1、钢管混凝土拱桥信息化施工监控体系研究第 8 期北方交通?59?钢管混凝土拱桥信息化施工监控体系研究王长虎(朝阳市公路管理处,朝阳 122000)摘要阐述对钢管混凝土拱桥信息化施工监控体系的研究.关键词钢管混凝土拱桥施工监控1 前言朝阳东大桥是一座大跨径钢管混凝土拱桥,采j=n 围内先进的双飞燕式柔性系结构.该类桥梁施工二序复杂繁多,整体施工过程中,结构受力体系多次转换,特别是钢管混凝土拱肋的空钢管多阶段拼装,拱肋的合拢,拱肋弦杆管【人混凝土的灌注方式以及灌注顺序,吊杆和系杆的安装与张拉,施工加载顺序等是整个桥梁施工中关键的工序,这些工序的完成需要严密的结构力学分析与严格的施工控制才能保证成功.
2、而且,设计图纸中仅给定理想状态下的桥梁竣工后的内力,线形,在施工中由于所用材料的力学性能存在偏差,构件制造安装误差,以及计算假定等客观囚素都会对钢管混凝土拱桥的内力,线形造成影响.为了保证结构内力和桥梁线形尽量与理想的设计状态一致,施工过程中的监控工作十分重要.因此,对大跨径钢管混凝土拱桥的上部结构施工,展开施工监测和控制是很有必要的.通过实际监测各施:【阶段的主要控制参数,并通过现场计算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的接近理想状态,确保成桥后的内力状态和几何线形符合设计要求,并最大程度的保证施工过程中结构的安全性与稳定性.基于以上原因,结合朝
3、阳市东大桥工程,提出开展钢管混凝土柔性系杆拱桥施工监控的研究,为以后该类桥型的施工提供技术资料,并指导同类结构的施工.2 施工监控研究内容与研究工作过程本项目的研究以朝阳市东大桥为依托工程,研究的展开紧密结合拱桥施工进行.研究所做的工作主要是以下几个方面:2.1 钢管混凝土拱桥信息化施工控制体系的研究与建立信息化施工控制包括信息采集,信息处理,信息反馈几个环节.根据采集的信息及处理结果,对近期和远期的施工目标进行预测,并在施工过程中对施工方案及时提出指导性意见,保证施工安全,这是信息化施工控制工作的重点;根据施工情况对施工工艺和施工顺序及时进行动态的调整是信息化施工控制工作的基本要求.因此,根
4、据现场监测信息,实施拱肋,墩柱施工变形位移的预测和控制,是信息化施工控制的重要环节,是动态控制结构安全的重要方法.施工中,运用正演分析方法,将预测结果与警戒值作出比较和控制决策,调整设计,施工参数,以减小后续施工的误差,达到指导施工,有效控制的目的.监测中,随时将现场测试的信息与预测值进行比较,运用反演分析,辨识结构参数,进行施工各阶段的变形位移及应力值的模拟计算,以改善预测结果,确保施工中结构的稳定与安全.桥梁施工控制是一个施工一测试一识别一修正一预测一施工的信息采集,处理,反馈,传递和执行的循环过程.为达到施工控制的最终目标,必须建立一套完善的控制系统,信息传递与运行机制,以使得施工与控制
5、之间形成良性循环.根据朝阳市东大桥的施工特点,参考国内外的一些大跨度柔性系杆拱桥施工控制工作经验,建立了如图 l 所示的施工控制系统流程框图.在图 1 中,现场测试体系和实时测量体系用于采集各项施工控制数据.然后,按照施工控制理论对施工数据进行分析处理,对施工过程中的施工误差进行分析评价,并根据实际情况提出控制的目标值以及调整,修正的对策,反馈给施工指导下一阶段施工,从而完成施工控制的一个循环?6O?北方交通 2OO6图 1 朝阳市东大桥信息化施工控制体系2.2 数据采集系统研究施工控制系统需要有一套完整的,足够精确的标高,位移,应力,温度以及其它物理量的测量手段的支持,同时还需要有完备的计算
6、机专用程序的支持,它包括施工全过程模拟结构分析系统,实时监测数据库及其管理程序,施工误差评价分析及调整程序,施工控制报表处理系统等.本项目研究中完成了各类传感器的选型与安装及其数据处理工作.在应力应变的测试中采用性能稳定,使用方便的振弦式应变计及其数据采集与分析系统,在标高与线形的数据采用中采用南方高科的电子经纬仪测试系统,其他相关材料的物理参数的数据在工地现场实验室获得.设计了各类数据使用的报表,并建立了相应的数据复核与传递机制,以保证数据信息的准确无误和传递畅通.这样建立的数据采集与分析系统,保证了施工控制的顺利开展.在本项目中,施工控制中所关心的是以下三大类实时测量数据,即:物理测量:包
7、括时间,温度,风速等.线形测量:包括拱肋线形,墩柱位移等.力学测量:包括拱肋各控制截面的钢管应力.(1)物理测量时间.钢管混凝土拱桥各施工工序的完成时间数据在施工控制计算中直接影响到混凝土收缩徐变效应的计算.在设计计算中这部分数据只能按通常施工水平进行估计.而施工控制计算进行的是实时计算,必须按实际的施工时间进行计算.时间的记录按年,月,日来计量,由此得到各关键施工工序的周期.钢管混凝土拱桥各施工阶段的施工时间对结构产生的影响,主要是对拱肋内力和墩柱变形的影响以及由此产生的对拱肋线形的影响.温度.钢管混凝土拱桥施工过程中环境温度及日照温差直接影响到结构体系的内力分布和变形情况;并且温度引起的变
8、形还影响到施工过程中构件的施工精度及拱肋线形测量的结果.本桥在施工中受日照温差影响较大,线形测量一般在清晨日出前进行.在实际施工中,某些工序的线形测量由于工期限制需要立即进行,这部分测量数据就必须在施工控制分析中考虑因温度影响而导致的修正量.对环境温度的测量通常的办法是用普通温度计进行测量,以便能大致确定结构体系温度场的状况.(2)线形测量主要指主拱肋在安装和桥面加载过程中的线形测量.拱肋安装线形测量拱肋安装线形测量是为拱肋合拢服务的,主要测量各管段接头的高程和拱轴线的横向偏位.观察的范围是从底节管段的安装到拱肋合拢.拱肋线形及位移测量这里拱肋线形测量是指拱肋合拢到拱上结构施工完毕的线形测量,
9、主要测量各布设截面拱轴的高程和拱轴线的横向偏位.拱座的水平位移.(3)拱肋应力监测通过对拱肋应力监测,可迅速知晓拱肋受力情况.该项观测在每一施工阶段都要进行,并贯彻整个施工过程.主要内容是:使用钢弦式应变计对拱脚截面钢管应力,拱脚,L/4,L/2 截面?昆凝土应力进行监测.2.3 施工控制计算,预测,分析评价研究计算,预测和分析评价工作是施工控制的核心工作内容.它通过对桥梁施工全过程实时模拟的结构分析,结合各设计参数的识别,修正以及其它测量数据的分析评价工作,进而求得各施工阶段施工控制参数的理论计算值,形成施工控制信息并对各施第 8 期王长虎:钢管混凝土拱桥信息化施工监控体系研究 ?61?工阶
10、段结构状态做出实时预测,从而达到桥梁施工实时控制的目标.本项目这部分的工作程序包括以下几个方面:(1)施工控制初期的设计复算和关键施工工序调整计算.在本桥施工控制初期,首先进行了施工控制对设计的复算工作,以校核施工控制计算结果与设计计算结果的闭合性,达到使施工控制指导的结构实际状态与设计的理想状态相一致.施工控制复算依据设计文件所提供的资料,独立于设计建立施工控制计算模型,同时根据实际施工情况做进一步细化.复算中采用设计计算的主要参数和设计计算中假定的施工时间进行计算,利用此过程下的施工控制计算结果与设计计算结果相核对,以校核二者在计算模型及施工模拟等方面是否存在实质性差异.只有当二者计算结论
11、基本一致时才开展后续的施工控制工作.针对施工单位提供的施工方案,按照施工过程进行的结构的重分析,并根据计算结果对关键施工工序进行了优化调整,如拱肋混凝土的灌注顺序,吊杆的张拉顺序,桥面板的架设顺序以及系杆张拉顺序及吨位等,保证了各工序的顺利实施.(2)施工进程中施工模拟的实时结构分析.在朝阳市东大桥的设计文件中,各施工阶段和设计计算参数都是设计预设和假定的,它们所依据的是既有的工程经验和设计标准参数,并不一定能完全真实地反映当前实际施工情况.这 tt,tl,实际的施工阶段,时间进度安排会因施工的具体条件而有所调整;主拱肋等部件的结构尺寸及材料参数(弹性模量,容重,加载龄期等)的实测值与设计取值
12、会有不同;而一些指定的设计参数如系杆张力等可能会视施工控制需要做必要修正.在本桥的施工控制计算中采用实际施工参数于计算中,以尽可能真实地反映结构实际内力,变形状态,亦即施工模拟的实时结构分析.这一分析在本桥整个主桥施工过程中需要实时调整,这些调整既包括各个直接的实时测量参数,也包括根据实测数据通过反馈分析等而得的识别参数,还根据实际施工情况对计算模型,计算方法及计算内容等作出了调整.施工控制实时计算与设计计算的比较框图见图2.本桥施工控制实时计算结果对指导施工进程起到了关键作用,主要的施工工序诸如空钢管的合拢,稠管混凝土的灌注,横梁的吊装,以及加载中各系杆张力的张拉等均是基于施工控制实时计算分
13、析而作出的.设计计算施工控制实时计算l_设计计算力学模型2.设计计算结构参数3.设计计算施工步骤d.设计施工方法模拟b.设计假定施工时问i 设计计算结果l_施工控制计算力学模型2 施工控制结构参数3.实际或计划施工步骤d.实际施工方法模拟b.实际或计划施工时间if 施工控制计算结果图 2 施工控制实时计算与设计计算的比较(3)计算参数的实时识别,修正.对于一些主要的计算参数如拱肋刚度,构件自重,混凝土收缩徐变系数等,必须确保它们尽可能准确,才能从根本上达到施工控制实测值与理论计算值的一致.而希望硬性通过调系杆张力来消除这类实测值与理论值的差异,并不能解决本质问题,也扰乱了结构的内力变形状态.设
14、计参数的识别,修正工作就是根据施工中结构的实测值对主要的设计参数进行估计,然后将被修正过的设计参数反馈到施工控制计算中去,重新给出系杆张力和墩柱位移的理论期望值,以消除理论值与实测值之差值中的主要部分.本桥施工控制计算参数,包括昆凝土弹性模量,容重,结构物刚度等,是根据实测参数并分析反馈结果经反复修正而取定的,而混凝土收缩徐变参数等主要是在规范规定的范围内.依据结构应力,变形实测值反复调整确定.2.4 实时测量体系及信息传递体系实时测量数据的准确采集,及时传递是施工控制工作有效进行的保障.为此,根据朝阳东大桥的施工特点制定出一系列施工控制表格,要求施工测量人员在关键施工环节中进行数据测量,并将
15、结果填写于表格中交由现场技术主管签认后及时传送给施工控制组进行分析.对其中一些明显有误或可疑数据经提出后应进行及时复测.施工控制组采用现场测试参数和实时测量数据进行计算分析,将结果以指令的形式发布于施工控制表格中指导施工方进行下一步施工.在施工控制过程中主要使用以下 7类表格,分别为:施工控制表 1:拱肋安装接头标高记录表;施工控制表 2:拱肋线形观测记录表;施工控制表 3:墩柱线形观测记录表;施工控制表 4:桥面系安装标高观测记录表;施工控制表 5:拱肋日照温差温度变形观测表;施工控制表 6:系杆张力调整控制表;?62?北交通 2006施工控制表 7:拱肋钢管应力测试记录表.还有一些分析评价
16、工作则直接采用若干计算机电子表格完成.全桥施工控制的测量工作主要围绕这些施工控制表格中的内容进行.报表完成的流程如图 3 所示.l 施工控制组:发布施工控建议及 fIj 应控制报表 ll一一一.一一一-一一 .一一.一一,一t.工程帅签字认 J井经设计,监理确认后成为指令一一一l一一一现场 Ik 打: 制组:分别完成施工控制报表的捐臆内容技术土管 :签字认可 1r_一一 _一.上一j 返回施工控制组备案 IL 一一一一一一 l_图 3 施 J 二控制信息报表完成的 ifc本项目的研究随着施工进程而逐步开展,施工控制通过对拱肋,墩柱应力和变形情况的实时监测和预测分析,指导施工进程和预警施工安全,
17、从而保证了各阶段施工作业的顺利完成.为便于施工过程中的分析评价和控制信息通报,把全部施工控制工作划分为一个稳定性评估和三个施工控制时段.各施工控制时段的施工内容和控制情况总述如下.稳定性评估:本阶段主要是对上部结构施工各主要阶段的稳定性进行分析评价,找出需要对其进行稳定性控制的施工阶段.经计算分析,各施工阶段的结构稳定安全系数都大于 l0,控制的重点是结构的变形和应力.控制阶段 1:本阶段所涵盖的施工阶段主要有空钢管的合拢以及钢管混凝土的灌注,钢管混凝土灌注时钢管混凝土截面特性的不确定性对结构的影响不容忽视,也是施工控制的难点.施工控制的原则主要是通过实时监测确保结构安全,并根据各种实测数据不断修正施工控制计算模型,以准确模拟实际施工过程.控制阶段 2:本阶段所涵盖的施工阶段主要有横梁的顺序吊装以及系杆的张拉.本时段施控制通过预先计算分析,预先确定合理的系杆张拉次序以及系杆张力,并根据施工情况对系杆张拉次序进行调整.在施工过程中根据实时测试和反馈计算分析用以指导施工进程和预警施工安全.控制阶段 3:本阶段所涵盖的施工阶段主要有槽型板的吊装,人行道板安装,桥面铺装以及系杆的张拉.在每一批加载和系杆张拉过程中,通过对拱肋应力和墩顶水平位移的实时监测和预测分析,保证了此阶段工作的顺利进行.
