钢管拱桥施工监控技术方案.docx
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钢管拱桥施工监控技术方案
第一部分钢管拱桥施工监控技术方案
一、桥梁概况
本桥为钢管混凝土简支系杆拱桥，桥梁全长200m。
本桥平面位于直线段内，桥面横坡为双向1.5%，由墩柱不等高调整。
图1拱桥总体布置图
二、技术标准与规范
2.1标准及规范
⑴《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）
⑵《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）
⑶《公路圬工桥涵设计规范》（JTGD61-2005）
⑷《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；
⑸《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）
⑹《公路桥涵地基与基础技术规范》（JTJ024-85）
⑺《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）
⑻《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）
⑼《高速公路交通安全设施设计与施工技术规范》（JTJ074-94）
⑽国家标准《钢结构设计规范》GBJ17-88；
⑾中国电力行业标准《钢管混凝土组合结构设计规程》DL/T5085-1999；
⑿中国标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》CECS28:
90。
2.2主要技术指标：
⑴设计荷载：
公路-Ⅰ级
⑵桥下净空：
≥4.5m
⑶桥面宽度：
⑷桥面横坡：
1.5%的双向横坡
⑸地震动峰值加速度0.05g
三、施工监控目的
钢管混凝土作为一种新的组合材料,一方面借助内填混凝土提高钢管壁受压时的稳定性,提高钢管的抗腐蚀性和耐久性,另一方面借助钢管壁对混凝土的套箍作用,提高了混凝土的抗压强度和延性,将钢管和混凝土有机地组合起来。
这种材料形式非常适合拱式体系的桥梁,其自重轻、强度高、抗变形能力强,较好地解决了修建桥梁所需的用料省、安装重量轻、施工简便、承重能力大的诸多矛盾,是大跨度拱桥的一种比较理想的结构形式。
虽然目前我国已建成了不少钢管混凝土拱桥,但在交通和城建行业,由于对钢管混凝土拱桥的理论研究还不够成熟,积累的经验还不够丰富，同时钢管混凝土拱桥对施工工艺要求较高,施工受材料、环境及工艺措施的影响,常出现受力和桥梁线形与理想的设计状态不一致,从而产生隐患并危及桥梁的正常使用。
因此，对钢管混凝土拱桥的施工过程开展施工监测和控制方面的研究是很有必要的，通过实际监测各施工阶段的主要控制参数，并通过现场分析及预测得出合理的控制措施，用以指导和控制施工，使各施工阶段的实际状态最大限度地接近理想状态，确保成桥后的内力状态和几何线形符合设计要求。
避免了施工过程中的“先天不足”,最终使施工质量符合设计和规范要求。
并为桥梁建设增添钢管混凝土拱桥的设计施工经验，推动该类桥梁设计理论的发展。
3.1施工监测
（1）通过监测，可实际确定桥梁结构各组成部分的应力应变状态；
（2）通过施工监测及分析，可判断桥梁结构的安全状态，为施工质量控制提供数据；
（3）通过施工监测及分析，可为确定下一步施工方案及安全保障措施提供决策依据；
（4）通过施工监测，可为桥梁竣工验收提供重要依据，长期稳定可靠的测试元件也可作为大桥长期监测的仪器设备，为本桥梁以后的养护维修建立科学的评价系统。
3.2施工控制
（1）通过对大桥设计方案检算分析，可校对主要设计数据，避免重大偏差；
（2）通过对施工方案模拟分析，可对施工方案可行性作出评价，以便对施工方案进行确认或修改；
（3）通过施工过程控制分析，可确定各施工理想状态的线形及位移，为施工提供目标与决策依据；
（4）通过施工控制实时跟踪分析，可对随后施工状态的线形及位移作出预测，提供施工控制参数，使施工沿着设计的轨道进行。
同时，保证施工安全和质量，最终使施工成桥状态符合设计要求。
四、施工监控的内容及方案
桥梁的施工监控与设计、施工有密切的关系，为使成桥符合设计要求且安全优质，需要从监测、控制两方面建立控制体系，总体内容包括以下几个方面：
（一）现场的实时测量体系
测量的内容包括物理测量（温度、时间），线形测量（桥轴线平面位置、标高等）、力学测量（应力、应变等）。
测量的周期需根据施工速度的状况而定。
（二）现场测试体系
包括混凝土容重及混凝土与钢材的弹性模量实验测试；结构的材料特性测试；施工荷载及偶然荷载等资料收集与分析。
（三）分析判断系统
根据现场测量与测试资料，对结构状态进行分析，与设计资料对比，给出结构当前阶段应力、应变、强度稳定状态及结构线形分析报告，对后续施工状态进行预测，提出控制建议。
4.1桥墩施工监测
对桥墩实行施工监测，并对监测数据进行分析，从而控制整个施工过程中墩
的应力、应变、变位、预报墩的稳定性，确保墩的安全性。
一般来说，在墩内设置应力、应变测点，在墩外设置变位测点，必要时还应设置温度测点，以全面监测桥墩在大桥施工过程中的应变、变位状态，校正设计参数。
4.1.1桥墩应力监测
本监控方案在桥梁一侧桥墩内布置应力测点，桥墩布置2个断面（1-1，2-2），每个断面埋置6个钢筋计传感器（共12个，对应钢筋为Φ28）。
钢筋计布置位置如图2所示。
图2桥墩钢筋计传感器布置图
4.1.2桥墩的温度监测
对桥墩内部温度监测，确保其与外界环境温度的温差在容许范围之内，确保桥墩保持良好的工作状态，另外通过对桥墩内部温度的监控，校正设计参数，以全面监测桥墩在桥梁整个施工过程中的应力、应变和变位状态。
4.2支架变形与沉降监测
拱桥的拱座、系梁、横梁及桥面在支架上现浇，由于支架在加载后会有变形和挠度出现，在安装前要有充分的估计和计算。
施工对支架的强度、刚度、整体稳定性和沉降都有很高的要求，所以必须对支架实行全程监测。
主要监测和试验的内容包括：
（1）支架整体结构的复核验算；
（2）支架的静载试验；
（3）混凝土浇筑加载程序优化；
（4）支架的变形量、沉降量和支架的受力与变形均匀性监测。
4.3主拱肋的线形控制
4.3.1拱肋的加工控制
在拱肋的加工过程中,杆件的温度变形、焊接的收缩、划线的粗细等均将导致加工的误差,因此,应在开工前做充分的技术准备工作,如设计工装、编制工艺等,对拱筒的筒体成型,运输单元的组装、焊接、涂装等制定详细的工艺要求和制作标准。
对于拱肋的加工质量,在工艺保证的同时,对拱肋的外型尺寸及焊接质量进行重点控制。
（1）公差控制 拱肋加工过程中误差以及测量误差均将导致最终加工误差。
因此应参阅相关规范制定各工序的交验公差。
为确保竣工交验公差,在每工序完工时,设计、施工、工厂3方根据竣工交验公差及阶段实际情况共同拟定过程公差控制数据及方法以控制拱肋的外型尺寸。
（2）焊接控制 拱肋由于其结构特点,一般采用手工电弧焊接,焊缝等级高,焊接工作量大。
因此,应成立专职的焊接工艺组,制定严格的焊接工艺,焊接完成后,按要求必须有相关单位对焊缝进行探伤检测。
4.3.2拱肋的预拼装控制
为检验拱段加工尺寸是否符合成桥拱轴精度要求,保证在现场的顺利拼装,在厂内对所有运输单元应进行1∶1的预拼,如果场地不容许,也要进行1/2拱肋的分段预拼,通过预拼对不合适的部位进行修整,然后安装定位销、临时连接座和卡具,并对符合要求的拱段进行编号。
（1）设置预拼平台
根据拱肋的预拼长度设置混凝土预拼平台,平台浇筑时安装预埋件,用以安装支承台架,每个运输单元用2个台架,并在平台上设置控制坐标点。
（2）拱肋预拼装
在平台的胎架上,对拱肋进行预拼装,接口调整好后安装卡具固定,同时在拱肋管内组焊临时连接座和定位插销。
对预拼好后的拱肋进行各项指标的检验,特别是各接口处上、下缘线的坐标值应该符合工艺设计值,对不符合者,应该进行校正。
（3）确定拱肋吊杆孔位依据预拼拱肋的实测值,并考虑焊接收缩、温度变形等因素,在拱肋上开设吊杆孔。
4.3.3拱肋安装控制
（1）拱脚的安装控制
拱脚是拱肋线形控制的基础,拱脚的施工应注意其几何尺寸位置及拱肋管的轴线尺寸、纵向仰角、横向垂直度,以确保拱肋安装的精度。
在浇筑混凝土时,由于该处钢筋密集,因此应制定详细的浇筑工艺,确保该处的混凝土质量。
（2）拱肋的轴线控制
拱肋的施工采用有支架施工应制定相应的具体控制措施。
特别是对测量定位、焊接等方面进行控制。
1）根据桥位地形情况设置贯通的轴线控制点或布置一导线控制网,在拱肋安装的全过程进行轴线位置监测。
2）拼装前,应根据拱肋的不同拼装方法,进行拱肋控制点的预拱度设置。
有支架施工时,应根据加载后支架的变形,设置预拱度。
3）测量时,应重视温差而引起的杆件长度变化和侧向变形,应尽量选择日出前或日落后温差最小时,或对拱肋进行洒水降温后,对其测量。
4）拱肋安装时宜设置竖向及横向微调装置进行精确对位,对位后应及时通过定位销和临时连接装置进行连接,然后施焊。
5）焊接时,应选择合理的焊接工艺,严格控制焊接产生的侧向变形。
6）在拱肋拼装过程中,应考虑风荷载的影响,已安装的拱肋宜及时拉设缆风绳,防止拱肋的失稳,也防止风载对其轴线精度的影响。
（3）拱肋的合拢控制
合拢段的施工是拱肋拼装的最后一个环节,也是拱肋线形控制的重点,因此应根据不同的施工方法制定相应的合拢方案,在施工中应注意以下几点:
1）主拱合拢段的加工长度,应留有适当预留切割量,以防在拼装过程中,由于焊接收缩而引起的长度变化。
2）合拢时,应按照设计要求的合拢温度进行合拢,以防产生温度应力。
3）针对不同的施工方法,应采用不同的临时锁定措施。
支架施工时,宜采用管内设锥形套管进行临时锁定。
4.4主拱肋的施工控制
4.4.1施工监测
在桥面上搭设支架，分段安装钢管拱。
在进行轴线位置及标高跟踪监测的同时,宜对拱肋及临时设施进行应力监控,为施工控制及时提供可靠的数据,并确保施工安全。
对拱肋的施工监测主要内容为:
温度监测、应力监测、位移（竖向挠度、横向偏移）监测等。
（1）对各主拱肋拱脚进行变位监测,以确定拱座基础是否有位移。
对于主拱肋各控制断面上缘进行线形监控。
（2）对主拱肋各控制截面（2个拱脚、Ｌ/4、Ｌ/2、3Ｌ/4）进行线形和位移监测,以便掌握拱肋的真实位移情况。
（3）对主拱肋2个拱脚、Ｌ/4、Ｌ/2、3Ｌ/4截面的钢管应力进行监测。
方法可以采用在钢管表面贴表面应变计。
主拱肋2个拱脚、Ｌ/4、Ｌ/2、3Ｌ/4截面监控钢管内部混凝土压应力，监控方法可以采用在钢管内部埋置混凝土应变计，每个截面布置六个钢筋应变计。
（4）对主拱肋钢管、管内混凝土进行温度监测,以获得与线形及位移相对应的大气温度,以及主拱肋箱体温度,为控制的理论分析提供可靠的温度值。
在主拱肋2个拱脚、Ｌ/4、Ｌ/2、3Ｌ/4截面监控钢管混凝土内部温度，监控方法可以采用在钢管内部埋置温度传感器，每个截面布置一个温度传感器。
根据主桥的结构特点，选择拱肋应力、温度和坐标监测。
监控点布置见图3；应力监测点在横断面的布置见图4。
选择拱肋线形控制测点布置见图5。
图3拱肋应力、温度测点布置图
图4主拱肋应力测点横断面布置图
图5拱肋线形控制测点横断面布置图
4.4.2施工控制
控制的实施通常是根据实测控制变量的值与理论分析得出的各施工阶段理想目标值的差异,采用一定的方式对结构进行调整。
与梁桥的施工监控相比,钢管拱桥施工监控中的预报次数要少,因为它不存在控制立模标高的问题,所起的作用主要是校核实测值与预测值的吻合程度,通过对造成实测值与理想目标值差异的原因进行分析,采用合理的调整方案,使最终成桥的设计目标得以实现。
4.5横梁、系梁及吊杆的施工控制
4.5.1横梁施工控制
大桥每幅桥梁选择3道横梁监控。
两幅桥共选择6道（每幅2道端横梁、1道中横梁）横梁进行监控。
每道横梁设置3个断面监控，中横梁每个断面布置2个应变计。
端横梁每个断面布置4个应变计。
端横梁监控点布置如图6、图7、图8、图9
图6端横梁横断面应变计布置图
图7端横梁纵断面应变计布置图
图8中横梁横断面应变计布置图
图9中横梁纵断面应变计布置图
4.5.2系梁施工控制
选择全桥的2根系梁进行监控，每道系梁监控3个断面，每个断面布置6个应变计。
系梁监控点布置如图11、图12。
图11一道系梁横断面应变计布置图
图12一道系梁纵断面应变计布置图
4.5.3吊杆施工控制
（1）吊杆安装位置的确定
通过确定各个吊杆处主拱肋的标高及裸拱时吊杆的坐标为吊杆安装位置提供依据。
（2）吊杆应力的监测
吊杆应力的监测采用目前最成熟的动力法测定。
基本原理：
将斜索视为在一个平面内振动，计算公式如下：
其中T是张力（N），n是振弦振动的阶数，fn是第n阶自振频率（1/s），W为单位弦度的重量（N/m）、g为重力加速度（9.8m/s**2），K为索的常数（N*s**2）。
大多数的索都是类似弦的构件，故而在检测张拉力时，可在测得其自振频率后，由上述公式可反推出吊杆拉力值。
该桥一幅每侧设18根吊杆，根据分析，监控每幅桥的每根吊杆，个别长度短的吊杆可在端部、中部和根部3个断面设置监控点，每个断面贴应变片2枚。
见图10
图10吊杆应变片布置图
4.6桥面系施工监控
桥面系线型监测和分析控制
在桥面系施工过程中，由于主拱肋竖向位移不断变化，其对桥面系的施工产生的变位影响各异，施工中必须对桥面的标高进行监控，并根据监控的结果确定下一步施工工作的开始时间。
桥面线形监控点布置见图13，其中N为横梁个数。
图13桥面线形监测点布置图
4.7原材料试验
施工控制辅助试验的目的是：
由于结构设计参数是根据设计规范，材料出厂力学性能指标等取用的。
此外，材料组成构件后力学性能也有所变化。
因此，设计参数取值将与实际情况有所差异，这将影响到实际的力学性能与使用性能。
因此，有必要在结构施工前做一些辅助试验，以提前修整部分设计参数，为施工成桥符合设计要求奠定基础，具体辅助试验内容包括：
4.7.1混凝土弹性模量、容重的测定和收缩、徐变系数确定
结构设计时的参数一般是按规范取用,这对设计是可以的,但对于结构施工控制则应对部分主要设计参数进行实际测定,以便在施工前对部分结构设计参数进行一次修正，从而进一步修正原设计线形，为该桥在成桥后满足设计要求奠定基础。
具体测定工作的进行应根据大桥所在自然环境情况，所用材料情况，施工工艺及工序情况来加以测定，需测定的参数如下：
采取现场取样，分别测定混凝土在3天、7天、14天、28天、60天、3个月、6个月和1年龄期的弹模，为主跨预拱度修正提供数据。
混凝土容重的测定也采用现场取样，在实验室用常规方法测定。
混凝土的收缩、徐变对主拱应力，挠度影响较大，需要进行实际的样本测量，以确定实际收缩、徐变曲线，并用于控制识别中。
（1）混凝土弹性模量的测定
混凝土弹模的测试主要是为了测定混凝土弹性模量（E）随时间（t）的变化过程，即E—t曲线。
采用现场取样然后通过万能试验机试压的方法，分别试定在3天、7天、14天、28天、60天、3个月、6个月和1年龄期的E值，以得到完整的E—t曲线。
（2）混凝土容重的测量
混凝土容重测试是现场取样，采用实验室常规方法进行测定。
（3）拱圈混凝土收缩、徐变试验
混凝土的收缩、徐变对桥梁变位影响较大，应专门进行3天、7天、14天、28天、90天等加载龄期的徐变，收缩试验数据测试得出相应的收缩、徐变系数。
试验所用原材料及配合比与大桥混凝土所用原材料及配合比一致。
4.7.2吊杆试验
（1）试验确定吊杆弹性模量、热膨胀系数、单位长度重力、截面积及破断力；
（2）试验确定吊杆设计恒载作用下的长期非弹性效应。
4.7.3桥面铺装容重试验
（1）试验确定桥面铺装层容重；
（2）模拟试验桥面铺装确定桥面铺装设计厚度下单位面积重力。
4.7.4锚具、夹具重量试验
称量确定锚具夹具的重量。
4.7.5温度测试
观测确定气温昼夜变化规律。
4.8施工控制结构分析
结构分析是结构施工的主要工作之一，该项工作根据施工过程与成桥运营情况来对各施工状态及成桥后的内力与位移的计算，进而确定出结构各施工阶段的内力与位移理论值。
计算要考虑施工的进程、时间、相应状态、临时荷载、环境温度、混凝土的收缩与徐变等因素。
4.8.1施工过程中及成桥后的结构分析
施工过程中的结构行为分析运用前进分析和无应力状态法两种方法。
结构分析采用非线性有限元法。
4.8.1.1结构分析包括以下几项内容
（1）对结构设计主要计算数据进行复核；
（2）复核结构初始状态的设计值；
（3）确定各施工理想状态的内力与位移；
（4）通过比较确定出结构最大内力与位移的相应状态；
（5）给出有关的施工建议。
开始
输入数据
是否计算过初始坐标
计算结点坐标
计算主拱肋单元自重产生的初应变，生成单位荷载数据，显示结构单元离散图
主子程序计算各施工阶段位移和内力、输出计算结果并显示各阶段位移图
是否计算过初始坐标
结束
是
从数据文件读初始坐标
修正坐标循环迭代
否
判断成桥阶段结构变形后的控制点位置是否达到设计值
否
将算出初始坐标存入数据文件
是
是
4.8.1.2结构分析流程框图如下图14、图15。
图14结构分析主框图
主子程序入口：
给各控制变量置初值，从主程序接受时间场、温度场、结虑数据等有关信息，对要计算的结构初始化并形成方程号等
从主程序接受单元信息，对各单元族循环，根据单元控制信息分配单元存储空间，形成各类单元信息如：
材料几何住处信息，应力输出表、单元刚度矩阵数据，结点联系数组及方程列高……等
计算总刚对角线元素地址和总刚度矩阵非零元表总长，对总刚分块并计算分块数，每块最大尺寸等
从主程序接受荷载信息，形成荷载矩阵
施工阶段循环数递增：
KSTEP=KSTEP+1
计算有效荷载信息，计及非线性刚度矩阵对荷载阵修正
对各单元族循环、形成本阶段有效总刚度矩了，解方程计算结点位移参数
按本阶段求出的位移计算不平衡荷载，按收敛要求判断是否继续进行平衡迭代？
计算并输出本阶段和结构各部位单元内力与应力
计算阶段号KSTEP是否等于总计算阶段数
主子程序出口：
本次循环结束，将计算结果中的控制参数返回主程序
改变荷
载步长
是
否
是
否
图15主框图中的主子程序流程框图
4.8.1.3施工控制结构行为模拟
主拱肋结构行为模拟
主拱肋在其自重作用下的初始位置和初应变采用抛物线线型计算，然后用非线性有限元平衡正迭代结果指导施工。
以后各阶段均以此状态为基础用非线性有限元平衡正迭代方法分别计算各阶段不同结构体系所承受的施工机具、吊杆、钢横梁、桥面系等荷载以及温度变化、强迫位移等因素影响下结构各部位的变形和内力。
以设计成桥状态控制点为坐标目标，进行施工全过程正循环迭代逼近结果。
4.8.2施工控制误差分析
施工控制目的是尽可能消除理论计算与施工实际情况的差异。
这些差异表现为：
计算参数与实际情况的差异，计算假定与实际情况的差异、施工误差、测量误差等。
消除这些差异从以下两方面进行。
（1）调整计算参数，修正理想状态
由于结构实测值与理论值存在一定的偏差，通过对应力或位移偏差分析，结构参数敏感性分析，结构参数识别，进一步分析找出偏差原因，确定出设计参数真实值。
为施工成桥符合要求服务，也为同类桥梁的设计与施工积累经验。
（2）反馈控制分析、预测主拱肋标高
根据结构理想状态，现场实测状态和误差进行分析，预测出下阶段主拱肋标高的最佳值是克服误差的有力手段。
可采用多种方法相结合进行分析与预测。
4.8.3结构设计参数识别
一部分结构设计参数可通过施工前的测定来加以修正，但是还有一些参数是难以确定的设计参数以及临时荷载及环境影响，必要进行结构施工监测，并通过实际测量值与理论值对比分析，以及参数识别，方可确定这些用试验难以确定的设计参数，从而减少理论值与实测值的差异，这样才能进一步全面把握主桥结构行为，参数识别采用最小二乘法。
4.8.4结合控制的实时跟踪分析
此项分析的实现是结构施工控制的关键。
反馈控制是根据结构理想状态、实测状态和误差信息进行的，该项工作制定出可调变量的最佳调整量，并形成实施方案，指异现场作业，使结构施工的实际状态最大限度地接近理想状态。
此项分析包括以下几部分内容：
（1）实测状态、温差效应修正分析；
（2）结构各状态数据实测值与理论值的对比分析；
（3）结构设计参数识别；
（4）结构行为预测分析；
（5）理想状态修正分析；
（6）反馈控制分析。
4.8.5施工控制分析软件
施工控制软件采用已在多座同类桥梁的监控中应用的桥梁结构综合分析专用软件（包括施工控制计算）与实桥和地区特点相适应的自编软件配合；对局部应力分析采用有限元ANSYS或其它有效程序进行仿真与实测结果分析。
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