钢管混凝土系杆拱桥施工监控之土木工程研究

本文是一篇研究土木工程的毕业论文，本文以 1-88 米钢管混凝土系杆拱桥为背景工程。运用有限元软件 Midas/civil对该桥的施工过程进行模拟分析比较，确保该桥的施工安全及工程最终顺利竣工验收。

第 1 章 绪论

1.1 钢管混凝土系杆拱桥概况和研究现状
1.1.1 钢管混凝土系杆拱桥概况
当前，钢管混凝土系杆拱桥广泛应用在国内外的道路工程中。国外修建的钢管混凝土拱桥有：捷克跨径 60.75 m的布尔诺—维也纳桥、美国主跨 74 m的芝加哥新达门大街桥、西班牙主跨 126.4 m的Ecudo高架拱桥、日本跨度 240 m的长崎新西海大桥。我国第一座钢管混凝土拱桥——115m四川省旺苍东河大桥始建于上世纪九十年代，比国外晚了几十年。这座桥的成功运营，掀开了钢管混凝土系杆拱桥在我国快速发展的序幕，也以其优越的性能在国内得到了广泛的推广。
钢管混凝土系杆拱桥是一种拱、梁组合体系桥梁。这种组合充分发挥了拱肋受压、系梁受弯的优越性能，不仅提高了经济效应，而且很好的解决了拱桥对地基适应力和跨度不断增大的问题。钢管混凝土系杆拱桥还具有很多优点：主拱圈是在工厂预制再运送至现场，施工安装时方便快捷，达到了节省材料降低成本的目的，最重要的是拱肋线形精度高有保证；大跨度拱桥在风荷载作用下容易发生侧向失稳，引发严重的工程事故，而钢管混凝土拱肋的使用大大提高了结构的抗风性能；部分理论研究发现，由于钢管混凝土拱肋的截面小，很好的降低了结构的地震反应，提高了工程的稳定安全系数。
钢管混凝土系杆拱桥根据系梁与拱肋的相对位置，分为上承式、中承式和下承式三种；按上部结构与下部的连接方式，分为刚架系杆和简支系杆拱桥；按拱肋和系梁的相对刚度，分为刚性系杆柔性拱、柔性系杆刚性拱、刚性系杆刚性拱。按这三种标准来分，本文背景工程某特大桥 1-88m 钢管混凝土系杆拱桥属于下承式钢管混凝土拱桥、简支系杆拱桥、刚性系杆刚性拱。
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1.2 钢管混凝土系杆拱桥施工监控概述
1.2.1 施工监控目的
施工监控的目的就是在确保结构安全的前提下，使结构在施工过程中的各项结构参数处于可控、可知的状态。通过严格监测各关键截面在主要施工阶段的挠度变化和受力情况，进而掌握结构的实际变形和受力状态。将监测数据修正计算，得出结构线形及内力控制数据，以此来指导施工，从而能很好的避免误差的积累，保证竣工后结构的线形和内力与设计相吻合。
某特大桥在施工中，需经历阶段施工和体系转换等工序，期间由于施工工艺、混凝土收缩徐变等因素，结构内力和位移必然会偏离设计值。为保证施工质量，必须对施工全程进行监控，确保工程顺利安全的进行，使成桥变形和受力状态达到设计要求。
1.2.2 施工监控研究现状
国外早在上世纪六十年代就开始重视结构的施工监控，但并没有形成一套完整的监控理论。近些年，日本首先比较系统地将工程控制理论应用到拱桥的施工监控中。我国在桥梁施工监控方面的研究起步较晚，没有形成一套系统的理论，在武汉和重庆建造长江大桥时，由于条件的限制仅仅对受力和标高进行了调整记录。八十年代起，随着将计算机引用到工程修建中，上海柳港大桥在修建过程中，依据卡尔曼滤波原理对索力进行了调整，获得了较好的成果。施工监控在柳港大桥的成功应用，促进了桥梁监控技术在我国的快速发展，以及在工程建造中的广泛普及。
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第 2 章 某特大桥施工工艺和监控组织实施

2.1 某特大桥施工工艺
某特大桥采用先梁后拱、满堂支架法现场浇筑系梁、主梁搭设贝雷架、并用工字钢连接成整体受力体系，拱肋和横撑在工厂制作、预拼后解体运至现场，在系梁上搭设支架、大吨位汽车吊就位、支架上组拼合龙、顶升法一次灌注拱肋钢管内混凝土。
2.1.1 施工方案概述
某特大桥采用碗扣架和贝雷架相结合的形式进行现场浇筑系梁混凝土，其施工步骤为：
（1）支架搭设及预压，浇注系梁和拱脚混凝土；（2）张拉系梁预应力筋，张拉顺序为：BW1→B1-1→B1→2T-1→TI-2；（3）在系梁上用工字钢搭设临时支架，安装主拱圈；（4）焊接横撑以及拱肋合拢段；（5）除去临时支架对主拱圈钢管的支撑，使钢管落架 15cm；（6）灌注主拱圈上下管内混凝土；（7）安装吊杆，拆除拱肋支架；（8）施加吊杆张拉力，同时张拉对称的吊杆；（9）张拉完系梁预应力筋，张拉顺序：BW2→BW3→B2-1→B2-2→T2；（10）附属设施施工，恢复桥位原状，成桥运营。
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2.2 施工监控组织实施
某特大桥 1-88 米钢管混凝土系杆拱桥内部为超静定结构，施工中荷载变化、混凝土收缩徐变、预应力损失等均会影响到成桥状态结构的受力和变形。因此，在通过 Midas/civil 建立全桥的空间有限元模型时，依据现场实际情况定义施工阶段持续时间、通过现场试验为有限元模型提供实际的精准的摩擦系数 μ 值、管道偏差系数 k 值和锚口喇叭口摩阻损失率。从而在模型运行分析时，使计算状态尽可能与实际相符，为施工监控提供准确的理论依据，确保桥梁总体受力和成桥线形符合设计要求。
2.2.1 施工监控内容
（1）线形监控 结构外观构造和设计尺寸，桥梁横向线形控制，竖向线形控制是线形监控的三个重要部分。在建造过程中，如施工荷载的增加或减少、混凝土收缩徐变、温度的变化等，都会对线形产生很大的影响，它们会导致桥面线形起伏和结构局部内力偏大等质量问题。通过线形监控，可以确保成桥后的实际线形与设计线形之间的误差在容许范围内。
（2）应力监控 结合拱桥的受力特点，在施工中对应力进行监控，掌握结构的受力情况，将实测值与理论值进行分析比较，查看结构是否处于安全范围内。当发现监测数据出现异常时，暂停施工，并组织人员查找原因解决问题，以此保证工程的施工始终处于可控范围内。
（3）吊杆张拉力监控 将有限元模型运行分析，得出吊杆的理论计算值，进而选择出最好的张拉方案。拱桥的吊杆数量较多，每根吊杆之间互相关联、相互影响，必须确保有效张拉力始终处于容许范围内，否则将会对结构的整体受力状态和工程的施工安全产生不可挽回的后果。（4）安全控制 近些年，新建拱桥的跨度在持续增加，对结构整体和局部刚度的要求也在提高。如何确保施工安全进行是重中之重，只有安全性得到保障才能使各种监控工作正常进行。因此，对桥梁进行安全控制是必不可少的。
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第 3 章 施工监控系统的结构仿真计算....................18
3.1 有限元模型的建立 ................ 18
3.1.1 计算参数 .........................18
3.1.2 主桥结构计算模型 ................. 18
第 4 章 施工监控结果比较与分析...................33
4.1 应力监控结果比较与分析 .................... 33
4.1.1 系梁应力监控结果比较与分析 ................ 33
4.1.2 拱肋应力监控结果比较与分析 .................... 35
第 5 章 摩阻损失和收缩徐变对监控结果的影响..............................50
5.1 管道摩阻损失对监控结果的影响 ............... 50
5.1.1 管道摩阻损失试验 ..................... 51
5.1.2 试验数据处理 ....................... 53

第 5 章 摩阻损失和收缩徐变对监控结果的影响

5.1 管道摩阻损失对监控结果的影响
在进行预应力张拉时，由于管道摩擦阻力的影响会引起实际应力比张拉端油表的读数要小的现象。尤其在长的钢绞线中，由管道偏差系数引起的摩阻损失所占比重是不容忽视的，是分析较长预应力钢束应力损失的主要考虑因素。而我国现行各种规范中对预应力管道摩阻系数取值有所不同，未能形成统一的规范值，各规范中 μ、k 值规定如下表 5-1 所示。

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第 6 章 结论与展望

6.1 主要结论
本文以在建工程某特大桥 1-88 米钢管混凝土系杆拱桥为背景，将施工过程划分为 11 个阶段，使用 Midas/civil 建立了考虑施工过程的全桥空间模型。将监测数据与理论计算值进行比较分析，并对该桥进行了阶段性监测和跟踪监控。主要结论如下：
（1）依据某特大桥的实际施工情况，制定了该桥详细的施工监控方案。根据设计参数和现场试验结果，建立了全桥的有限元模型。计算出结构在各施工阶段的理论结果，为监控分析提供了理论依据，对工程施工具有实际指导的意义。
（2）监测数据与理论计算值进行比较分析得到：结构的应力和位移始终处于可知、可控的状态；系梁、拱肋的受力和变形与理论计算值吻合较好；成桥时吊杆的实测张拉力与设计值偏差最大为 4.74%，在容许范围内。结果证明，某特大桥的施工监控是成功的，可行的，为类似桥梁工程施工监控提供了模型借鉴和经验积累。
（3）通过现场试验获取实际偏差系数、摩阻系数以及锚口和喇叭口摩阻损失率，将实测参数与设计所给参数进行分析比较，结果显示实际摩阻损失均比设计所给值要大。在现场不具备试验的条件下，应对摩阻损失适当放大以确保有效预应力精确施加到结构上。
参考文献（略）