混凝土斜拉桥施工监控.docx
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混凝土斜拉桥施工监控
预应力混凝土斜拉桥施工监控
摘要：
斜拉桥是现代大跨度桥梁最具竞争力的桥型之一。
随着斜拉桥跨度和构造复杂性的增大，斜拉桥的施工监测与控制对保证桥梁的顺利建成起着重要的作用。
斜拉桥的施工监测的目的是了解在施工过程中结构的工作状态，特别是了解施工误差情况，以便及时予以调整，使得桥梁在可接受的误差范围内达到预定目标。
因此，斜拉桥的施工监测是确保施工安全与成桥质量至关重要的一环。
本文针对预应力混凝土斜拉桥施工控制的四个步骤进行了展开描述。
即仿真分析，现场测量，参数识别和索力和标高的调整。
关键词：
斜拉桥；仿真分析；现场测量；参数识别；调整。
ConstructionMonitoringandControlforPre-stressed
ConcreteCable-stayedBridge
Abstract:
Withincreasingspanlengthandstructurecomplexityofacable—stayedbridge，Constructionmonitoringandcontrolplaysanimportantroleduringerectionofthebridgegirder．Theobjectiveofconstructionmonitoringistofindouttheworkingstateofthestructure，especiallytheconstructionerrorswhichmayoccurintheerectionprocess.Then，necessaryadjustmentscanbemadetimelysoastobuildbridgethatmeetstheprescribledaimswithacceptableerrors．Itisvariousthatinordertoensureconstructionqualityandstructuralsafety,constructionmonitoringandcontrolisoneofthemostimportantjobs．Inthispaper,fourstepsofconstructionmonitoringinpre-stressedconcretecable-stayedbridgearedescribed，thatissimulationanalysisofconstructionprocess,fieldmeasurementsduringerection,identificationofstructuralandmaterialparametersandadjustmentsofdeckelevationsandcableforcesduringconstruction.
1施工控制系统概述
斜拉桥属高次超静定结构，设计与施工高度耦合，所采用的施工方法和安装顺序与成桥后的主梁线型和结构恒载内力有着密切的联系。
在施工阶段随着斜拉桥结构体系和荷载状态的不断变化，结构内力和变形也随之不断发生变化，并决定成桥后结构的受力及线型。
因此必须对斜拉桥的每一施工阶段进行详尽的分析和验算，求得斜拉桥斜缆索的张拉力、主梁标高、塔柱位移以及结构内力等施工控制参数的理论计算值，对施工的顺序作出明确的规定，并在施工中加以有效的控制和施工管理。
只有这样，才能确保斜拉桥在施工过程中结构的受力状态和变形始终在设计所要求的合理范围内，成桥后主梁的几何线型符合设计期望，结构本身又处于最优的受力状态。
这就是各种类型的斜拉桥在建造过程中都必须解决的一个重要课题，即斜拉桥的施工控制。
概括起来，施工监控包含以下四个方面：
①根据选定的施工方法对施工的每一阶段进行理论计算，求得各施工控制参数的理论计算值，形成施工控制文件。
即仿真分析。
②在施工阶段过程中对索力，标高，应力等进行实地测量。
③针对实际施工过程中由于种种因素所引起的误差，找出引起这些误差的原因，即识别结构材料参数。
④调整主梁标高和索力大小使得各种误差尽可能减小，最大限度符合设计预期值。
斜拉桥的施工控制是一个施工一量测一分析（识别）一修正一预告一施工的循环过程。
典型完整的施工控制系统是由以下几个部分组成的：
检测系统、施工计算系统、误差因素分析系统以及修正控制预报系统。
本文以崖门大桥工程为背景，介绍施工控制的内容及要点。
崖门大桥是广东省西部沿海高速公路新会段的一座特大型桥梁,跨径组合为（50+115+338+115+50）m,主桥全长668m,是一座双塔单索面预应力混凝土斜拉桥。
主梁为单箱五室预应力混凝土箱梁,共有100个标准节段,每节段长6m,宽26.8m,高3.48m。
每节段混凝土平均方量为106.3m3,重267t。
主梁除0号块及边墩现浇段在支架上浇筑外,其余节段均采用牵索挂篮悬浇方法施工。
主梁施工所采用的挂篮为下承式挂篮,前支点利用斜拉索牵拉,中支点和后支点则分别锚固在已浇梁段上,全桥共有4套挂篮。
每套挂篮由底盘、止推装置、牵索系统、模板系统和移机系统5部分组成,单套总重180t。
图1 崖门大桥主桥布置
2施工仿真分析
准确细致的施工过程仿真计算是大跨度混凝土斜拉桥施工监控的关键问题之一,它可以为大桥各阶段的施工监控提供理论依据。
施工仿真分析的目的主要是为了：
①获得浇筑混凝土节段过程中的合理施工方案，尤其是确定牵索次数和相应的牵索力。
②确定下一节段的立模标高。
③获得施工过程中结构响应的全过程。
2.1仿真分析的方法
施工过程的仿真分析计算主要有正装分析和倒拆分析方法。
（1）正装分析法
正装分析方法是按照桥梁结构的实际施工加载顺序来分析结构变形和受力，它能较好地模拟桥梁结构的实际施工过程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，是一种以保证施工安全为目的的仿真施工过程的计算方法。
在正装分析方法中，大跨度桥梁由于结构刚度较小，混凝土构件龄期短、位移大、收缩徐变量大，结构非线性表现突出，非线性的求解策略显得尤为重要。
非线性计算采用U.L列式的杆系有限元法，将以前各施工阶段在已建结构上累计静力响应作为本阶段结构几何非线性计算的初态。
考虑到结构受载后首先达到静力平衡，再发生徐变、收缩，所以在计算中首先考虑几何非线性，以结构平衡后的应力状态作为本阶段时变效应分析的初态，在每一分析中都以前一时段非线性平衡状态作为初态。
（2）倒拆分析法
倒拆分析方法是以成桥态t=t0时刻的内力状态为参考状态，以设计的成桥线性为参考构形，对结构进行虚拟倒拆并逐阶段进行分析，计算每次卸除一个施工段对剩余结构的影响的计算方法。
对于线性结构，用倒退分析结果进行理想施工，保证每一阶段都不出现偏差，就可以在t=t0时刻达到成桥状态。
因此，从理论上讲，倒拆分析的结果可以直接用于指导线性结构的设计施工，并作为施工控制的目标。
但是，这样的倒拆法与实际施工存在着诸多不闭合因素，归结起来主要有以下几点：
①计算状态的不闭合②结构预应力、徐变、收缩引起结构倒拆分析与实际施工内力的不闭合③斜拉索垂度效应和结构大位移等几何非线性引起的倒拆分析与实际施工内力的不闭合。
因此，单用倒退分析法确定的斜拉桥初始张拉力与施工预拱度往往是失真的。
采用正装、倒拆分析交互迭代法可以消除这些不闭合的因素影响。
2.2节段施工过程的仿真分析
牵索挂篮现浇工法是目前大跨度混凝土斜拉桥主梁施工常用的方法。
该法的主要构思是在主梁节段施工过程中利用当前节段的斜拉索充当挂篮的前支点牵索,从而与挂篮的中支点和后支点锚固装置（即挂篮与已浇梁段的连接构造）一道组成挂篮的约束系统,见图2。
具体做法是在斜拉索的下端与挂篮前端之间设置一工具拉杆,该拉杆在混凝土达到强度并施加预应力后即可卸除。
图2 牵索挂篮示意
与普通挂篮施工工艺（即挂篮仅在中支点和后支点与已浇梁段相连接的方法）相比,牵索挂篮施工方法具有如下优点:
①在主梁每一节段混凝土浇筑过程中,通过分次张拉牵索,及时把浇筑的混凝土重量传递到塔柱上,从而大大降低了已浇梁段的负弯矩及其提供给挂篮的竖向反力,同时使正在施工节段前端的位移变化量控制在较小的范围之内,保证了结构和施工的安全;②由于挂篮多了一个前支点约束,使得挂篮的整体刚度有所提高,从而可以使挂篮做得轻巧一些,减少用钢量,节省造价。
但牵索挂篮施工方法也引出了一些新的问题,具体表现在:
①在挂篮的中支点或后支点处必须设置水平止推装置,用以抵消牵索传来的水平分力;②主梁当前施工节段混凝土达到强度并施加预应力后,牵索要与挂篮脱开并作用到梁体上,即存在一个体系转换的过程,增加了一定的施工难度;③由于主梁每一节段的施工工序较多,且存在牵索方案的比选问题,因此也增加了监控单位施工模拟计算的难度。
由于在牵索挂篮施工过程中存在挂篮与已浇梁体及牵索之间的相互作用问题,因此,为了准确计算分阶段牵索过程中以及主梁节段施工末结构的内力和变形,必须把挂篮也放到计算模型中去,并精确模拟其刚度及其与主梁、牵索的连接。
此外,在主梁每一节段的施工模拟计算中,应包括挂篮前移就位、分次张拉牵索和浇筑混凝土、体系转换及牵索终拉等环节。
图2给出了模拟斜拉桥牵索挂篮施工的增量计算过程（只示意半边结构）。
图中
为挂篮重量（含模板系统重量等）;Gi（i=1,2,⋯,n）为主梁第i节段混凝土重量;
和
分别为第n节段施工时第1次和第2次浇筑的混凝土重量,
;Tn-1和Tn分别为第（n-1）节段和第n节段的施工索力;
（j=1,2,⋯,7）为第n节段第j步施工时的索力增量,
;
（j=1,2,⋯,7）为第n节段第j步施工时主梁前端的挠度增量,以向上为正。
主梁牵索挂篮施工模拟计算的结果可用于牵索方案的确定、主梁立模标高的确定以及提供各个施工阶段结构的内力和变形理论值。
图3牵索挂篮施工模拟计算过程示意
主梁节段施工牵索方案的内容包括:
牵索次数、分阶段混凝土浇筑量、体系转换前牵索的拉力值等。
为了制定合理的牵索方案,应综合考虑以下有关因素:
①牵索的次数不宜太多也不宜太少,多了会增加施工难度,少了可能又达不到牵索挂篮施工的效果,牵索次数一般为2～4次;②已浇梁段（尤其是离悬臂端4～8个节段的主梁）的应力应控制在安全的范围之内,不允许出现过大的拉压应力;③主梁与挂篮的连接部位安全,挂篮的水平支反力和竖向支反力不能超过设计允许的范围;④主梁前端挠度变化值不宜太大,宜控制在20cm以内;⑤混凝土初凝后挂篮本身变形较小。
以图3所示的牵索方案为例说明主梁立模标高的确定问题。
假定第n节段施工完毕时主梁前端标高为
则该节段的立模标高
为:
由上式可见,主梁立模标高的确定是与挂篮刚度和牵索方案密切相关的,采用不同的挂篮刚度或牵索方案会导致不同的主梁立模标高。
2.3施工过程中收缩徐变效应分析
由于主梁的各个节段具有不同的混凝土龄期，所以在增量有限元分析中必须仔细考虑混凝土收缩徐变效应。
在这个分析过程中，我们引入了等效弹模以及有效初应变的概念。
等效弹模考虑的是当前阶段的时间效应影响。
有效初应变考虑是以往阶段对当前时间段的影响。
先介绍单轴应力下考虑收缩徐变效应的混凝土应力应变关系,然后在此基础上可得出考虑收缩徐变效应的混凝土应力应变关系,并可得出多轴应力下徐变等效荷载的计算公式。
所导出的徐变等效荷载可以直接施加于利用通用有限元程序所建立的块体有限元模型上,从而可以方便地采用通用有限元程序实现更为精细的桥梁施工过程仿真分析。
混凝土单轴应力与时间的关系如图1所示,图中t0=0对应混凝土形成时间,Δti为当前时间段,Δσi为当前时间段应力增量,Δtj（j=1,2,…,i-1）为以往时间段,Δσj（j=1,2,…,i-1）为以往时间段应力增量。
下面分若干步骤导出考虑收缩徐变影响的混凝土单轴应变关系增量表达式。
图4混凝土单轴应力-时间关系
（1）
在ti-1时刻引起的徐变应变为:
（1）
式中：
；E为混凝土弹性模量;
为混凝土徐变系数。
考虑到Δtj较小且
变化较缓,式
（1）已经利用了积分中值定理。
（2）
在ti时刻引起的徐变应变为:
（2）
（3）
在Δti时刻引起的徐变应变为:
（3）
（4）t0~ti-1时间段的应力增量在Δti时间段引起的徐变应变增量为:
（4）
（5）
在Δti时间段引起的应变增量（弹性应变增量+徐变应变增量）为
（5）
式（5）已经应用了积分中值定理,
，
是老化系数,其表达式为:
（6）
（6）Δti时间段的总应变增量为:
（7）
（7）整理式（8）,可得当前时间段Δti的应力应变关系增量表达式为:
（8）
式中:
Ei为按龄期调整的有效弹性模量,
为初应变。
当同时考虑收缩效应时,
可写为:
（9）
式中:
为当前时间段Δti的收缩应变增量,表达式为:
（10）
式中:
为混凝土收缩系数;
为混凝土极限收缩变形;
为收缩开始时的混凝土龄期。
2.4施工过程中温度效应分析
掌握温度规律效应的影响对于斜拉桥监控至关重要。
结构温度效应分析可以采用有限元法进行,但前提是要给定结构温度场的分布情况。
斜拉桥温度场分布情况是相当复杂的,为了便于分析与寻找规律,将崖门大桥的温度影响分解为整体温差影响、索梁温差影响和主梁温度梯度影响。
所谓整体温差是指结构从同一基准温度出发,结构中所有构件的温度有相同的改变量。
引起整体温差的主要原因是大气温度的变化,包括一天中大气温度变化以及季节大气温度变化。
所谓索梁温差是指结构从同一基准温度出发,索的温度变化量与主梁的温度变化量不一致而形成索与主梁之间的温度差值。
引起索梁温差的内因是索与梁在材料组成和几何形状方面的不同,引起索梁温差的外因是日照的影响。
所谓主梁温度梯度是指主梁从同一基准温度出发,从主梁梁面到主梁梁底的温度变化量不一致而形成的主梁沿竖向的温度梯度,一般假定温度沿竖向呈线性变化规律。
引起主梁温度梯度的内因是主梁梁面与梁底位置的不同,外因则是日照。
计算表明,整体温差对主梁标高与索力影响较小,而索梁温差与主梁温度梯度对结构有较大影响,且影响的规律有所不同。
此外,大桥在不同施工阶段下温度对主梁标高与索力的影响也有所不同。
图4～11给出了崖门大桥温度影响的部分计算结果,分别是主梁与辅墩连接前后以及中跨合龙后索梁温差与主梁温度梯度对主梁标高与索力的影响量。
通过计算可以发现
（1）索梁温差与主梁温度梯度对于主梁前端标高有较大影响,当索梁温差与主梁上下缘温差均为5℃时,中跨主梁前端标高影响量最大可达80mm左右。
因此主梁标高的测量应选择在索梁温差与主梁温度梯度均较小时进行,而确定主梁立模标高时必须考虑温度的影响,这一点对于保证主梁的线形平顺至关重要。
（2）索梁温差与主梁温度梯度对索力的影响规律是不同的。
索梁温差对于靠近梁根的斜拉索索力有较大影响,而对于主梁前端的斜拉索索力几乎没有影响。
主梁温度梯度的影响规律则正好相反,当主梁上下缘温差为5℃时,中跨主梁前端索力影响量最大可达单根70kN左右。
由于主梁每节段施工完毕后均要测量主梁前端头5对斜拉索索力,因此可以选择在主梁温度梯度较小时进行索力测量,而索梁温差的影响可以不用过多考虑。
（3）主梁与辅墩连接后,索梁温差与主梁温度梯度对边跨主梁标高的影响很小,而对中跨主梁标高的影响则明显加剧。
（4）主梁中跨合龙后,主梁温度梯度对主梁标高与索力的影响均很小,而索梁温差对于主梁中跨跨中标高以及主梁根部与主梁中跨跨中索力有一定影响,当索梁温差为5℃时,影响量分别达到40mm和单根45kN左右。
图4索梁温差引起的主梁标高改变量
（主梁与辅墩连接前后）
图5主梁温度梯度引起的主梁标高改变量
图6主梁温度梯度引起的主梁标高改变量
图7主梁温度梯度引起的索力改变量
图8索梁温差引起的主梁标高改变量
图9索梁温差引起的索力改变量
图10主梁温度梯度引起的主梁标高改变量
图11主梁温度梯度引起的索力改变量
3预应力混凝土斜拉桥的现场测量
现场的施工监测是PC斜拉桥施工控制的基础，这是因为PC斜拉桥施工过程复杂，影响其施工控制目标顺利实现的因素很多，如所用材料性能与设计取值之间的差异；先期形成结构的截面特性等与分析取值之间的误差；施工荷载与计算取值之间的差异；结构模拟分析模型与实际情况之间的差别；施工测量存在的误差；施工条件与工艺非理想化的影响以及结构设计参数和实测状态参数存在的误差等。
因此，在施工中必须对重要的结构设计参数和状态参数进行监测，以获取反映实际施工情况的数据和技术信息，不断根据实际情况修正原先确定的各施工阶段的理想状态，使施工状态始终处于控制范围之中。
在PC斜拉桥的施工监控中，通常需要进行斜拉索索力、主梁和塔的应力，结构温度及温度效应、主梁标高、塔的偏位、基础偏位等测量工作。
3.1标高测量
标高测量主要是指主梁标高点的测量，通过对主梁标高的监测，使得桥梁最终的标高满足设计标高要求，使全桥达到较好的线形。
桥面上标高监测点的布设应与梁体应力测量断面一致，考虑到观测工作量，布设时不宜过多，但必须满足施工控制的需要。
在以下几种情况，应进行标高的测量。
（1）对于采用悬臂施工的斜拉桥，则在挂蓝定位时要测量立模标高；
（2）在浇注完一个节段后，应对梁端头的标高值进行观测；
（3）索力张拉前对已浇注的梁段上所布设的所有高程监测点通桥观测；
（4）索力张拉后对已浇注的梁段上所布设的所有高程监测点通桥观测；
值得注意的是，主梁的标高是随着温度的变化而变化的。
根据既有的温度场试验可知：
早上6点左右是主梁标高变化相对比较稳定的时段；因此在进行标高监测时应尽量选择清晨这个时段，以减小温度对标高的影响。
3.2偏位测量
该部分测量包括主梁中线偏位和主塔的偏位测量。
为了全桥能达到理想的线形，在斜拉桥的施工监控工作中一般需要进行主梁中线测量，确保主梁中线线形与设计值很好地吻合。
而桥塔在斜拉桥结构中起着非常重要的作用，在施工过程中，为了保证主塔的施工质量，必须对主塔的偏位进行测量，得出它的变形量，并将其控制在容许范围内。
其中，主塔的沉降观测也很重要。
3.3应力测量
在施工的每个过程中，主塔和主梁的控制截面的应力必须加以监测评估，以确保施工中结构的安全。
关于PC斜拉桥的应力测量，一般是利用应变传感器测出混凝土内部总应变，然后再推算成应力，这就存在由应变到应力的换算关系问题。
由于混凝土总应变中包含相当一部分的非应力应变，如何准确分离这部分应变（尤其是徐变应变）就成了保证混凝土应力测量精度的关键所在。
在崖门大桥主梁应力监测实践中提出了一种适用于大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测新方法，这种方法利用主梁中性轴应力只与斜拉索水平分力有关这一特点，根据实测索力求出中性轴应力，据此校准中性轴的实测应力并识别徐变系数，继而求出主梁上下缘应力。
3.4温度测量
当崖门大桥西岸主梁施工至13号节段,做了1次24h温度影响试验,以验证温度影响理论计算的结果,更好地揭示温度影响规律。
正处在混凝土养护阶段,没有外荷载的改变。
测量的内容包括:
①大气温度,采用高精度温度计测量;②主梁混凝土内部温度（包括梁面温度和梁底温度）,采用预埋于西岸主梁M1号节段内的差动式应变计测量;③索内皮温度,采用埋于一段废索内皮中的热电偶式温度计测量;④西岸M4号（靠近梁根）、M7号（居中）和M10号（靠近悬臂端）索的索力,采用频率法测量。
温度测量结果见图10,索力影响量（相对于21日9:
00时的索力）测量结果见图11。
根据图10的实测温度变化曲线,通过理论分析得到24h索力影响量计算结果分别见图12。
图10 温度测量结果
图11 索力影响量测量结果（基于
图10的温度测量结果）
图12 索力影响量计算结果（基于
图10的温度测量结果）
对比图11和图12可见,索力受温度影响的实测值与计算值基本吻合,显然M4号索索力主要受索梁温差影响,而M10号索索力则主要受主梁温度梯度的影响。
主梁每节段施工完毕后,可以选择晚上主梁温度梯度较小时进行主梁前端头5对索的索力测量。
3.5索力测量
斜拉桥索力测试的准确与否直接关系到斜拉桥施工控制的顺利实施,是斜拉桥能否成功修建的关键问题之一.在工程实际中,常用的索力测定方法有压力表测定法,压力传感器测定法以及频率法,由于前两种方法一般仅适用于在张拉斜拉索时的索力测定.当需要对已施工完毕的斜拉索进行索力复核时,频率法几乎是唯一的选择。
现在,频率的测试精度可以达到万分之一的精度,所以频率法所确定的索力精度在很大程度取决于索本身参数的可靠性,诸如索的刚度、索的计算长度,索的线密度等.
频率法测索力分3步进行:
①在环境激励下利用加速度传感器拾取斜拉索的随机振动信号,然后通过频域分析获取斜拉索的频谱图,据此识别出斜拉索的各阶振动固有频率;②通过理论分析（解析法与有限元法）与现场标定,获取斜拉索索力与振动固有频率之间的对应关系;③把实测频率代入上述关系中,得到实测索力。
可见,频率法测索力是一种间接方法,频率法的精度取决于高灵敏度拾振技术以及准确的索力、频率对应关系。
图13 频率法测试索力流程
3.5.1频率法测试原理
斜拉索的索力测试是基于弦振动理论,先测定拉索的固有频率,然后根据索力与固有频率的关系换算得到张力。
对于张紧的斜拉索,其自由振动微分方程为：
（2）
式
（2）中：
x为沿索长方向坐标；y为垂直于索长方向坐标；
为拉索的线密度；E为索的弹性模量；I为索的惯性矩；T为索的张力。
假定索的边界条件为两端铰接，可由上式解得索拉力为：
（3）
式（3）中：
n为振动阶数；fn为索的第n阶自振频率；l为拉索的计算长度。
如果忽略拉索抗弯刚度的影响，假定索的两端固定，由式
（2）可求出索力为：
（4）
从式（4）可以看出，对于同一根拉索，张力一定时，fn/n是一个常数，即各阶自振频率的频谱是等间距的。
3.5.2斜拉索各种参数对实测索力的影响
索力测试精度仅取决于斜拉索参数的准确程度。
为此,需要考察斜拉索有关参数（包括支座条件、抗弯刚度、斜度等）对实测索力的影响规律。
下面以崖门大桥斜拉索为研究对象,分析上述参数的影响。
为具一般性,分别取崖门大桥一根短索（中跨第2号索）、一根中长索（边跨第13号索）和一根长索（边跨第23号索）进行研究
（1）支座条件的影响
斜拉索的支座条件实际上是介于铰支与固支之间。
为考察其影响,把支座条件分别取为铰支与固支,并取索的实际抗弯刚度和实际倾角。
支座条件的影响有以下3个规律:
一是影响量在5%以内;二是对短索的影响大于对长索的影响;三是对基于低阶频率的实测索力的影响与对基于高阶频率的实
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