叙古高速连续刚构桥监控方案.docx

1、叙古高速连续刚构桥监控方案叙古高速连续刚构桥监控方案叙永（震东）至古蔺（二郎）高速公路项目连续刚构桥施工监控量测实施方案及报价中铁西南科学研究院有限公司二一三年三月1 工程概况叙永（震东）至古蔺（二郎）高速公路工程采用双向4车道高速公路标准建设，设计时速80km/h，全线共有桥梁8座连续刚构桥，根据桥梁结构特点，拟选择其中的6座桥梁实施施工监控量测，各桥的基本情况如下表（表1-1）所示。序号桥名桥面宽度主桥最大墩高组合形式及跨径结构类型上部结构(m)(m)(m)1螺丝寨特大桥(左幅)11.75102640+（95+180+95）+640连续刚构+T梁螺丝寨特大桥(右幅)11.75103640+

2、（95+180+95）+640连续刚构+T梁2磨刀溪特大桥(左线)11.7591830+（105+200+105）+530连续刚构+T梁磨刀溪特大桥(右线)11.7591530+（105+200+105）+530连续刚构+T梁3头道河特大桥(左幅)2469430+（72+130+72）+230波形钢腹板预应力砼连续刚构+T梁4古蔺河1号大桥(左线)11.7552230+（95+180+95）连续刚构+T梁古蔺河1号大桥(右线)11.7542330+（95+180+95）+1130连续刚构+T梁5石亮河特大桥(左线)11.75117240+（95+180+95）+740连续刚构+T梁石亮河特大桥

3、(右线)11.75117240+（95+180+95）+740连续刚构+T梁6天堂河特大桥(左幅)11.75111840+（130+248+130）+540连续刚构+T梁天堂河特大桥(右幅)11.75111940+（130+248+130）+540连续刚构+T梁表1-1 叙永至古蔺高速公路拟实施施工监控连续刚构桥一览表2 施工监控的目的大桥的建成要经历一个较长而复杂的施工过程，不论其规模大小、技术难度以及构造复杂程度如何，其施工过程都具有系统性，所以桥梁施工本身就是一个系统工程，其施工的过程也就是该系统的运行过程，施工过程中结构的安全和成桥状态就是系统运行所要达到的目标桥梁施工控制目标。要达到

4、施工过程安全、结构线形顺畅、受力状态合理的要求，必须对施工全过程进行控制，也就是要对桥梁施工系统的运行轨迹进行控制，确保控制目标的实现。预应力混凝土连续刚构桥施工过程漫长，影响其施工控制目标顺利实现的因素很多，包括了在设计时诸如材料的弹性模量、断面特性、构件自重、临时施工荷载、收缩徐变、施工工期等参数的选择不可能与实际结构所对应的参数完全一致；另外预应力作用实际效果、实际环境的影响（包括季节平均温差和日照温差，空气湿度的影响）、测量误差、施工误差、结构模型简化计算的误差等也会引起设计与实际施工状态的不一致。由于影响施工控制的因素很多，施工中所受到的不确定性影响因素也越多，要使桥梁施工安全、顺利

5、地向前推进，并保证成桥状态符合设计要求，就必须将其作为一个系统工程予以严格控制。连续刚构桥为多次超静定结构，上部结构采用挂篮施工完成，其所采用的施工方法和安装程序与成桥后的主梁线形和结构恒载内力有着密切的联系。在施工阶段随着桥梁结构和荷载状态的不断变化，结构内力和变形随之不断发生变化，需对桥梁的每一施工阶段进行详尽的分析和实测验证，采取措施对结构变形、应力加以控制，以确保设计的施工过程或适当调整后的施工过程得以准确实现。总的来说施工监控一方面可保障各施工阶段的安全，以及施工过程中结构线型、变位和各部位应力状态满足设计要求；另一方面结合测试分析和模拟计算，对施工过程结构状态的变化进行有效的预测和

6、控制，优化施工工序，提高施工工艺水平，缩短施工工期、降低成本，确保大桥顺利投入运营及成桥后结构的线形及内力分布满足设计和规范要求。施工监控不仅可以为桥梁设计、施工提供第一手资料和科学数据，同时也为改进同类桥梁的设计理论和施工工艺积累经验，其成果可作为桥梁运营前初始状态的永久技术档案，是今后桥梁健康状态评估的重要依据。3 施工监控系统介绍本项目各桥均为高墩大跨连续刚构桥，上部结构梁段采用挂篮悬臂浇筑法施工，结构复杂，施工难度大，必须在施工过程中建立全面的跟踪监测监控系统，对主桥进行施工全过程的监控。大型桥梁施工监控系统的建立，依据桥梁结构特点、施工实际采用的施工方法及详细的施工组织来进行，监测系

7、统的规划与布置服从于实际的桥型、跨度、墩高等，并密切结合结构施工的先后次序建立。针对本项目各桥结构特点及施工方法，总的施工监控原则是确保施工过程结构安全及结构的稳定性；确保各施工阶段桥梁结构的线形、应力变化尽量接近设计理想状态；保证合拢精度使成桥后结构的线形及内力分布满足设计和现行相关规范要求。3.1 施工监控主要依据1）本项目相关设计图、技术文件2）公路工程技术标准JTG B01-20033）公路工程质量检测评定标准JTG F80/1-20044）公路桥涵设计通用规范JTG D60-20045）大跨径混凝土桥梁的试验方法YC4-/19826）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D

8、62-20047）公路桥涵施工技术规范JTJ041-20008）混凝土结构工程施工及验收规范（GB50204-92）3.2 施工监控主要目标对大型桥梁而言，理想的几何线形与合理的内力状态依赖于科学合理的施工方法。如何通过对施工过程的控制，在建成时得到预先设计的内力状态和几何线形，是桥梁施工中非常关键和困难的问题。施工监控的就是通过在施工过程中对桥梁结构进行实时监测，根据监测结果，评估各主要施工阶段主要构件的变形及应力变化状态是否符合设计要求，判断施工过程是否安全，结构是否正常工作；当出现较大误差时，对结构进行误差调整，并对设计的施工过程进行重新安排，从而保证桥梁建成时最大可能地接近理想设计状态

9、，同时也确保施工期间的结构安全，施工质量和施工工期。在本项目施工监控的目标是： 1）通过对桥梁实施线形控制，使结构在施工过程中的实际位置（平面位置、立面标高）与预期状态之间的误差在允许范围之内，保证桥梁顺利合龙、成桥线形顺畅、满足设计要求。2）通过对结构关键部位应力的实时监测了解结构的实际受力状态，对照有限元计算分析软件的计算结果，实时监控结构的工作状态，在局部出现应力异常的情况下，采取有针对的调控措施，保障结构在施工过程中的安全。3）通过稳定分析计算（稳定安全系数），并结合结构应力、变形情况等实时监测数据，综合评定、控制结构在施工过程中的稳定性。4）通过合理化的建议协助建设单位、设计单位、施

10、工单位、监理单位控制桥梁的施工质量。根据相关规范要求，本监控项目各桥主要控制指标如下：1）立模标高允许误差在：5mm；2）已完成梁段的标高误差控制在：20mm；3）主梁轴线控制精度：轴线偏差10mm；4）箱梁施工完成后裸梁顶面高程误差20mm；5）合拢前合拢段两悬臂端相对高差20mm；6）相邻节段的相对标高误差不超过0.5%（附加纵坡）；7）预应力精度：张拉力控制在控制值的1%以内，并采用伸长量及张拉力双控；8）结构施工过程中及成桥后各部位应力分布合理，结构受力满足设计要求。3.3 施工监控的技术路线在大桥施工开始之前，通过对本项目的设计、施工及其相关文件的充分研究，建立相应的大桥施工控制计算

11、模型，模拟施工阶段进行计算机仿真分析，其中包括以施工顺序进行的前进分析和以施工逆顺序（成桥倒拆）进行的倒退分析，取得各施工阶段理想状态下的结构应力、标高等控制参数。施工控制的实施过程是采用自适应反馈控制进行，在大桥的施工过程中，通过对各阶段实际结构状态（几何状态、应力状态）的量测，将观测数据和计算的理想状态进行对比，在出现较大误差时，分析偏差产生的原因，修正施工阶段模拟的相关参数，为下一阶段的施工提出新的、修正后的控制参数，并对后期预测进行修正，最终使各桥安全准确地施工完成，达到设计的精度要求。施工控制采用考虑结构几何非线性的更新拉格朗日（U.L）公式系统和等参元技术，更新的拉格朗日法将所有静

12、力学和运动学的变量都参考于每一时间步长开始的位形，即在分析过程中参考位形不断地被更新，也就是变形后几何位置有了明显的变化，必须在新的几何位置上建立平衡方程，以此为依据编制的桥梁结构非线性施工控制专用程序作为本项目结构分析的主要工具，并采用大型有限元分析软件MIDAS V7.8进行空间分析和局部应力分析，实际测量结果与理论计算值的误差分析采用渐消记忆的最小二乘法进行误差估计，并采用神经网络理论对结构的主要控制计算参数进行人工识别修正，以使其接近于实际状态，为后期施工状态预测提供准确的依据。3.4 施工监控工作流程 大跨度桥梁施工过程复杂，影响其施工控制目标顺利实现的因素很多，包括了在设计时诸如材

13、料的弹性模量、断面特性、构件自重、临时施工荷载、收缩徐变参数、施工工期等参数的选择不可能与实际结构所对应的参数完全一致；另外预应力作用实际效果、实际环境的影响（包括季节平均温差和日照温差，空气湿度的影响）、测量误差、施工误差、结构模型简化和计算的误差等也会引起设计与实际施工状态的不一致。施工监控通过对施工过程中重要的设计参数、状态参数进行实时监测，对重大的设计参数误差进行调整，对常规的误差通过优化调整，采用有限元分析软件进行分析计算，根据实际情况进行调整，使施工过程处于控制之中，结构最大限度地接近理想状态。具体流程如下:（图3.4-1）图3.4-1 施工监控工作流程误差的分析、识别通过现场实际

14、施工状态下对状态变量(位移和应变)实测值和理论计分析结果的对比，分析产生误差的影响因素，识别误差产生的原因及各项因素的影响比重。参数的预测通过已经完成结构产生误差的分析、识别，明确误差产生的原因及影响程度，采用滤波法和灰色理论法相结合预测后续施工的理想状态。优化调整施工控制主要以控制主梁线性、关键截面应力为主，对施工中结构的优化调整主要以这两个参数为目标。在出现较大误差后，应用最小二乘法优化调整正施工和将施工的结构，使桥梁建成时最大可能地接近理想设计状态。4本项目施工监控的主要内容 连续刚构桥的施工监控主要有三个方面的任务，一是在施工过程中保证结构的安全，二是使结构在建成时尽量接近设计的理想线

15、形，三是保证合拢精度，使结构在建成时达到合理的内力状态。针对本桥桥型及施工方法的特点，总的施工监控目标是确保施工期间结构安全，保证结构的稳定性并综合实施主要结构的变形及内力的实时监控。对大型桥梁而言，理想的线形与合理的内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法，如何通过对施工过程的控制，在建成时达到设计理想的内力状态和几何线形，是桥梁施工监控中重点关注的问题。通过在施工过程中对桥梁结构进行实时监测，根据监测结果评估各主要施工阶段主要构件的变形及应力变化状态是否符合设计要求，结构是否正常工作，判断施工过程是否安全；当出现较大误差时，对结构进行误差调整，并对设计的施工过程进行重新安排，

16、使桥梁建成时最大可能地接近理想设计状态，同时也确保施工期间的结构安全，施工质量和施工工期。桥梁的建成要经历一个漫长而复杂的过程，施工过程中箱梁实际结构尺寸的变化、临时施工荷载的施加，混凝土实际的弹性模量、收缩徐变，预加张拉力施加的时间、大小与预应力损失情况对结构的总体受力和成桥线形有很大影响，在施工中如何根据各施工段的实际施工情况考虑混凝土收缩、徐变，考虑实桥混凝土的实际弹性模量、考虑实际的预应力损失各项参数、成桥实际几何尺寸、实际环境的影响（包括季节平均温差和日照温差，空气湿度的影响）等的现场信息来确定相关计算参数，使模拟计算状态尽可能与实际相符，达到自适应状态，是本桥施工监控系统的主要任务

17、之一。因此需要对桥梁的每一施工阶段进行详尽的实测和分析验证，并采用一定的方法对结构变形、应力加以控制，指导施工实践，以确保设计的施工过程或经过调整后的施工过程得以准确的实现。刚构桥施工期间的稳定性问题，是这类桥梁建设必须集中精力关注的问题，包括全桥整体稳定与局部稳定问题，如何确保施工期间的结构稳定安全，是本桥施工监控系统的另一项主要任务。施工监控是通过建立施工过程的力学模型，模拟现场施工过程进行仿真计算，进行预测并反馈到实际监控过程中。但某些具体参数如预应力筋的管道摩阻等受构件制造和安装精度等影响较大、材料参数的变异包括容重、弹性模量、收缩和徐变等及实际环境(温度、湿度、风荷载等)、实际施工进

18、度等的影响，还需通过现场对施工过程中各物理量实时地监测，将监测的数据或参数反馈到仿真计算中，对建立的模型中的物理量进行修正，以保证仿真计算的结果更接近桥梁的实际工作状况，在施工过程中需根据施工过程进行有效实时监控，采用仿真分析、施工应力、变形控制与误差调整相结合的手段进行。综上所述，本项目桥梁施工监控监测的主要工作内容如下：1）检查验算桥梁结构、钢绞线、钢筋布置是否合理且满足规范要求；2）承台大体积混凝土水化热监控及主梁温度场测试；3）主墩垂直度监控、基础沉降变形监控及提供墩顶标高参数；4）墩身及箱梁混凝土弹性模量和容重测试；5）高墩静风稳定分析；6）上部悬臂浇注过程预拱度控制，提供悬浇施工时

19、的挂篮定位标高； （1）施工挂篮静力试验（辅助施工单位完成）； （2）提供悬臂浇注施工时的挂篮定位标高；7）结构应力监控；8）预应力控制：钢束伸长量、锚下应力、孔道摩阻损失值等；9）主梁线形控制；10）合拢段施工控制；提供合拢方案计算结果及合拢顶推力等控制参数；11）施工程序及异常情况对策；优化设计、施工方案，就施工中出现的问题和意外事故提出处理方案；12）施工全过程软件分析；进行施工全过程实时分析，对各阶段的施工控制参数进行预测，根据实时监测结果反馈到结构计算模型，进行实时分析，为施工过程出现的偏差进行及时调整。13）提供中间过程及竣工后的全过程监控报告。4.1结构设计验算与复算结构设计是桥

20、梁质量的根本，也是监控方实施施工监控的基础，在监控工作开展初期，我方将组织有丰富施工、设计经验的专家牵头对设计施工图进行验算，分析桥梁结构设计、预应力布置、普通钢筋的布置等是否合理且满足规范要求。桥梁在设计和验算时主要参数均依据相关规范取用，在实际桥梁施工过程中，很多参数如施工中临时荷载的大小及分布、预应力损失、混凝土弹性模量及容重、混凝土收缩徐变、实际环境(温度、湿度、风荷载等)、实际施工进度等由于各种原因都与设计存在较大差别，为确认结构设计满足施工要求，我方拟在监控工作开展初期在施工现场进行相关实验或实地数据采集，结合施工方的施工组织方案，对结构设计进行复算，确保结构设计满足施工要求，各项

21、指标满足规范要求，同时可以验证施工方案的可行性，并可以根据施工监控经验，对施工和设计提出合理的修改建议。4.1.1 结构检算主要内容1、施工阶段内力及应力计算；2、成桥运营状态恒载应力及变形计算；3、成桥运营状态活载内力及变形计算；4、成桥运营状态荷载组合内力及变形计算；5、成桥运营状态荷载组合应力计算；6、悬臂施工阶段稳定性分析。4.2 仿真计算分析施工控制是大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工质量的保证，对施工过程中每个阶段进行详细的变形计算和受力分析，是施工控制中最基本的内容。本项目各桥均为连续刚构桥，采用分阶段逐步完成的悬臂施工方法，结构体系在施工过程中要经历多次体系转换，结构单元数量、荷

22、载逐步变化，是一种复杂的超静定结构，结构的最终形成必须经历一个漫长而又复杂的施工过程，随着混凝土浇筑过程变化，桥梁实际状态与设计理想状态的误差必然导致主梁各节段的内力值、位移值与设计值偏离，为了保证工程质量，就需要有一个科学合理的施工控制系统来综合考虑各种影响因素，严格监控整个施工过程中结构的变形、应力情况。为了达到施工控制的目的，首先必须通过施工控制模拟分析计算来确定桥梁结构施工过程中每个阶段受力和变形的理想状态（施工阶段理想状态），以此为依据来控制施工过程中每个阶段的结构行为，并结合现场实时监测数据进行调整，指导施工，使其最终成桥线形和结构受力状态最大化接近设计的理想状态。4.2.1 施工

23、控制结构仿真计算的方法拟采用Midas /Civil V2010桥梁结构分析系统及自编软件对本桥进行施工控制计算。预应力连续刚构桥的施工控制计算除了必须满足与实际施工方法相符合的基本要求外，还要考虑诸多相关的其它因素，如：施工方案由于连续刚构桥的恒载内力与施工方法和架设程序密切相关，施工控制计算前应首先对施工方法和架设程序作较为深入的研究，并对主梁架设期间的施工荷载给出一个较为精确的数值。施工进度计划施工控制计算需按实际施工进度以及确切的预计合拢时间分别考虑各个部分的混凝土收缩、徐变变形。预加应力影响预加应力直接影响结构的受力与变形，施工控制中在设计要求的基础上，充分考虑预应力的实际施加效果。

24、混凝土收缩、徐变的影响连续刚构桥的分析计算必须计入混凝土收缩、徐变对变形的影响。温度温度对结构的影响是复杂的，通常的做法是对季节性温差在计算中予以考虑，对日照温差则在观测中采取一些措施予以消除，减小其影响。4.2.2 施工控制结构仿真计算的内容 根据大桥实际的施工方法、材料弹性模量、容重、施工环境等参数，对全桥所有施工及运营阶段进行全面分析检算，取得结构各主要部位在各施工阶段以及成桥后受力和变形的理想状态，作为施工控制的基础。 4.3 大体积混凝土水化热监控本项目各桥主墩承台体积较大，为大体积混凝土，大体积混凝土由于水化热的作用将使混凝土温度升高，混凝土表面可通过模板与大气交换热量或直接与大气

25、交换热量，热量损失较快，内部热量损失缓慢，在混凝土内部形成不均匀、非定常温度场，产生不规律温度梯度。温度梯度会使混凝土产生温度应力，在混凝土浇筑早期，混凝土强度低、抗裂性差，过大的温度应力会使混凝土产生裂缝。为确保承台施工质量，必须对混凝土浇筑后水化热进行有效控制。为了明确在本桥混凝土配合比及气候条件下浇注大体积混凝土所引起的水化热温升值，并随时掌握块体内部混凝土的温度及分布情况，控制温度裂缝的产生，有必要进行混凝土浇注过程中水化热及混凝土温度场进行监测，以便采取针对性的养护措施。4.3.1 监测方案在承台混凝土浇注之前，于承台内部埋设温度传感器，在混凝土浇注完成后实测各测点温度值，实时掌握混

26、凝土内部各部位温度状态，指导施工方混凝土养护的工作。本测试项目采用热敏式温度传感器（数字温度传感器）进行温度监测，测试仪器为JDC-2型温度测试仪。它具有安装简便、数据输出直观、测试结果稳定可靠、精度高(分辨率为0.1)等优点。测点布置承台温度测点的布置将根据施工方的施工方案及循环冷却水管设置方式等实际情况针对每个承台专门制定的温度监测方案进行布设，保证监测数据能够充分反映现场实际，有效指导承台的浇注及养护，避免产生温度裂缝。观测频率温度监测从承台混凝土浇筑完成后开始。开始3天每隔2小时观测一次，之后每隔4小时观测一次，一般持续监测1周左右或承台内部温度基本趋于稳定为止。4.4 主墩垂直度监控

27、墩柱垂直度对连续刚构桥施工期间的稳定性有非常重要的意义，本桥墩柱较高，在施工过程中，墩身的垂直度问题将是一个难点，为了保证墩柱施工成型后其制作误差满足施工规范的要求以及墩身垂直度偏差满足规范要求，我方拟在墩柱施工过程中对墩身垂直度进行监控。4.4.1 主墩竖直度监控方案按照规范（公路工程质量检验评定标准JTG F80/12004）要求，本项目拟采用激光垂准仪实施高墩垂度测量，百米高墩垂直度误差一般只有3mm左右的误差，完全满足规范要求，同时可加快测量和立模速度。4.5 基础沉降变形监控基础的沉降变形对结构施工期间的稳定性影响很大，过大的基础沉降，特别是不均匀沉降会直接影响结构施工过程的安全，通

28、过对各主墩承台进行沉降观测，确定其在施工过程中随加载所产生的沉降及不均匀沉降过程，并通过观测结果可以分析不均匀沉降对高墩稳定性的影响，确保施工过程的安全。4.5.1监控方案在各主墩承台的4个角点位置各布设一个永久性观测点，在承台以外山体上设置一固定不变的点作为基准点，采用精密水准仪测量其相对高差的变化，用以判断墩柱沉降及不均匀沉降；并采用全站仪定期复核基准点的高程变化，确保测量结果的准确性。监测频率：沉降观测于墩高每完成20米进行一次，于主梁每完成两侧各施工段后进行一次，全桥主梁合拢后和全桥完工后各进行一次。主墩承台沉降观测测点布置图如下：图4.5-1 承台沉降观测测点布置示意图4.6 墩柱预

29、抛高的设置高墩在墩身自重及上部结构荷载作用下，会使基础产生一定沉降，并且在上部结构荷载作用下，墩柱自身会产生轴向弹性变形，为保证墩顶标高在成桥后与设计吻合，监控方通过分析计算，预测桥梁上部结构施工荷载的加载、桥梁成桥运营后施加荷载对墩柱产生的弹性压缩及基础沉降量，在墩柱封顶时设置预抛予以消除。4.7 主梁线形控制施工线形控制的目的，一是保证特大桥高精度合拢，二是使成桥线形平顺、美观，符合设计要求。另外本桥为连续刚构桥，其成桥的线形与结构内力也有密切的关系。通过施工线形监控，使结构成桥线形顺畅，结构受力合理；在施工过程中出现意外时，对后续施工步骤进行有计划的调整，使结构成桥线形尽可能的接近设计的

30、理想状态。4.7.1 主梁线形控制实施方案连续箱梁桥主要承受弯、剪，主桥施工控制的主要原则是变形和应力的综合考虑，其中以变形控制为主，严格控制各个控制截面的挠度和轴线横桥向偏移，同时通过理论计算控制应力发展情况。连续刚构主梁线形控制过程是“施工测量识别预测调整预告施工”的循环过程。其主要包括为两个组成部分，一部分是施工数据采集系统，即在桥梁施工过程中通过在桥上设置监控系统，实时采集梁体变化资料，通过对已完成的工程状态和施工过程的监测，收集结构的实际状态参数；另一部分是仿真模拟计算系统，结合实际施工参数，采用有限元计算分析软件，严格模拟施工过程，计算出施工各阶段梁体的理想状态。通过理论计算和实测

31、结果的比较分析、误差调整，预测后续施工过程的结构的理想状态，提出后续施工过程应采取的技术措施，调整必要的施工工艺和技术方案，使结构的内力和线型处于有效的控制之中，并最大限度地符合设计的理想状态，确保结构的施工质量，保证在施工过程与运行状态的安全性。施工现场监测系统的建立连续刚构主梁线形控制主要依靠施工控制计算结合箱梁各节段各阶段标高监测结果来完成，箱梁标高监测是通过对梁体各节段梁顶、梁底标高进行实时测量收集，结合理论计算结果达到控制目的。这就需建立相应的施工控制测量网，通过对施工过程中每一梁段标高实施监测，监测施工过程中箱梁轴线位置的变化情况，以保证悬臂施工的悬臂合拢平面误差控制在设计要求和规范允许的范围之内。箱梁截面标高观测点布置主桥高程控制是施工控制项目中的重点，箱梁线形控制以梁体底板控制为主，为了能反映出在各施工阶段完成后各梁段的标高，每个施工节段上顶板布置3个高程观测点，中间测点兼作平面线形控制测点，横向两个测点有三方面的作用，其一是通过两个点的挠度比较，可以观测到箱梁有无出现横向扭转；其二是同一节段箱梁上的两个观测可以相互验证，以确保各节段箱梁挠度观测结果的正确无误；其三