计桥型和内力结果。

未闭合配合力是由施工过程中产生的结构位移和结构体系的变化而产生的拉索的附加初拉力。

进行正装分析时，把计算的索力与未闭合配合力反映在索张力上，即能使初始平衡状态和施工阶段正装分析的最终阶段的结果相同。

2.未闭合配合力的计算方法

（uj,vj）

如图3.1所示，首先在安装拉索的前一阶段，求出拉索两端节点的位移。

利用拉索两端的位移，求拉索变形前长度（L）与变形后长度（L’）之差（ΔL）。

根据差值求出相应的拉索附加初拉力（ΔT）。

把求出的附加初拉力（ΔT）和初始平衡状态分析时计算得出的初拉力（Ti）叠加作为施工阶段的控制张力（Tf）进行施工阶段的正装分析。

L'-L=∆L=VbCos8+UbSin8

ΔT=

EAΔLL

Tf=Ti

+∆T

图3.1未闭合配合力的计算

3.立模标高计算

主梁立模标高的合理确定，是关系到主梁线形是否平顺、是否符合设计的关键。

如果在确定主梁立模标高时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确的控制，则最终桥面线形较为良好；如果考虑的因素与实际情况不符合，控制不力，则最终桥面线形会与设计线形有较大的偏差。

为保证主梁施工精度和成桥状态的结构线形能满足设计要求，在施工前需精确计算出主梁各阶段的预拱度，以此作为施工立模的依据。

主梁的立模标高不等于设计中桥梁建成后的标高，需要通过设置预拱度，以抵消施工中产生的各种变形（挠度）。

立模计算公式如下：

式中：

△k=△s+fy+fz

△k：

主梁线形施工控制理论值（梁底立模标高）；

△s：

设计高程值；

fy：

设计预拱度，fy=-（fd+fl/2）；fd：

恒载包括索力、预应力、自重、二期恒载、收缩徐变等产生的挠度值，

其中索力采用设计值；

fl：

活载产生的挠度；fz：

支架预拱度，支架变形量的负值，综合理论和预压实测值采用。

4.施工阶段斜拉索张拉力优化

根据优化求得的斜拉索成桥索力是满足成桥控制目标的期望值，它是所有斜拉索瞬时同步施工的预张力。

但实际施工过程中，斜拉索是分批张拉的，期间伴随着结构的变形及内力的重分布。

前期张拉的斜拉索索力直接影响后期斜拉索张拉的张拉力，而后期张拉斜拉索亦会对先期斜拉索的索力有着直接的影响，最终影响全桥成桥索力，使主梁和主塔达不到满足控制条件的内力状态，需要进一步对各斜拉索进行索力的调整，这将给施工带来很大的不便。

因此本桥施工过程中为缩短施工时间和方便施工操作，需对斜拉索各阶段的张拉大小进行控制，在确保结构安全的同时，尽量减少斜拉索张拉次数，使各斜拉索施工完毕后的预张力达到或接近控制期望值，从而使成桥状态满足期望的内力和线形状态。

确定施工阶段斜拉索张拉力的方法如下：

利用施工仿真分析的模型，计算分析各批次的斜拉索初始张力；当实际施工中由于各种因素造成结构的实际施工状

态偏离理想控制目标时，利用优化分析方法对已安装的斜拉索进行索力调整。

此时索力优化调整将以结构主要控制截面的位移偏差最小为目标函数，结构控制截面的内力为约束条件。

5.施工阶段理想状态的确定

施工控制中将利用有限元模型对施工全过程进行正装仿真计算，通过计算可以得到施工阶段任意截面的内力和线形动态变化曲线。

然后根据仿真计算结果对施工过程的关键工况进行局部结构应力分析，为全桥的应力控制提供理论数据。

3.3控制误差分析

桥梁施工误差主要有：

结构几何形态参数，截面特征参数，与时间相关的参数，荷载参数，材料特性参数，施工工艺引起的误差，施工监测引起的误差，结构分析计算模型误差等。

概括起来，桥梁结构施工误差主要来自两个大的方面：

预测误差和实测误差，对于预测误差是由用于结构行为预测的数值模型与实际情况不一致引起的；实测误差主要是由仪器测试精度和环境干扰引起的。

1.误差调整思路

桥梁施工过程复杂，施工过程不确定因素多，其预测误差往往会更大一些。

在此，提出通过误差辨识、误差修正和误差控制等环节进行施工误差调整，如图3.2所示。

在施工误差调整中，首先根据误差规律、特点等，对误差来源进行辨识，并对误差的影响进行评估。

其次根据误差辨识的结果，提出误差修正方式。

对于实测误差，一般可通过提高测试仪器性能、选择更合适的测试环境等方式来改善；对于预测误差，拟采用模型修正的方法提高预测精度。

最后，要根据误差对成桥状态影响程度，确定误差调整控制的具体策略，包括如何消除、分几个阶段消除等。

图3.2施工误差调整思路

2.误差调整重点

基于模型修正技术的施工误差调整方法是该桥施工监控需重点研究的问题，

包括如下几个方面的内容：

①有限元离散：

有限元的单元类型、网格尺寸；

②边界条件：

支承条件、不同构件间的连接方式等；

③结构尺寸：

板厚度、梁高等；

④荷载条件：

如临时荷载大小、位置，有效预应力计算参数等；

⑤设计参数，如弹性模量、容重等。

对于有限元离散、边界条件的误差修正，主要通过精细化的有限元模型对监控模型进行校准；对于结构尺寸、荷载条件的误差修正，主要是通过现场量测结果对监控计算模型的有关尺寸参数进行调整；对设计参数误差，首先要通过参数敏感性分析，确定对误差敏感性强的设计参数，其次是要根据施工过程的误差情况，对误差敏感的设计参数进行识别和修正。

3.4各类误差处理方法

引起理论预测误差的原因是多方面的，归纳起来主要有：

施工荷载变化、结构性能差异、周围环境影响和计算模型失真等类，如表3-2所示。

下面分别阐述四类误差对施工控制的影响情况及相应的处理方法。

表3-2结构状态误差因素分类表

误差来源

误差类别