唐鵬 宮賽

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064)

0 引言

隨著我國大力發(fā)展交通事業(yè)，修建的橋梁跨度也越來越大，施工難度也就越大。尤其是在丘陵山區(qū)交通建設(shè)中，路線中會(huì)有一些跨度比較大的峽谷和高山，為了跨越各種障礙，修建橋梁和隧道是較合理的方案。拱橋在我國有著悠久的歷史，具有跨越能力大、耐久性好、外形美觀和構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1］。為了確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全性、可靠性、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形在施工過程中始終處于安全范圍內(nèi)，以及成橋后橋梁的線形符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在大跨度橋梁施工過程中進(jìn)行嚴(yán)格的施工控制是必不可少的[2］。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)一大跨度空腹式鋼筋混凝土拱橋的應(yīng)力監(jiān)控方案進(jìn)行研究，以期得到較為合理的結(jié)果[3］。

1 工程概況

臨潼某橋位于鳳凰大道段，橋梁全長(zhǎng)169 m，為不等跨5孔鋼筋混凝土拱橋，跨徑布置為 18．8 m+19．4 m+78．2 m+19．4 m+18．8 m。橋梁全寬39．3 m，分為左右兩幅。橋梁中孔采用二次拋物線形箱形拱，跨徑72．87 m，矢高 14．179 m，矢跨比 1/5．14。兩側(cè)邊孔均采用圓弧板式拱，跨徑16．679 m，矢高4．736 m，矢跨比1/3．52;次邊孔跨徑16．678 m，矢高4．735 m，矢跨比1/3．52，拱軸線圓弧半徑R=9．711 m。為了減少拱上建筑重量，在主孔及兩側(cè)邊孔上均設(shè)腹拱，腹拱采用圓弧板式拱，拱軸線圓弧半徑R=2．65 m，矢跨比1/2。拱橋橋頭設(shè)置背墻、耳墻及錐坡與兩側(cè)道路及現(xiàn)狀溝邊坡順接，大橋總體布置如圖1所示。

2 施工監(jiān)控的目的和方法

2．1 施工監(jiān)控的目的

施工監(jiān)控的主要目的是為了保證橋梁在施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力合理和安全可靠性，使變形在允許范圍內(nèi)。在橋梁施工中，一旦發(fā)現(xiàn)變形和應(yīng)力誤差偏大，應(yīng)立即停止施工，查明原因，及時(shí)整改，使各種工況都滿足設(shè)計(jì)要求。確保橋梁結(jié)構(gòu)的施工安全、橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和橋梁施工的順利進(jìn)行，為日后橋梁的養(yǎng)護(hù)維修和管理工作提供重要的參考依據(jù)[4］。

2．2 施工監(jiān)控的方法

開環(huán)監(jiān)控、反饋監(jiān)控和自適應(yīng)監(jiān)控分別是橋梁施工監(jiān)控的三個(gè)主要方法。具體的監(jiān)控方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況決定，本次的施工控制采用的是應(yīng)用現(xiàn)代控制理論中的自適應(yīng)監(jiān)控方法，這種方法經(jīng)常在我國大跨度橋梁施工監(jiān)控中使用[5］。

“施工→量測(cè)→識(shí)別→分析→修正→預(yù)測(cè)→施工”是橋梁施工監(jiān)控的循環(huán)過程。在施工過程中，把模型計(jì)算和結(jié)構(gòu)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)模型輸出和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果一致的原則調(diào)整參數(shù)。使用修改后的參數(shù)，重新對(duì)各個(gè)施工階段進(jìn)行計(jì)算。分析判斷各種工況返回時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，找到和分析誤差的原因，減小誤差的產(chǎn)生。根據(jù)分析判斷誤差的結(jié)果對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不斷修正參數(shù)，把內(nèi)力、變形的計(jì)算與實(shí)測(cè)值的差值不斷減小，經(jīng)過反復(fù)識(shí)別幾個(gè)工況后，計(jì)算模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)就能基本一致了，這樣能更好的控制施工，達(dá)到橋梁監(jiān)控的目的[6］。

3 應(yīng)力監(jiān)控

橋梁施工監(jiān)控的重點(diǎn)之一是應(yīng)力監(jiān)控，因?yàn)樗P(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。橋梁的參數(shù)估計(jì)、狀態(tài)預(yù)測(cè)和調(diào)整的重要依據(jù)之一是對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容是:應(yīng)力數(shù)據(jù)的采集主要在拱橋主拱圈的拱腳、L/4處和拱頂截面;同時(shí)測(cè)量拱橋主拱圈的溫度變化;應(yīng)力數(shù)據(jù)的測(cè)量在日出前完成，時(shí)間控制在3 h內(nèi)[7］。

3．1 測(cè)量?jī)x器

測(cè)量?jī)x器采用的是弦式智能數(shù)碼應(yīng)力傳感器，它具有內(nèi)置智能芯片、全數(shù)字檢測(cè)、信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸不失真和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它的工作原理是把導(dǎo)電線圈和鋼弦組成感應(yīng)電路，由于受力的原因，作為傳感元件的鋼弦發(fā)生變化，鋼弦在脈沖作用下產(chǎn)生振動(dòng)，把與自振頻率相對(duì)應(yīng)的頻率變化信號(hào)傳給儀表，鋼弦自振頻率和鋼弦所受應(yīng)力之間的關(guān)系式[8］:

其中，f為鋼弦自振頻率;L，σ，ρ分別為鋼弦長(zhǎng)度，應(yīng)力，質(zhì)量密度。

3．2 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的布置

大跨鋼筋混凝土拱橋的主拱圈結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土的組合截面，應(yīng)力分布比較復(fù)雜。為此，采用MIDAS/Civil有限元分析軟件，建立該橋南幅的有限元分析模型，獲得其應(yīng)力分布情況。其中，本模型均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，全橋有限元模型節(jié)點(diǎn)共計(jì)485個(gè)，單元共計(jì)432個(gè)，有限元模型如圖2所示。同時(shí)，對(duì)主拱圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解主拱圈的受力狀況，判定主拱圈的應(yīng)力是否在容許范圍內(nèi)。由于橋梁受濕度、溫度、混凝土收縮徐變和施工干擾等因素的影響，加大了對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試的難度[6］?？茖W(xué)合理的應(yīng)力監(jiān)控方案是必要的，根據(jù)有限元分析結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)，確定其應(yīng)力測(cè)試位置如圖3所示。

3．3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

通過對(duì)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，得到主拱圈一次落架以及成橋階段兩種工況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力分布情況，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 主拱圈一次落架應(yīng)力狀況 MPa

表2 成橋階段拱肋應(yīng)力狀況 MPa

根據(jù)實(shí)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，可以得到拱腳、L/4處截面、拱頂?shù)任恢迷谝淮温浼芎统蓸騼煞N重要工況中的應(yīng)力變化情況，為施工過程的安全控制、施工質(zhì)量的可靠保證提供有力的數(shù)據(jù)支撐，具體如圖4～圖8所示。

由圖4～圖8可以看出，主拱圈的左右拱腳、左右兩側(cè)L/4處截面和拱頂?shù)膽?yīng)力值在一次落架和成橋階段應(yīng)力變化不大，且頂板的應(yīng)力均大于底板應(yīng)力，截面頂板、底板均處于受壓狀態(tài)，基本沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，全橋混凝土梁段處于受壓狀態(tài)。由此也說明了主拱圈拱腳、L/4處截面、拱頂截面受力合理，主拱圈應(yīng)力在控制范圍內(nèi)，各截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值均小于其應(yīng)力極限值，且有較大余地，符合規(guī)范要求[9］。因而，在整個(gè)拱橋的施工過程中，主拱圈應(yīng)力監(jiān)控方案為施工提供了有價(jià)值的指導(dǎo)，監(jiān)測(cè)結(jié)果令人滿意。

4 結(jié)語

通過對(duì)臨潼某橋的整個(gè)施工過程中的監(jiān)控，結(jié)合控制截面的應(yīng)力測(cè)試情況與有限元分析結(jié)果，得到以下結(jié)論:該橋在拆架和成橋的過程中，主拱圈的應(yīng)力變化幅度不大，主拱圈的拱腳、L/4處截面、拱頂截面的頂板、底板處的截面應(yīng)力的測(cè)量值小于應(yīng)力極限值，結(jié)構(gòu)受力合理，說明橋梁在施工過程中和成橋后結(jié)構(gòu)均處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，該橋設(shè)計(jì)安全可靠，施工規(guī)范合理，且該橋施工的控制良好[10］。為了保證橋梁施工過程安全、施工質(zhì)量和施工的順利進(jìn)行，對(duì)橋梁的施工過程進(jìn)行監(jiān)控至關(guān)重要。

[1] 范立礎(chǔ)．橋梁工程(下冊(cè))[M］．北京:人民交通出版社，1997．

[2] 周水興，張永水，顧安邦．大跨鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控的理論與實(shí)踐[J］．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，20(9):79-81．

[3] 顧懋清，石紹甫．公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)——拱橋(上冊(cè))[M］．北京:人民交通出版社，1997．

[4] 顧安邦，孫國柱．公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)——拱橋(下冊(cè))[M］．北京:人民交通出版社，1997．

[5] 顧安邦，張永水．橋梁施工監(jiān)測(cè)與控制[M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

[6] 鄒中權(quán)，賀國京．大跨鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控研究[J］．中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(4):71-75．

[7] 薛新枝．鋼管混凝土拱橋的施工控制[J］．鐵道建筑，2006(12):12-14．

[8] 李國豪．橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與振動(dòng)[M］．北京:中國鐵道出版社，1996．

[9] JTJ 041-2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S］．

[10] 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院．公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(合訂本)[M］．北京:人民交通出版社，2001．