第25卷第3期 2011年6月 江苏科技大学学报(自然科学版) Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition) Vo1.25 No.3 Jun.2011 京沪高铁跨锡北运河系杆拱桥施工监控 张益多 ,鲍丽丽 ,张国云 ,唐柏鉴 ,王治均 (1.江苏科技大学土木工程与建筑学院,江苏镇江212003) (2.中交第二航务工程局有限公司,湖北武汉200080) 摘要:京沪高铁跨锡北运河钢管混凝土系杆拱桥采用先拱后梁顺序施工,系梁采用挂篮现浇施工方法,其施工工艺较为 复杂,施工难度大.文中针对该桥上部结构简要介绍了施工监控的前期计算及原理,并从线形监测、控制截面应力监测、温 度场监测、拱脚位移监测及吊杆力监测等方面对上部结构的施工监测内容进行了阐述和分析.该桥的施工监控取得了较好 的效果,使施工满足设计要求,可为今后同类型桥梁的施工监控提供借鉴. 关键词:系杆拱桥;先拱后梁;施工控制;施工监测 中图分类号:U445.4 文献标志码:A 文章编号:1673—4807(2011)03—0214—05 Construction supervision of tied-arch bridge cross Wuxi north canal for Beijing-Shanghai express railway Zhang Yiduo ,Bao Lili ,Zhang Guoyun ,Tang Baijian ,Wang Zhijun (1.School of Civil Engineering and Architectures,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China) (2.The 2nd Harbour Engineering Company Ltd.of China Communications Group,Wuhan Hubei 200080,China) Abstract:Construction sequence of Beijing—Shanghai express railway steel pipe concrete tied—arch bridge cross Wuxi north canal is arch first and beam late,and the consturction method of tie beam is hanging basket.The construction process is very complex and diifcult.Preliminary work and principle of construction supervision with bridge superstructure are introduced in this paper.The contents of construction monitoring are expounded by lin— ear fitting,stress monitoring of control section,temperature field monitoring,arch foot displacement monitoring, suspender force monitoring.Effect of the construction supervision of the bridge is good.This makes the bridge beam consturction meet the design requirement.It can be used in other similar projects. Key words:tied-arch bridge;arch first and beam late;construction control;construction monitor 近年来,钢管混凝土系杆拱桥以其跨度大、结 态符合设计要求. 构轻、造型美、省建材等优点,被广泛应用于桥梁工 程中,成为发展大跨径、轻结构的理想桥型,其施工 1工程概况及施工方案 工序可分为先拱后梁和先梁后拱两种方法.目前, 锡北运河桥是京沪高速铁路徐州至上海段新 国内采用先拱后梁施工方法的系杆拱桥较少,并且 建铁路桥梁.桥梁上部结构为钢管混凝土系杆拱, 这些桥的系梁绝大多数均采用预制吊装¨I4 J,京沪 主桥结构体系为刚性系杆刚性拱,尼尔森体系柔性 高铁跨锡北运河钢管混凝土系杆拱桥采用了先拱 吊杆.主桥计算跨径L=96 m,拱轴线为悬链线,矢 后梁施工顺序以及系梁挂篮现浇施工方法 ,这 跨比为1/5,矢高19.2 m,拱轴系数为1.167.拱肋 在国内极为少见,这种施工方案不影响通航,但施 采用哑铃型钢管混凝土,每个钢管外径100 cm,拱 工难度大、工序复杂,使得施工监控尤为重要.文中 肋高为300 am,内充C55无收缩混凝土.系梁采用 结合锡北运河桥的施工监控,较为全面的分析系杆 整体箱形梁布置,单箱三室预应力混凝土截面, 拱桥的监控内容和方法,使成桥后的线形及受力状 C50混凝土,桥面箱宽为17.1 m,梁高为2.5 m,底 收稿日期:2010—05—14 基金项目:江苏科技大学科技服务项目(2009TM033F) 作者简介:张益多(1969一),男,湖南湘潭人,副教授,研究方向为混凝土结构分析及耐久性.E-mail:zyd0927@tom.eom 第3期 张益多,等:京沪高铁跨锡北运河系杆拱桥施工监控 215 板厚30 cm,顶板厚30 cm,边腹板厚35 cm,中腹板 工过程各关键工况结构挠度、应力计算分析;②拱 厚30 cm.吊杆间距为8 m,采用127根 7高强低 松弛镀锌平行钢丝束,冷铸墩头锚.系梁内设16根 19—7 5环氧钢绞线系杆,外包PE防护,锚固在 系梁端实体段系杆箱内,系杆箱内填充发泡材料. 两拱肋之间共设5道横撑,拱顶处设X型撑,拱顶至 肋预拱度、系梁预拱度计算;③成桥时结构挠度、 应力计算分析. 2.2施工控制的原理 该桥施工控制采用较为先进的自适应控 制[7],当结构测量到的受力状态与模型计算结果 不相符时,将误差输入到参数辩识算法中从而调节 计算模型的参数,使模型的输出结果与实际测量的 拱脚间设4道K型横撑,图1为该桥成桥后的照片. 结果一致,得到修正的计算模型参数后,重新计算 图l 跨锡北运河钢管混凝土系杆拱桥 Fig.1 Steel pipe concrete tied-arch bridge cross Wuxi north canal 该桥上部结构采用先拱后梁顺序施工,将墩梁 临时固结,拱脚及系梁边节段采用支架现浇,拱肋 钢管采用现场分段拼装后整体吊装,然后交错分批 张拉系杆,向钢管内泵送混凝土;系梁中间节段采 用牵索式挂蓝悬臂施工,由拱脚向跨中对称浇注并 顺次安装吊杆,挂蓝浇注时通过挂索将荷载传至拱 肋上,最后系梁在跨中合龙;然后拆除墩梁临时固 结措施,张拉系梁预应力索;最后二期恒载施工,调 整吊杆索力. 2 施工监控的前期计算及原理 2.1施工监控的前期计算 施工监控前期计算是施工控制的基本出发点, 根据最终的成桥状态来确定各施工阶段的立模标 高及应力监测点的布置.施工监控前期计算采用有 限元软件Ansys进行全桥施工过程仿真模拟计算, 采用平面杆系有限元进行分析 .图2为本桥上部 结构的有限元模型. 图2 系杆拱桥上部结构有限元模型 Fig.2 Finite element model of tied-arch bridge with superstructure 有限元仿真分析主要包括以下3方面:①施 各施工阶段的理想状态.经过若干个工况的反复辨 识后,计算模型就基本上与实际结构相一致,图3 为本系杆拱桥采用的施工控制框图. 前期结构分析计算 预告挂篮定位标高 绑扎钢筋 浇筑混凝土 施工 张拉预应力钢筋 l 标高、应力 水平位移、温度 测量 截面尺寸 i 弹性模量 误差分析 挂篮定位误差 I 浇筑混凝土误差 永久预应力误差 修改设计参数 弹性模量误差 温度误差 徐变误差 结构计算 计算图式误差 … 图3本桥采用的施工控制框图 Construction control block diagram of the bridge 。 3 施工监测内容 3.1线形监测 3.1.1拱肋线形监测 由于该桥采用节段预制拼接,完成后整体吊装 的方式,对于拱肋线形控制主要在拱肋拼装时的定 位上,其准确性通过调整节段间的支架高度确定. 在拼装阶段,除对图4中监测点处的高程进行观测 外,还对拼装节段线处的高程进行观测.在拱肋吊 l/4拱肋 拱项 I/4拱肋 2 星苤 堇壁一3 4 一-_:拱/】 1o线形 rJ0J \监测断面 图4拱肋线形测点布置 Fig.4 Line shape measurement station arrangement diagram of arch rib 216 江苏科技大学学报(自然科学版) 第25卷 装完成后,只对拱脚、1/4拱和拱顶5个断面位置 测点的相对位置.测量时间应尽可能减少温度的影 的拱肋高程进行监测. 响,宜安排在凌晨进行. 3.1.2系梁线形监测 系梁测点布置及系梁横断面监测点布置见图 5和图6,在各个施工工况结束后进行高程测量,系 梁标高测量包括挂篮前移时梁底标高的定位测量, 浇筑本节段混凝土后在梁顶预埋短钢筋,第二天测 量本节段的梁底标高和所有梁顶的标高,张拉本节 段预应力钢筋后测量所有梁顶的标高.混凝土浇筑 图5 系梁线形监测点布置 前的梁底定位标高监测,直接根据已标记测点进行 Fig.5 Line shape measurement station arrangement diagram oftie beam 观测,在混凝土浇筑完毕后对已浇节段梁底的最前 点进行观测,同时观测梁顶测点,从而确定顶底缘 梁顶测点1 预埋钢筋头 梁顶测点2 、 ,一.一・ 一。~~~~~~、 , J L (梁底 点) 、 , 、 Ll I 三2 梁顶测点l’I一 .I. . 顶测点 ’ a)梁段标高测点布置立面 b)梁段标高测点布置截面 图6 系梁横断面监测点布置 Fig.6 Cross section measurement station arrangement diagram of tie beam 3.2控制截面应力监测 系梁和拱肋的应力分别采用VwS一10型振弦 为了保证结构在施工期间的安全,除了精确的 式应变计(埋入式)和VWsF型振弦式表面应变 理论计算外,还必须通过应力测试的辅助手段来对 计,配合振弦式数据采集仪进行测试,然后根据总 结构构件的工作状态进行实时监视 j.根据前期 应变换算出应力,观察应力的变化是否在允许范围 分析的结果,确定结构在施工期间的薄弱环节,进 内,图8为应力测试用传感器图. 行应力和变形的监测. 一一 一 a)VWS一10型振弦 b)VwsF型振弦式 式应变计 表面应变计 图8应力测试用传感器 Fig.8 Transducers diagrams for stress tests 3.3温度场监测 钢管混凝土拱桥施工中,温度对拱圈结构的拼 系梁及拱肋应力监测点布置图7所示,在拱肋 装、合拢均有很大的影响.而温度应力的计算很大 的拱脚、1/4拱、拱顶处,两片拱肋共计布设10个 程度上取决于温度场的取值,因此,对结构内部和 应力监测断面,每个断面设置2个应力监测点,共 环境温度的测量具有重要意义 j.该桥温度场的 计20个应力监测点.在系梁的端部、1/4跨、跨中 测量通过集成在应变计内的智能型温度传感器进 布设5个应力监测断面,每个断面设置4个应力监 行,和振弦式应变计的测点布置一致,配合应力测 测点,共计20个应力监测点. 试,在每天的早中晚时间段测量各测点的温度值. 第3期 3.4拱脚位移监测 张益多,等:京沪高铁跨锡北运河系杆拱桥施工监控 217 图9为采用的JMM.268索力动测仪,图1O为某吊 杆索力测试的照片. 该桥采用先拱后梁施工方法,系梁除边节段采 用支架现浇外,其余段为挂篮施工,在施工过程中 采用墩梁临时固结以承受主拱推力与系杆拉力间 的不平衡力.在水平力作用下,桥墩、拱脚均会发生 位移,对主拱内力及吊杆力影响较大,因此,在系杆 张拉过程中,必须对拱脚的变形情况进行监测.在 主拱拼装前、后以及系杆每次张拉完成后,根据现 场情况选取拱脚位移测点,并用可靠方法进行标 一 图9 JMM-268索力动测仪 dynamic testing device 图10 吊杆索力测试 of suspender Fig.9 JMM-268 cable force Fig.10 Cable force testing 记.由于该位移值相对较小,必须采用精度较高的 全站仪进行观测. 3.5吊杆力监测 钢管混凝土系杆拱桥施工要进行多次体系转 换,吊杆内力也在不断的变化,吊杆力大小对拱圈 结构及系梁的应力状态和线形非常敏感.因此,为 了能按照设计要求实时对吊杆的内力进行调整,除 3.6钢管混凝土密实性监测 采用RSM.SY5(T)型智能声波仪进行钢管混 凝土密实性监测,该声波仪方便携带,操作简便,信 噪比高.检测时用50 kHz纵波平面换能器对钢管 进行水平径向对测,测点间距1.2 m,根据超声波 在钢管壁与混凝土中的传播时间,声波幅值及波形 畸变情况对钢管混凝土密实性进行评价. 了在施工过程中通过千斤顶张拉力和引伸量对吊 杆力进行控制,还要根据设计要求,测量关键工况 中吊杆的实际张拉力,根据设计吊杆力进行调整. 4线形监测结果 限于篇幅本文仅给出该桥系梁成桥后的线形 监测结果(表1). 测量过程中,吊杆采用索力动测仪进行适时测试. 吊杆两端嵌固且自由振动,由于其张力与其自振频 率(基频)的平方成正比,索力动测仪可在采集吊 杆的多谐振动曲线后通过频谱分析求取吊杆张力. 表1成桥后系梁线形监测成果 Table 1 Line shape monitoring results of tie beam after the construction 注:1)上游点和下游点分别为北京至上海方向的左侧和右侧 2)表中的高程为系梁的混凝土顶面高程. 与设计值偏差均小于 c该桥 3 m耋 喜5结论误差控制在允许范围 ,匕;凸 ,之内,系梁的线形控制结果满足要求. 1)京沪高铁跨锡北运河系杆拱桥施工监控方 218 江苏科技大学学报(自然科学版) Chinese) 第25卷 案整体全面、合理,所采用的监测方法实用、有效, 监控测点布置合理,从监测效果来看,测点布置密 度能够满足施工精度要求; 2)京沪高铁跨锡北运河系杆拱桥施工的监控 效果良好,为该桥施工提供了强有力的指导和支 撑,确保了结构在施工过程中始终处于安全状态, 成桥后的应力和线性满足设计要求; 3)该桥施工监控的经验可为我国今后同类桥 [4]金成棣.预应力混凝土系杆拱桥的设计与施工[J]. 上海公路,2006(1):1—6,4O. 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