施工監(jiān)控技術(shù)在四角田特大橋施工過程中的應(yīng)用

1、施工監(jiān)控技術(shù)在四角田特大橋施工過程中的應(yīng)用李富春 （陜西咸陽 中鐵七局三公司 712000）摘 要：本文介紹了施工監(jiān)控技術(shù)在四角田特大橋施工中的應(yīng)用,闡明了施工監(jiān)控技術(shù)在懸臂澆注橋梁施工中的作用,在該文中,作者以四角田特大橋施工為例,通過監(jiān)控體系的建立,有限元模型的仿真分析,自適應(yīng)控制方法的運(yùn)用,以及施工監(jiān)控對(duì)橋梁施工中應(yīng)力和線形的作用,充分說明了橋梁監(jiān)控技術(shù)在橋梁施工過程中的重要性。關(guān)鍵詞：有限元模型；懸臂施工；仿真分析；自適應(yīng)控制；施工監(jiān)控；監(jiān)控體系1工程概況四角田特大橋是國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目滬瑞國道主干線貴州境鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)高速公路第25合同段跨越山谷的雙線整體式懸臂澆注橋梁之一。左幅橋長30

2、5.9m，右幅橋梁長389.58m。左右幅分離。四角田特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為(70m+120m+70m)變高度變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁橫截面采用單箱單室，中支點(diǎn)（主墩）處梁高700cm，跨中合攏段及邊跨直線段梁高260cm，梁底下緣線形采用圓曲線。懸臂澆注共14個(gè)節(jié)段， 施工順序?yàn)閼冶蹪仓吙绾淆堉锌绾淆?。大橋主橋立面布置見圖1。 圖1四角田特大橋主橋面布置圖（單位：cm）2主橋施工監(jiān)控2.1 施工控制方法橋梁懸臂梁的施工控制是一個(gè)施工量測(cè)識(shí)別修正預(yù)告施工的循環(huán)過程2。采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來進(jìn)行橋梁的施工控制，用基于最小二乘法的參數(shù)復(fù)核識(shí)別算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，用帶殘差修正的灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行參數(shù)預(yù)

3、測(cè)，再反饋到施工控制計(jì)算中，重新進(jìn)行下一階段的合理狀態(tài)分析，使實(shí)際成橋線形與理想成橋線形相接近。施工控制分析流程如圖2所示： 圖2 自適應(yīng)控制分析流程2.2有限元的計(jì)算橋梁施工控制的首要工作就是對(duì)橋梁的應(yīng)力、變形等進(jìn)行理論計(jì)算，得出橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中每個(gè)階段的受力和變形的理想狀態(tài)，以保證橋梁施工工藝的科學(xué)性。本次計(jì)算實(shí)際共劃分為26個(gè)施工階段和1個(gè)運(yùn)營階段，在施工過程中不允許大范圍變動(dòng)施工工序及方法。四角田特大橋主橋的施工過程仿真計(jì)算采用平面桿系有限元分析軟件進(jìn)行分析，該模型共有61個(gè)節(jié)點(diǎn)，60個(gè)梁單元（仿真計(jì)算模型見圖3），計(jì)算過程考慮了混凝土的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、溫度變化以及支座沉降的影響，

4、完善了對(duì)結(jié)構(gòu)的仿真分析。計(jì)算方法采用正裝分析法和倒裝分析法交替使用，直到計(jì)算成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)閉合為止。各施工階段分3種工況進(jìn)行施工分析，即掛籃移動(dòng)、澆注混凝土、張拉，主要是對(duì)各施工階段工況下的相應(yīng)截面的應(yīng)力、位移進(jìn)行分析，通過對(duì)各截面的應(yīng)力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，作為監(jiān)測(cè)的依據(jù)，以保證下一階段順利、安全施工。圖3 仿真計(jì)算模型2.3 標(biāo)高監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置主梁零號(hào)塊澆注完之后，即在頂面上設(shè)置五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。主梁其它節(jié)段開始澆注后，在每一截面底板及頂板各布置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每一節(jié)段（兩頭）共布置12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，布置見圖4、圖5所示。圖4 懸澆段變形及標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置圖（cm）圖5 0號(hào)塊變形及標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置(

5、cm)2.4 立模標(biāo)高的確定 立模標(biāo)高按下式計(jì)算： （4-1）式中：i節(jié)段立模標(biāo)高（節(jié)段上某確定位置）；i節(jié)段設(shè)計(jì)標(biāo)高；由各梁段自重在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和； 由張拉各節(jié)段預(yù)應(yīng)力在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和； 混凝土收縮、徐變?cè)趇節(jié)段引起的撓度； 施工臨時(shí)荷載在i節(jié)段引起的撓度； 使用荷載在i節(jié)段引起的撓度； 掛籃變形值。其中掛籃變形值是根據(jù)掛籃加載試驗(yàn)（掛籃加載試驗(yàn)是在掛籃安裝完畢后，按照懸臂澆注最重節(jié)段的120%進(jìn)行加載通過測(cè)量得來），綜合各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，最后繪出掛籃荷載撓度曲線，進(jìn)行內(nèi)插而得。而、五項(xiàng)在正裝分析法中已經(jīng)加以考慮。四角田特大橋施工監(jiān)控過程中，立模標(biāo)高的提供的確定位置選定為施工時(shí)節(jié)段底

6、板端頭底部標(biāo)高。 計(jì)算實(shí)例以下是四角田特大橋左幅2號(hào)墩7號(hào)節(jié)段立模標(biāo)高計(jì)算過程：掛籃移出后6號(hào)節(jié)段上標(biāo)高監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)成果如表1：斷面部位混凝土澆注后張拉后掛籃移出后15頂板左1456.1731456.161456.16中1456.3121456.3111456.31右1456.3651456.3611456.36底板左1452.4811452.481452.477中1452.4851452.481452.48右1452.4851452.4821452.4835頂板左1455.1291455.1291455.127中1455.2911455.2881455.286右1455.371455.3611

7、455.362底板左1451.4561451.4521452.45中1451.4641451.461451.461右1451.4581451.4581451.456表1 四角田左幅2號(hào)墩6號(hào)節(jié)段標(biāo)高檢測(cè)成果張拉后6號(hào)節(jié)段15號(hào)斷面監(jiān)控點(diǎn)確定位置（端頭底板底部）控制標(biāo)高為1452.479，35號(hào)斷面控制標(biāo)高為1451.451。實(shí)測(cè)張拉后，15號(hào)斷面為1452.481 +2mm；35號(hào)斷面為1451.457 +6mm；判斷：不需要采取糾偏措施；根據(jù)計(jì)算，7號(hào)節(jié)段14號(hào)斷面控制標(biāo)高為1452.868m，36號(hào)斷面控制標(biāo)高為1451.701m，有撓度理論計(jì)算可知，撓度=+=+4.678cm=+=-3.

8、71cm=6mm 取4mm 取2mm 14號(hào)斷面為2mm 36號(hào)斷面為1mm 則立模標(biāo)高計(jì)算：14號(hào)斷面： =+=1452.868+0.04678+(-0.0371)+0.004+0.004+0.002+0.002=1452.89036號(hào)斷面： =+=1451.701+0.04678+(-0.0371)+0.004+0.004+0.002+0.001=1451.722在計(jì)算中，業(yè)已考慮了混凝土收縮、徐變、臨時(shí)荷載等的影響，要求實(shí)際立模標(biāo)高與計(jì)算的名義立模標(biāo)高之間的誤差控制在2mm以內(nèi)。2.5主梁變形監(jiān)測(cè)主梁變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括撓度監(jiān)測(cè)、主梁軸線偏位測(cè)量與墩頂沉降測(cè)量。撓度監(jiān)測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)

9、量各水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，每一個(gè)節(jié)段進(jìn)行數(shù)次的觀測(cè)，以便觀察各水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的撓度及主梁合龍精度及橋面的線形。軸線偏位測(cè)量是用鋼尺找出前端梁段的中線并做標(biāo)計(jì)，采用視準(zhǔn)法直接測(cè)量其前端偏位，每塊節(jié)段施工時(shí)均進(jìn)行軸線偏位測(cè)量。墩頂沉降測(cè)量采用全站儀在一側(cè)岸邊設(shè)置兩個(gè)站點(diǎn)，測(cè)出墩頂測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以便得到墩頂標(biāo)高值，每一測(cè)試工況下的變位即為測(cè)試值與初始值的差值，每塊節(jié)段施工時(shí)均進(jìn)行墩頂沉降測(cè)量。鑒于日照溫差的復(fù)雜性，為了盡量減少日照溫差效應(yīng)對(duì)觀測(cè)的影響，觀測(cè)的時(shí)間宜安排在早晨太陽出來之前。2.6 應(yīng)力監(jiān)測(cè)為了及時(shí)掌握大跨度連續(xù)梁橋在施工過程中關(guān)鍵部位應(yīng)力（或應(yīng)變）的變化規(guī)律，弄清理論值與實(shí)際值之間的關(guān)系，在每一

10、跨主梁關(guān)鍵部位布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，通過施工階段的實(shí)時(shí)測(cè)試獲得結(jié)構(gòu)真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行誤差分析并判斷是否符合設(shè)計(jì)要求，如果實(shí)測(cè)值與理論值的差值超限則必須查找原因和調(diào)控，使之在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)。選取每一跨箱梁的支點(diǎn)截面、L/4截面和跨中合龍截面作為控制截面，共9個(gè)控制截面，測(cè)點(diǎn)布置在截面上、下緣處，采用智能式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法采用差值法，監(jiān)測(cè)箱梁承受的縱橋向彎矩和軸力。梁監(jiān)測(cè)截面內(nèi)的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用JMZX-215A智能數(shù)碼應(yīng)變計(jì)測(cè)量混凝土的應(yīng)變，數(shù)據(jù)采集儀為振弦檢測(cè)儀JMZX-300X。傳感器在埋入橋梁混凝土過程中，充分考慮傳感器與混凝土變形一致，且對(duì)傳感器精確定位，并采

11、取有效措施對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。此外還采用了無應(yīng)力應(yīng)變計(jì)做成溫度補(bǔ)償試塊，用以測(cè)試控制梁段的混凝土收縮應(yīng)變和徐變應(yīng)變。 圖6 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，混凝土的收縮、徐變、溫度應(yīng)變和荷載應(yīng)變是混合在一起的，即實(shí)際測(cè)得的應(yīng)變包含了荷載應(yīng)變、溫度應(yīng)變、混凝土收縮應(yīng)變和徐變應(yīng)變。所以在按公式=E計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力時(shí)，必須將混凝土的收縮、徐變以及溫度影響從實(shí)測(cè)應(yīng)變中剔除3。再對(duì)應(yīng)地將修正的實(shí)際應(yīng)力與仿真分析得出的應(yīng)力進(jìn)行比較，作為監(jiān)測(cè)的依據(jù)，合理評(píng)價(jià)施工的質(zhì)量，以保證施工過程的順利、安全施工。以下是四角田特大橋1-10號(hào)節(jié)段各施工過程應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力及變化圖形(圖7):階段施工內(nèi)容測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力測(cè)點(diǎn)2應(yīng)力測(cè)

12、點(diǎn)3應(yīng)力測(cè)點(diǎn)4應(yīng)力291#段砼0.01910.01840.00470.0126 30張拉1.0107 0.9943 0.6964 0.3207 31移掛籃0.9535 0.9388 0.6700 0.3310 322#段砼0.8253 0.8155 0.6359 0.4095 33張拉2.0607 2.0275 1.4217 0.6576 34移掛籃1.9738 1.9433 1.3862 0.6835 353#段砼1.7346 1.7133 1.3228 0.8303 36張拉3.0147 2.9682 2.1172 1.0438 37移掛籃2.8991 2.8562 2.0727 1.08

13、45 384#段砼2.5548 2.5251 1.9831 1.2995 39張拉3.8727 3.8160 2.7799 1.4731 40移掛籃3.7475 3.6948 2.7325 1.5187 415#段砼3.3171 3.2810 2.6210 1.7886 42張拉4.6634 4.5988 3.4189 1.9308 43移掛籃4.5382 4.4776 3.3715 1.9763 446#段砼4.0216 3.9809 3.2361 2.2967 45張拉5.4348 5.3629 4.0503 2.3947 46移掛籃5.2998 5.2322 3.9970 2.4391

14、477#段砼4.6497 4.6073 3.8330 2.8564 48張拉6.1290 6.0523 4.6512 2.8840 49移掛籃5.9943 5.9220 4.6020 2.9372 508#段砼5.2678 5.2238 4.4200 3.4062 51張拉6.8135 6.7322 5.2462 3.3721 52移掛籃6.6788 6.6019 5.1971 3.4252 539#段砼5.8759 5.8303 4.9970 3.9460 54張拉7.4978 7.4116 5.8372 3.8514 55移掛籃7.3535 7.2722 5.7862 3.9121 561

15、0段砼6.5033 6.4554 5.5816 4.4794 57張拉8.1818 8.0905 6.4239 4.3219 58移掛籃8.0375 7.9511 6.3730 4.3826 5911段砼7.1587 7.1070 6.1631 4.9726 60張拉8.7099 8.6170 6.9209 4.7817 61移掛籃8.5754 8.4872 6.8759 4.8436 6212段砼7.6013 7.5519 6.6485 5.5092 63張拉9.0078 8.9216 7.3472 5.3614 64移掛籃8.8637 8.7826 7.3004 5.4309 表2 四角田

16、特大橋左幅2#墩1-10號(hào)節(jié)段應(yīng)力圖7 1-10號(hào)節(jié)段各施工步驟下應(yīng)力變化圖形從圖中可以看出，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4應(yīng)力變化呈現(xiàn)規(guī)律發(fā)展，測(cè)點(diǎn)1、2應(yīng)力變化圖形基本重合，大于3、4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力，應(yīng)力符號(hào)表明混凝土始終處于受壓狀態(tài)，數(shù)值與仿真分析得到的數(shù)據(jù)基本吻合，施工始終處于安全狀態(tài)。2.7溫度及其影響觀測(cè)主梁溫度測(cè)量采用JMT-36B型溫度傳感器，并配合使用JMZX-300X型綜合測(cè)試儀測(cè)量。主要在主梁的標(biāo)準(zhǔn)截面內(nèi)預(yù)埋溫度元件，以測(cè)量其內(nèi)部的溫度場分布。選取一個(gè)“T”中的一個(gè)懸臂的L/4截面作為溫度測(cè)試對(duì)象，布置12個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，具體位置見圖8。圖8 斷面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖測(cè)試時(shí)間選在主梁施工期間選擇有代表性的天氣進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)觀測(cè)，例如：每個(gè)月選擇一個(gè)晴天、多云天和陰雨天。在進(jìn)行溫度測(cè)試的同時(shí)，測(cè)量結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，即主梁標(biāo)高和相關(guān)截面應(yīng)力應(yīng)變，用以分析溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。為調(diào)節(jié)內(nèi)外溫差，施工時(shí)，在腹板上準(zhǔn)確預(yù)留通風(fēng)孔十分重要。3 結(jié)語3.1在橋梁監(jiān)控中正確建立有限元仿真分析模型，從理論上計(jì)算出橋梁各個(gè)施工階段應(yīng)力和變形狀態(tài)，與施工現(xiàn)場的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析，為懸臂橋梁安全、順利地建成提供技術(shù)保障。3.2連續(xù)剛構(gòu)或連續(xù)梁橋