蓮沱特大橋施工監(jiān)測與監(jiān)控

1、蓮沱特大橋施工監(jiān)測與監(jiān)控作者：版主提要蓮沱特大橋是三峽對外交通公路上的一座重要橋梁，?主橋為 (48.3+114+48.3)m鋼管混凝土拱橋。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，科技含量高，施工難度大。該橋在空鋼管拼裝合攏后，上部結(jié)構(gòu)的施工加載過程采用了計算機技術(shù)進行全面監(jiān)控，確保施工質(zhì)量和施工安全。一 概述由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高強度建筑材料和預(yù)應(yīng)力工藝的廣泛應(yīng)用，大跨度橋梁的設(shè)計建造日新月異，方興未艾。近年來涌現(xiàn)出許多大跨度斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋、連續(xù)剛構(gòu)橋，氣勢恢宏、造型完美。然而，這些橋梁的施工過程是極其復(fù)雜的，都必須受到監(jiān)測與監(jiān)控。技術(shù)人員必須詳盡計算和反復(fù)量測結(jié)構(gòu)物關(guān)鍵斷面及主要控制點在每道工序

2、產(chǎn)生的應(yīng)力和位移，使之控制在我們設(shè)置的范圍之內(nèi)，以保證施工的安全與質(zhì)量。蓮沱特大橋是三峽對外交通專用公路上的一座重要橋梁，也是一座具有國內(nèi)先進水平的橋梁。橋全長 340.87m，橋面總寬20m ，主橋采用 (48.3+114+48.3)m 中承式鋼管混凝土連續(xù)拱。結(jié)構(gòu)新穎，橋型優(yōu)美。本橋設(shè)計荷載為汽-36 級， ?驗算荷載為2000kn平板車組。施工過程中，主橋拱上結(jié)構(gòu)需多次變換受力體系，拱肋受力變化復(fù)雜，施工難度比較大，我們要求在空鋼管合攏后，對上部結(jié)構(gòu)的施工加載過程進行現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控，避免出現(xiàn)不可預(yù)見的因素導(dǎo)致主拱肋局部應(yīng)力超限或失穩(wěn)，以及產(chǎn)生過大的變形而發(fā)生事故。盡管計算機目前已經(jīng)十分普及

3、，但應(yīng)用于復(fù)雜橋梁工程施工監(jiān)控的報道并不多，無論就監(jiān)控理論方面的系統(tǒng)研究，還是計算機數(shù)學(xué)處理模式的具體應(yīng)用都缺少可借鑒的經(jīng)驗與資料。本文就我們開發(fā)監(jiān)控軟件、對蓮沱特大橋施工過程進行計算機監(jiān)控的具體應(yīng)用過程作一總結(jié)。二 監(jiān)控軟件系統(tǒng)鐵道部第一勘測設(shè)計院蘭州分院為蓮沱特大橋施工監(jiān)控立項開發(fā)了微機專用軟件鋼管混凝土拱橋施工過程的微機監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控軟件開發(fā)的必要性在過去的同類橋梁施工中，往往只靠人工計算來完成施工中的計算分析，盡管計算機已相當(dāng)普及，但是國內(nèi)外并沒有與此相適應(yīng)配套的專用監(jiān)控軟件，因此施工技術(shù)人員也只是用計算機做一些局部的計算工作，而對數(shù)據(jù)的分析及對整個施工過程的控制大都由人工判斷分析來完

4、成。因此對現(xiàn)場技術(shù)人員的素質(zhì)水平要求較高，不僅因為其計算繁雜、工作量大，而且有些施工過程是連續(xù)進行不間斷的，計算、分析、判斷都要求同步進行，刻不容緩，故單靠現(xiàn)有的技術(shù)人員來完成整座大橋的施工監(jiān)控過程，其難度是相當(dāng)大的。而且在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這種監(jiān)控方式已顯得跟不上時代的步伐。如何應(yīng)用現(xiàn)代的計算機來做好施工監(jiān)控工作，是我們急需解決的一個課題。為此我們組織力量開發(fā)了這個軟件。監(jiān)控軟件原理和功能對于鋼管混凝土拱橋，其監(jiān)控的對象是鋼管混凝土主拱肋，由于荷載作用、氣溫變化直接影響到主拱肋的受力，而這種影響將直接通過鋼管和混凝土本身的變形反映出來，通過儀器測量拱肋各關(guān)鍵部位的應(yīng)變及位移變化，就可

5、以獲得拱肋該部位的實測應(yīng)力及位移。計算機監(jiān)控的主要工作就是通過對監(jiān)測到的主拱肋的應(yīng)變數(shù)據(jù)以及施工過程計算的理論數(shù)據(jù)分析判斷，采取相應(yīng)有效的處理措施，來控制主拱肋的應(yīng)力及變形限制在一定的范圍之內(nèi)，使其不發(fā)生超限，進而控制施工進程，以保證施工安全與質(zhì)量。監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理綜合分析輸出監(jiān)控預(yù)測實施措施理論數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)流程圖從監(jiān)控系統(tǒng)流程圖來看，監(jiān)控軟件應(yīng)具備以下功能： (1)系統(tǒng)預(yù)處理對于一個結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)通過預(yù)處理，對各個施工過程(? 施工階段 ) 的受力，變形情況做出理論分析，?它將成為監(jiān)控分析的基礎(chǔ)資料和基本依據(jù)。(2) 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理在施工過程中，通過監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)，即使是與理論分析相當(dāng)吻合，也

6、必將存在一定的離散性，這與采集時間的同步性、采集的精度等因素有關(guān)，且很難避免不出現(xiàn)失效點數(shù)據(jù)。因此，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理是必要的，應(yīng)通過處理將明顯不合理的測點數(shù)據(jù)剔除，方能保證程序在接下來的分析中不致出現(xiàn)錯誤的結(jié)論。(3) 預(yù)測分析這一部分應(yīng)將視之為整體監(jiān)控體系的核心，計算機自動處理與人工操作的區(qū)別就體現(xiàn)在能否根據(jù)理論分析值，結(jié)合已獲得的實測數(shù)據(jù)，對未來施工階段結(jié)構(gòu)是否會出現(xiàn)應(yīng)力，位移超限等問題作出正確的判斷。 (4)監(jiān)控措施分析當(dāng)預(yù)測分析表明，需要采取措施以避免結(jié)構(gòu)在施工過程發(fā)生應(yīng)力超限，位移超限等問題后，軟件應(yīng)提供必要的分析功能，幫助用戶進行監(jiān)控處理方案的決策。這種分析方法隨著對象的不同，可

7、能是多種多樣的，本軟件系統(tǒng)采用了線性規(guī)劃優(yōu)化及人機交互處理兩種方式。監(jiān)控方法簡介從鋼管混凝土拱橋的受力特點進行分析，拱肋結(jié)構(gòu)體系在施工過程中主要在以下三個階段發(fā)生改變: 階段 ( 一): 拱肋在吊裝、合攏、澆筑下鋼管混凝土的過程中，其斷面為空鋼管形式受力。階段 ( 二): 拱肋在澆筑上鋼管及腹腔混凝土過程中，其斷面形式為下鋼管有混凝土的組合截面。階段 ( 三): 拱肋在進行上部構(gòu)件的安裝過程中，( 如: 橫、斜撐澆筑混凝土，安裝立柱，吊桿，預(yù)應(yīng)力橫梁，剛性橫梁，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，鋪設(shè)橋面板，橋面鋪裝等) ，其斷面形式為上、下鋼管均有混凝土的組合截面。在上述階段中，由于拱肋結(jié)構(gòu)的剛度變化劇烈，故拱

8、肋在荷載作用下的受力、變形必須分別進行計算和分析。為了便于更清楚地表述，我們采用術(shù)語 監(jiān)控模式 ? 來對這三個大階段的監(jiān)控加以區(qū)別。從鋼管混凝土拱橋的施工特點及預(yù)期可采用的監(jiān)控措施方面進行分析，主要采取兩種監(jiān)控方式 。監(jiān)控方式 ( 一): 在拱肋鋼管澆筑混凝土的過程中，即上文中的監(jiān)控模式( 一)、( 二) ，混凝土由拱腳開始向拱頂連續(xù)澆筑，中間不允許停頓，?因而不可能改變該模式下的施工子階段實施順序只能采用臨時加載( 或卸載 ?) 的施工監(jiān)控措施，且要求監(jiān)控系統(tǒng)具備根據(jù)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對未來的混凝土澆筑進程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力位移變化作出預(yù)測的功能。并能夠在很短的時間內(nèi)作出分析判斷提出幾種可供用戶選

9、擇的臨時加載 ( 或卸載 ) 方案。監(jiān)控方式 ( 二): 在拱肋鋼管澆筑混凝土達到強度后，進入上部結(jié)構(gòu)的安裝過程。即上文中的監(jiān)控模式( 三) ，由于各上部構(gòu)件的安裝是間歇進行的，所需周期較長，此時采用的監(jiān)控措施，一般以調(diào)整施工子階段的實施順序為主。本系統(tǒng)對上述兩種監(jiān)控方式， ? 采用不同的方法進行分析處理對于監(jiān)控方式( 一) ， ? 系統(tǒng)采用線性規(guī)劃原理對臨時加載措施進行多目標(biāo)優(yōu)化處理，向用戶提交建議的加載措施，由用戶以人機交互方式確認(rèn)采取的監(jiān)控實施措施。對于監(jiān)控方式(二 ) ， ? 系統(tǒng)采用屏幕圖形方式顯示各監(jiān)測點量值的理論過程曲線和實測過程曲線，由用戶以人機交互方式?jīng)Q定是否調(diào)整和如何調(diào)整上

10、部構(gòu)件的施工安裝順序。1監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)按照監(jiān)控計劃及監(jiān)控人員的要求按時提供。2監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)保證正確無誤。3中拱監(jiān)測數(shù)據(jù)的軟盤文件存放格式監(jiān)控系統(tǒng)的要求存放。4中拱拱肋鋼管灌注混凝土的過程中，要求每灌注完一個節(jié)間后進行一次監(jiān)測，并在分鐘內(nèi)用軟盤提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)控軟件系統(tǒng)的特點1 采用了最新的結(jié)構(gòu)化比較強的borland c+語言進行編程設(shè)計，代碼緊湊，效率高，結(jié)構(gòu)化程度高，運行速度快。2軟件采用了先進的屏幕界面設(shè)計技術(shù)，運用了彈出式窗口技術(shù)和漢化下拉式菜單技術(shù)，方便了用戶操作。 3施工過程中的各種數(shù)據(jù)都配以文字和圖形顯示，使用戶可以直接對計算結(jié)果以圖形來判斷分析。4施工監(jiān)控過程中圖文并茂的動態(tài)圖形顯示

11、，使整個監(jiān)控系統(tǒng)更具直觀性。5監(jiān)控軟件與監(jiān)測數(shù)據(jù)以文件形式接口，減少了用戶輸入數(shù)據(jù)的繁瑣。 6軟件采用了合理的數(shù)據(jù)接口方案，使該軟件可以應(yīng)用于同類鋼管混凝土拱橋施工的監(jiān)控中。三 監(jiān)控實施方案 拱肋應(yīng)力、 ?位移及其它各項目標(biāo)控制范圍按下表所列值采用。項目最小值最大值鋼管應(yīng)力-150mpa(拉)+150mpa(壓)鋼管混凝土應(yīng)力-1.9mpa( 拉)+25mpa(壓)拱肋豎向位移-35mm(下)+25mm( 上)墩身水平位移-5mm +5mm 恒載下邊拱支座反力100 噸180 噸 根據(jù)蓮沱特大橋中承式拱上部結(jié)構(gòu)的施工步驟，?對下列工序?qū)嵭斜O(jiān)控：1. 鋼管拱肋、橫斜撐、立柱、系梁混凝土的灌注；2

12、. 型預(yù)應(yīng)力橫梁吊裝、型預(yù)應(yīng)力橫梁吊裝（或現(xiàn)澆）；3. 臨時預(yù)應(yīng)力束與永久預(yù)應(yīng)力束的張拉及轉(zhuǎn)換；4. 橋面板的架設(shè)；5. 橋面鋪裝層施工；6. 支座反力的調(diào)整； 根據(jù)實際情況， ?在中拱拱肋鋼管灌注混凝土的施工過程中，采用臨時加載的方案作為監(jiān)控處理措施，在進行上部結(jié)構(gòu)的安裝施工過程中，采用調(diào)整上部構(gòu)件施工順序的方案作為監(jiān)控處理措施。 根據(jù)邊拱的結(jié)構(gòu)受力特點及施工方案，?采用對胎架預(yù)頂?shù)姆椒▉砀纳七吂暗氖芰顩r，對支座反力采用調(diào)整張拉噸位及調(diào)整支座高度的方法進行調(diào)整。 在施工各階段， ?特別是臨時預(yù)應(yīng)力束和通長預(yù)應(yīng)力束張拉及轉(zhuǎn)換階段，對橋墩的水平位移、鋼絲束應(yīng)力、鋼管及砼應(yīng)力、拱軸線座標(biāo)進行隨時

13、監(jiān)測，監(jiān)控人員根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)來決定是否對張拉噸位進行調(diào)整。 主要監(jiān)控設(shè)備及人員 ast486電子計算機 1臺便攜式微機compaq486 1臺打印機 1臺專業(yè)監(jiān)控人員 3名四 監(jiān)控實施過程中拱下鋼管灌注混凝土階段過程中的施工監(jiān)控拱肋合攏后，作為空鋼管截面時的拱肋剛度較小，而混凝土自重又較大，此時鋼管內(nèi)混凝土不能一次性進行灌注，只宜進行單管灌注。按照施工組織計劃，先進行下鋼管混凝土的灌注工作。下鋼管灌注混凝土施工階段是中拱合攏后的關(guān)鍵性的施工階段，它能否順利進行直接關(guān)系到以后的施工的進展，因此，我們對此項施工的監(jiān)控工作十分重視。在下鋼管灌注混凝土階段，我們把灌注過程按順序共劃分了十個子階段進行監(jiān)控

14、分析，經(jīng)監(jiān)控軟件理論分析表明，在整個灌注過程中，拱腳鋼管應(yīng)力在-400 +800kg/cm 攩 2攪之間變化，在進行到4、5 子階段時，拱腳鋼管應(yīng)力最大將達到800kg/cm攩 2 攪，拱頂將向上發(fā)生25mm? 的位移，考慮到拱肋在空鋼管階段時的整體剛度比較小，不宜使其承受較大范圍的變化應(yīng)力和上下位移，為了將應(yīng)力變化幅度控制在較小的范圍之內(nèi)，并降低最大鋼管應(yīng)力值和拱肋冒頂位移，我們將最大鋼管應(yīng)力和冒頂位移的限制值輸入到監(jiān)控軟件的目標(biāo)數(shù)據(jù)中，經(jīng)軟件分析，理論上應(yīng)在灌注到3、4、5?階段時分別在拱頂壓重至10、20、30t，在最后 7、8、9 階段分步拆除。根據(jù)監(jiān)控軟件提出的建議，我們通知施工單位

15、對壓重做好了準(zhǔn)備。在實際的混凝土灌注施工過程中，我們應(yīng)用監(jiān)控軟件對施工全過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時地進行了系統(tǒng)的分析，從監(jiān)測數(shù)據(jù)整體情況來看，基本上與理論分析比較吻合。故根據(jù)監(jiān)控軟件的結(jié)果，決定按原監(jiān)控實施計劃進行壓重。在整個灌注過程中有效地控制了拱頂?shù)南蛏厦绊數(shù)奈灰茮]有超過 10mm ，拱腳的最大應(yīng)力控制在-350 +700kg/cm 攩 2 攪以內(nèi)。上鋼管及腹腔灌注混凝土階段過程中的施工監(jiān)控下鋼管灌注混凝土之后，混凝土經(jīng)過一段時間后達到一定強度，同時拱肋也較空鋼管階段加大了剛度，此時可將上鋼管和腹腔混凝土一起進行灌注。在上鋼管及腹腔灌注混凝土階段，我們把灌注過程按順序共劃分了十個子階段進行監(jiān)控分析

16、，經(jīng)監(jiān)控軟件理論分析表明，在灌注過程中，拱腳鋼管應(yīng)力在-600 +550kg/cm 攩 2 攪之間變化，在進行到4、5 子階段時，拱腳鋼管應(yīng)力最大將達到600kg/cm攩 2 攪，拱頂將向上發(fā)生 20mm的位移， ?考慮到拱肋在此時的整體剛度比較小，不宜使其承受較大范圍的變化應(yīng)力和上下位移，為了將應(yīng)力變化幅度控制在較小的范圍之內(nèi)，并降低最大鋼管應(yīng)力值和拱肋冒頂位移，我們制定了相應(yīng)的應(yīng)力及位移限制目標(biāo)值，根據(jù)監(jiān)控軟件的分析結(jié)果，理論上應(yīng)在灌注到3、4 階段時分別在拱頂壓重至 20、50t，在最后 8、9 階段分步拆除。在實際的混凝土灌注施工過程中，?我們應(yīng)用監(jiān)控軟件對施工監(jiān)測數(shù)據(jù)實時地進行了系統(tǒng)

17、的分析，從監(jiān)測數(shù)據(jù)整體情況來看，基本上與理論分析比較吻合。故決定按原監(jiān)控實施計劃進行壓重。在整個灌注過程中有效地控制了拱頂?shù)南蛏厦绊數(shù)奈灰茮]有超過15mm ，拱腳的最大應(yīng)力控制在-560 +500kg/cm 攩 2 攪以內(nèi)。上部構(gòu)件安裝階段過程中的施工監(jiān)控在上，下鋼管及腹腔灌注完混凝土之后，拱肋的整體剛度已形成，此時要進行上部構(gòu)件的安裝工作。包括下列工序 : 1. 橫斜撐、立柱砼的灌注；2. 型橫梁吊裝、型橫梁現(xiàn)澆；3. 橋面板的架設(shè)；4. 橋面鋪裝層施工；我們把上部構(gòu)件的安裝過程按施工計劃順序共劃分了13 個子階段進行監(jiān)控分析，監(jiān)控軟件的初步的理論分析表明，在安裝過程中，只要安排好各施工加載

18、的順序，使拱肋的加載平均分散在各個部位，則拱肋鋼管及混凝土的應(yīng)力變化平穩(wěn)，拱肋各部位的位移也變化緩慢。因此各階段的施工順序可以有較大的調(diào)整范圍。具體施工時，受施工組織安排和施工進度的變化影響，各有關(guān)工序可同時進行。因此在現(xiàn)場的實際實施過程中，根據(jù)實際的施工進展情況，并結(jié)合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用監(jiān)控軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時地進行了系統(tǒng)的分析，對一些構(gòu)件的安裝順序作了一些相應(yīng)的調(diào)整，其中對控制工期的b?型預(yù)應(yīng)力橫梁的吊裝順序作了一些變動，從而加快了施工的進度，保證了施工的安全。臨時束張拉為平衡中拱施工階段的水平推力，根據(jù)需要在不同階段共張拉了八根臨時預(yù)應(yīng)力鋼束( 每側(cè)拱肋下四根) 。我們對張拉全過程進行了監(jiān)

19、控。監(jiān)測資料并結(jié)合長委對兩橋墩的觀測證明張拉噸位準(zhǔn)確合理（鋼絞線上布有測點），達到設(shè)計要求。邊拱各施工階段（含通長束張拉）蓮沱特大橋邊拱較之中拱受力簡單、明確，采取了在支架上進行上部結(jié)構(gòu)施工的方法。所以，我們事先對支架的剛度提出要求，并對各支架進行預(yù)壓以消除連接間隙及非彈性變形。為了保證支架在各階段施工過程中有效地起到應(yīng)有的作用，不使拱肋受力和變形處于不利狀態(tài)，我們對支架采取了分階段預(yù)頂?shù)姆椒ㄟM行調(diào)整，從而改善了邊拱的受力情況。兩側(cè)邊拱均按個截面進行監(jiān)測監(jiān)控。臨時束全橋縱向預(yù)應(yīng)力通長束的張拉與體系轉(zhuǎn)換是全橋成橋的關(guān)鍵之一，它的順利與否直接關(guān)系到整座橋的成敗。為了不使橋墩在張拉轉(zhuǎn)換過程中承受過大

20、的水平推力而發(fā)生危險，又要避免因張拉次數(shù)過多而使預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨具受到損傷，我們對全橋預(yù)應(yīng)力通長束張拉和體系轉(zhuǎn)換進行了詳細(xì)的計算，分為四次張拉。第一次每側(cè)張拉束，每束105 噸，共計 840 噸，臨時束卸完620 噸，并且具體布置了張拉和卸載的順序。第二、三、四次張拉每次每側(cè)張拉至束，每束55 噸。在張拉過程中作了全面的監(jiān)測監(jiān)控，對整座大橋的安全提供了保障。五 監(jiān)控情況總結(jié) 實測值與理論值偏差分析從附圖點繪的應(yīng)力及位移對照圖和我們提交的監(jiān)控報告中列出的監(jiān)控數(shù)據(jù)表中可以看出實測值和理論值有不同程度的偏差。1儀器系統(tǒng)及測試方法誤差經(jīng)監(jiān)測單位介紹 : 儀器自身誤差 1，系統(tǒng)誤差 2，測試方法誤差為測

21、試值的2，總誤差外界因素影響(1) 采集時間與理論計算階段不同步這一影響尤其在拱肋鋼管混凝土灌注、橋面板架設(shè)及澆注橋面鋪裝過程中特別明顯， ? 拱肋鋼管混凝土灌注時在現(xiàn)場進行監(jiān)控，實測數(shù)據(jù)讀取時間由施工單位負(fù)責(zé)按設(shè)計要求通知，混凝土灌注時共分20個( 下管、上管及腹腔各分10 個工況 ? ) 工況進行監(jiān)控，每灌注兩個計算單元測試一次，灌注進程由專門人員根據(jù)敲打拱肋的回音判斷， ? 難免出現(xiàn)偏差和錯誤且兩邊也難以保證灌注速度同步， ? 橋面板架設(shè)及澆注橋面鋪裝則由于施工周期較長， ? 測試時無法使儀器一直處于連續(xù)工作狀態(tài)，只能分段測試，從而不能很好地反應(yīng)實際的變化過程。(2) 施工干擾該橋在施工過程中協(xié)作單位及同