钢筋混凝土系杆拱桥施工控制分析、荷载试验及运营期检测技术.pdf.doc

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1、 单位代码：10359学 号： 2009007G308密级：分类号：公开U448.22Hefei University of Technology 硕士学位论文MASTERS DISSERTATION 论文题目：钢筋混凝土系杆拱桥施工控制分析、荷载试验及运营期检测技术学位类别：专业名称：作者姓名：导师姓名：完成时间：专业硕士建筑与土木工程刘洪涛王建国教授2014年 6月 合 肥 工 业 大 学专业硕士学位论文钢筋混凝土系杆拱桥施工控制分析、荷载试验及运营期检测技术作者姓名：指导教师：刘洪涛王建国教授校外导师高级工程师专业名称：建筑与土木工程研究方向：系杆拱桥施工监控及检测技术2014年 6月

2、A Dissertation Submitted for the Degree of MasterConstruction Control Analysis, Load Test andOperation Period Detection Technology of ReinforcedConcrete Arch BridgeBy Liu hongtao Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R.China June, 2014 致谢本论文是在导师王建国教授的悉心指导和关怀下完成的。王建国教授学识渊博、治学严谨、为人师表以及平易近人风范令

3、学生受益终生。在工程硕士学习期间，我有幸负责了淮南上窑大桥的施工监控工作，一年多的工地现场生活，使我积累了许多的实践经验，同时为论文的撰写提供了丰富的素材！王老师不仅在桥梁理论知识上给予我悉心的指导，而且对我在工程实践项目以及科研试验研究工作中进行悉心的指导，值此论文完成之际，谨向恩师表示衷心的感谢并致以诚挚的敬意!感谢合肥工业大学土木与水利工程学院的领导及老师，为我工程硕士的深造提供了条件。感谢安徽省公路工程检测中心的领导为我在淮南上窑大桥施工监控、荷载试验期间提供了经费、设备及技术支持。在论文编写时，参阅了国内外相关资料，少数被本文引用，在此感谢原作者。最后衷心感谢在百忙之中参加审阅本论文

4、的专家、教授，感谢答辩委员会各位老师和专家对我提出的宝贵建议，为我今后的工作和学习开拓了思路。作者：刘洪涛2014年 6月 8日I 摘要近年来，钢筋混凝土系杆拱桥作为一种新型拱桥，以其建筑高度低、投资省、造型美观、充分利用材料性能等特点和参与桥梁建设的良好适应性，较多地应用在桥梁工程建设中。但由于系杆拱结构理论计算复杂、预应力施工难度大、技术要求高而使这种桥型在我省较为少见。本文依托淮南上窑大桥实际工程，结合该类桥存在的普遍问题，主要研究钢筋混凝土系杆拱桥的施工技术控制、荷载试验及特殊检测，主要内容如下：（1）结合拱肋施工，对拱肋变形及应力进行双控，且以变形控制为主，严格控制各截面的竖向位移和

5、拱轴线偏移，同时考虑应力实测数据，通过对整座桥的施工过程控制模拟分析，将计算结果与现场实测数据进行分析比较，为今后进一步研究同类结构提供参考。（2）通过荷载试验，获取系梁、拱肋各控制截面的应变、挠度变化情况及吊杆的拉力增量。（3）通过对部分系杆拱桥的营运期检测，研究总结了检测的内容、方法、重点、难点以及检测数据的分析。研究表明，该桥具有较好的整体工作性能，在等效试验荷载作用下处于良好的弹性工作状态。本文的研究成果为同类工程提供了借鉴，为桥梁施工监控、荷载试验和运营期特殊检测提供了有益的参考。关键词：钢筋混凝土；拱桥；施工监控；荷载试验 ABSTRACTIn recent years, as a

6、 new type of arch bridge, reinforced concrete tied arch bridgehas been more used in bridge construction with its low building height, economy,graceful outline, excellent performance, and it adapted to bridge constructions factualsituation. But it is relatively rare in our province, because of its co

7、mplex structuretheory calculation, prestressed construction difficult, technically demanding.This paper is based on Huainan Shangyao Bridge engineering, combined with thegeneral problems of this bridges, the main research this bridge construction technologycontrol, load test and special detection. T

8、he main contents are as follows:Firstly, combined with rib construction, the deformation and stress of dual-control,and mainly to deformation control, and strictly control the cross-section of verticaldisplacement and migration of the arch axis, taking into account considering themeasure data of str

9、ess. Through the construction process simulation analysis of thisbridge, the results will be monitoring the scene and a comparative analysis if data forfuture studies of such structures to provide further information.Secondly, by the loading test, obtained the changes in strain and deflection of the

10、controlling of the tie beam and rib, the increment of the hanger force.At last, by the operation period detection of other tied arch bridges summarized thedetection of content, methods, focus, difficulty and test data analysis.The results shows that the overall performance of this bridge is well, th

11、e bridgestructure is in elasticity under the equivalent test loads. So the result in this paper canuse for same engineering bridge construction monitoring, load test and operation periodspecial detection.KEYWORDS: Reinforced concrete; Arch bridge; Construction monitoring; Load testI 目录第一章绪论11.1钢筋混凝土

12、系杆拱桥发展概况11.2桥梁施工监控概述21.3桥梁荷载试验概述41.4运营期系杆拱桥的检测技术51.5本文工程背景和研究内容6第二章钢筋混凝土系杆拱桥施工控制 92.1钢筋混凝土系杆拱桥施工监控工作内容92.2钢筋混凝土系杆拱桥的施工过程计算分析92.3钢筋混凝土系杆拱桥的施工控制计算 112.4施工监控结果与分析1 92.5施工监控总结与建议51第三章静载试验5 33.1静载试验简介5 33.2静载试验内容与方法 543.3静载试验结果 6 73.4静载试验结论与建议 72第四章运营期检测技术 734.1背景7 34.2检测内容与方法7 54.3检测数据分析与重难点7 74.4运营期检测小

13、结 79第五章结论与建议 805.1结论 805.2建议 80参考文献 82 插图清单图1.1中承式（无系杆）拱桥5图1.2下承式系杆拱桥5图1.3中承式系杆拱桥6图1.4刚性吊杆拱桥6图1.5刚性吊杆拱桥6图1.6窑河桥立面图7图1.7主要构件横断面图7图1.8窑河桥正面照8图1.9窑河桥侧面照8图2.1全桥几何模型 13图2.2持久状况承载能力极限状态内力与抗力图14图2.3持久状况承载能力极限状态内力与抗力图14图2.4正常使用极限状态拱肋最大正应力图单位：MPa15图2.5持久状况正常使用极限状态系梁最大正应力图单位：MPa15图2.6持久状况正常使用极限状态系梁主压应力图单位：MPa

14、16图2.7短期效应组合下混凝土正截面抗裂验算图16图2.8短期效应组合混凝土主拉应力图（MPa）17图2.9汽车荷载产生的拱肋变形图单位：m17图2.10荷载短期效应组合下系梁竖向变形图单位：m17图2.11结构自重作用下系梁竖向变形图单位：m18图2.12窑河桥横梁、系梁测点编号示意图21图2.13拱肋和系梁应力（温度）测点立面布置示意图26图2.14拱肋和系梁应力（温度）测点横断面布置示意图26图2.15工况1拱脚系梁的支架现浇28图2.16工况2张拉系梁部分预应力28图2.17拱肋和系梁应变（应力）测点立面布置示意图33图2.18拱肋应变（应力）测点横断面布置示意图33图2.19拱肋应

15、力测试断面布置示意图47图2.20拱肋应力测点布置示意图47图2.21支架搭设（一）49图2.22支架搭设（二）49III 图2.23支架预压49图2.24预埋应变计49图2.25拱肋支架搭设50图2.26拱肋支架预压50图2.27浇注混凝土50图2.28系梁预应力束50图2.29横梁预应力束50图2.30拱肋模板吊杆预留孔50图2.31拱肋浇筑完成51图2.32高程测量51图2.33施工过程中锚头处积水51图2.34下锚头未安防水罩前51图2.35吊杆张拉前51图2.36吊杆张拉51图3.1振弦传感器测试54图3.2索力测试图54图3.3位移计法挠度测试55图3.4精密水准仪法挠度测试55图

16、3.5全站仪法挠度测试55图3.6全站仪法挠度测试55图3.7 BGK4000振弦式应变计56图3.8 BGEOKON（BGK-408型56图3.9 DSZ2+FS1精密水准仪56图3.10桥梁激光挠度检测仪56图3.11理论计算空间模型56图3.12活载弯矩包络图(单位：kNm)57图3.13活载轴力包络图(单位：kN)57图3.14吊杆最大轴力包络图(单位：kN)57图3.15最大竖向位移(单位：m)58图3.16测试截面位置示意图58图3.17测试断面应变传感器布置图59图3.18位移测点布置图示意图60图3.19加载车车型示意图(单位：cm)60图3.20粘贴拱肋应变计64 图3.21

17、系梁侧面应变计64图3.22拱肋侧面应变计64图3.23系梁顶应变计64图3.24拱肋底应变计64图3.25横梁应变计65图3.26系梁底应变计65图3.27系梁底位移计65图3.28系梁底位移计65图3.29静载试验现场加载（一）65图3.30静载试验现场加载（二）66图3.31系梁应力及吊杆拉力测试66图3.32老桥侧6号杆67图3.33老桥侧8号杆67图3.34新桥侧7号杆68图3.35新桥侧11号杆68图4.1福建武夷山公馆桥(2011.7.14)73图4.2新疆孔雀河大桥(2011.4.12)73图4.3盐城通榆河大桥（2011.7.11）74图4.4印度新德里人行桥(2010.9.

18、21)(伤26)74图4.5河南漯河泰山路大桥(2008.1.3)74图4.6宜宾南门大桥75图4.7锚头打开检查78图4.8某系杆拱桥锚头打开后情况79V 表格清单表2.1主桥上部结构材料特性表12表2.2施工工况12表2.3正常使用极限状态钢束应力验算（单位：MPa）18表2.4吊杆内力最大值18表2.5窑河桥预压表（单位：m）20表2.6系梁预拱度预报表22表2.7横梁预拱度预报表22表2.8立模标高实测值与理论值对比表22表2.9窑河桥新桥侧各工况系梁梁顶标高变化表24表2.10窑河桥老桥侧各工况系梁梁顶标高变化表24表2.11窑河桥横梁各工况跨中梁顶标高变化表25表2.12应变（应力

19、）和温度监测27表2.13系梁控制截面实测应力变化值29表2.14窑河桥拱肋支架预压表31表2.15拱肋预拱度预报表32表2.16风撑预拱度预报表32表2.17立摸标高实测值与理论值对比表32表2.18拱肋应变（应力）和温度监测34表2.19第一轮吊杆张拉前后系梁变形35表2.20第二轮吊杆张拉前后系梁变形35表2.21成桥后系梁标高36表2.22第一轮吊杆张拉前后系梁变形36表2.23第二轮吊杆张拉前后系梁变形37表2.24成桥后系梁标高37表2.25吊杆第一轮张拉索力实测与理论值表38表2.26吊杆第一轮张拉预报顺序与张拉力表38表2.27吊杆第一轮张拉一次调整索力实测值与理论值对比表39

20、表2.28吊杆第一轮张拉二次调整索力实测值与理论值对比表39表2.29吊杆第一轮张拉一次调整顺序与张拉力表40表2.30吊杆第一轮张拉二次调整顺序与张拉力表40表2.31吊杆第二轮张拉顺序与张拉力表40表2.32吊杆第二轮张拉索力实测与理论值对比表41 表2.33桥面板浇筑后左侧吊杆量测结果41表2.34桥面板浇筑后右侧吊杆监控数据42表2.35二期铺装后左侧吊杆监控数据42表2.36二期铺装后右侧吊杆监控数据43表2.37第一轮吊杆张拉前后新桥侧拱肋位移监控44表2.38第二轮吊杆张拉前后新桥侧拱肋位移监控44表2.39第一轮吊杆张拉前后老桥侧拱肋位移监控45表2.40第二轮吊杆张拉前后老桥

21、侧拱肋位移监控45表2.41成桥后老桥侧拱肋标高46表2.42成桥后新桥侧拱肋标高46表2.43浇筑桥面板后拱肋D断面应力监控47表2.44浇筑桥面板后拱肋E断面应力监控48表2.45浇筑桥面板后拱肋F断面应力监控48表2.46吊杆二次张拉后拱肋D断面应力监控48表2.47吊杆二次张拉后拱肋E断面应力监控48表2.48吊杆二次张拉后拱肋F断面应力监控48表2.49二期铺装后拱肋D断面应力监控48表2.50二期铺装后拱肋E断面应力监控49表2.51二期铺装后拱肋F断面应力监控49表3.1主要仪器设备55表3.2各控制截面测试项目表58表3.3加载重车轴重表60表3.4各荷载工况荷载效率系数表61

22、表3.5根据动测法测得的成桥索力67表3.6工况一1.1测试截面应力数据分析68表3.7工况一2.2测试截面应力数据分析69表3.8工况一1.1、2.2截面位移数据分析69表3.9工况一跨中截面加载作用下挠度偏载数据分析69表3.10工况二3.3测试截面应力数据分析70表3.11工况二4.4测试截面应力数据分析70表3.12工况二3.3、4.4截面位移数据分析70表3.13工况三5.5测试截面应力数据分析71表3.14工况三6.6测试截面应力数据分析71表3.15工况四老桥侧7号吊杆拉力数据分析71表3.16工况五8.8测试截面应力数据分析72VII 1绪论1 绪论1.1钢筋混凝土系杆拱桥发展

23、概况系杆拱桥既具有拱桥的一般特征，又有自身的独有特点。它是一种集拱与梁的优点于一身的桥型，有效的将拱与梁两种基本结构形式组合共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构特点，拱端的水平推力用拉杆承受，使拱端支座不产生水平推力。拱与弦间用两端铰接的竖直杆联结而成。系杆拱桥最早起源于 19世纪末的欧洲。1858年奥地利人兰格尔(Josef Langer)申报了刚性梁柔性拱的系杆拱桥专利，强调拱肋和吊杆之间铰接构造，拱肋只承受轴向力，不承受弯矩，这就是现代系杆拱桥的早期形式。随后，人们发现用斜吊杆代替竖吊杆可大幅度提高结构刚度，这一设想最早由尼尔森(OFNielsen)提出，1929年在瑞典获得专利权

24、。因此，斜吊杆形式的系杆拱桥又被称为尼尔森体系。尼尔森体系与竖吊杆体系在国外系杆拱桥的研究和实践中均受重视，尼尔森体系主要应用在大跨度和重荷载的情况下。世界上首座提篮形拱的尼尔森体系桥，是德国 1962年建成的费马恩松德桥，主跨为 248.4m，矢高 43.0m，桥面宽 21.0m。日本第一座尼尔森体系桥是 1968年修建的安岐桥，主跨 110m，然后在 1991年修建了跨度 254.0m的新滨寺桥，成为世界上最大跨度的该体系桥梁。相比而言，尼尔森体系系杆拱桥应用在国内则较少。我国首座系杆拱是建于 1922年的京津公路天津杨村双龙桥，采用 320m下承式钢筋砼系杆拱。之后，上海 1927年建成

25、单孔跨径 30.5m的钢筋砼系杆拱桥（定海路桥）；1923年，湖南建成 424.38m中承式钢筋混凝土系杆拱(永丰大桥)。二十世纪五、六十年代，我国也修建了部分钢筋混凝土系杆系杆拱桥，如 1958年修建的跨越京杭运河的武城卫运河桥、临清卫运河桥、江苏扬州大运河桥，1961年建成的陕西省略阳桥，天津市跨越蓟运河的宁河桥等，但其主跨跨径均小于 50m。到八、九十年代，我国的桥梁事业随着我国经济的发展和桥梁设计理论、计算手段的进步也得以蓬勃发展，不同结构类型的系杆拱桥不断涌现，如上、中、下承式系杆拱桥和无横撑、斜吊杆、单拱肋、异型拱等。系杆拱桥由于有下承式、中承式的特点，当桥下建筑高度受到严格限制时

26、，中承式或下承式布置就能较好地满足桥下净空的要求。系杆拱桥造型美观、结构合理、跨越能力强。拱的弧线优美轻柔、古朴大方、韵律变化、富有层次，具有华夏民族拱式建筑的艺术特征，它还具有兼容人文景观和自然景观协调美的特征。在城市景点或旅游地区，有时为了配合当地景观也可以采用中、下承式拱桥。文化古城和水乡城市，河渠纵横，古塔高耸，亭、廊、寺院随处可见。塔、亭、廊1 合肥工业大学专业硕士研究生学位论文与拱桥通过历史共存是不可分的同一族建筑，所以拱桥与这类城市的特征和风貌十分协调。因此，系杆拱桥特别得到人们的青睐和喜爱！近年来，市政、水利、铁路、公路、航道几乎各个行业都闻风而动，你追我赶，发展速度越来越快；

27、跨径方面也屡屡突破，形成了系杆拱桥的建造高潮。2003年 6月 28日建成通车的上海卢浦大桥主跨达到 550米。2009年 4月 29日，重庆跨长江的朝天门大桥正式通车，主跨达 552米，比世界著名拱桥澳大利亚悉尼大桥的主跨还要长，成为“世界第一拱桥”。它不仅可以成为重庆市崭新的标志性建筑，而且有利于在使用、经济、设计、施工、建筑造型等各方面使我国桥梁建设更上一层楼，达到国际进水平。1.2桥梁施工监控概述1.2.1施工监控的意义及目的施工监控的最根本目的是确保施工中结构的安全和确保成桥后的线形和内力状态满足设计要求。施工控制除了能起到补充设计和指导施工的作用，还能对各种施工条件的变化进行监测、

28、研究分析，对相关问题提出建议及解决办法，因此对大跨径系杆拱桥进行施工控制是十分必要的。桥梁施工是一个系统工程，对于大跨径桥梁更是如此。桥梁施工受到很多确定和不确定因素的影响，而设计图纸中的控制数据(如预拱度、不同阶段挠度参考值)是基于理论的设计参数和假定的施工方法得出的。因此，现场施工通常会与设计预期存在一定的差异，当实际情况与设计预期存在出入时，就需要修正这些数据，否则难以满足实际施工的需要。由于桥用材料性能、荷载、设计计算、施工精度、大气温度等多方面的理想状态、理论假定与实际状态存在一定差异，如何从施工中各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实的值，对施工状态实时监测(识别)、纠偏 (调整

29、)、预测就尤为重要。这些方面的影响如不能有效地及时处理，不仅会使结构线形不顺畅以致影响行车，而且可能会影响结构受力。为了解决好可能产生的问题，最好的方法就是在施工全过程中实施实时控制，控制关键受力截面的变形和应力误差处于容许范围内，保证桥梁建成时处于设计规定状态。作为单跨钢筋混凝土简支系杆拱桥，属于高次超静定的结构类型，其结构恒载内力和成桥线形与施工方法有着紧密的关系，采用不同的施工工序和方法都会导致不同的结构内力和线形。此外，由于各种因素(如混凝土收缩徐变、施工荷载、材料的弹性模量、温度、结构自重等)的影响，以及在测量等方面存在误差，特别是某些偏差具有累积的特性，结构的原理论设计值难以做到与

30、实际测量值完全一致，两者之间会存在偏差。若对偏差不加以及时有效的调整，随着施工的进行，结构的线形会显著偏离设计值，造成合拢困难或影响成桥的内力和线形。2 1绪论本文工程背景拱桥的施工顺序为:首先在支架上浇注系杆、横梁，然后在桥面上搭设拱架浇筑钢筋混凝土拱肋，最后张拉吊杆。由于施工过程中温度、施工荷载变化等因素，桥梁在施工过程中各阶段的应力、位移变化频繁，加上结构材料的实际物理力学参数的影响，结构的应力、应变不可能与设计计算值保持一致，而支架现浇拱肋线型一旦形成，很难调整。因此对该桥施工过程进行有效的控制，保证其成桥线型和内力，是该桥成功建设的一个关键。因此，对桥梁施工过程的应力、位移和温度进行

31、有效的监控并采取有效的调控措施是非常必要的。1.2.2施工监控原则根据拱桥主拱圈主要受压的特点，施工监控的主要原则是变形、内力及稳定性控制综合考虑。其中，稳定性控制非常重要，在施工控制过程中，应根据桥梁结构的不同和施工工艺的差别采取以下控制原则：在满足稳定性要求的前提下，对变形、应力进行双控，其中以控制变形为主，严格控制拱圈标高、灌注混凝土、体系转换过程中挠度和轴线偏位，严格监控成拱期间的应力变化趋势。上述原则的制定主要是考虑到位移控制是最直观、易实现的，并且测量数据的精度较高，而应力控制受影响因素较多，并受环境影响较大。所以，在桥梁施工监控中需通过设计参数的识别、修正，建立较准确的结构模型。

32、综合考虑各种影响因素所带来的影响，建立合理可行的施工控制、监测系统，从而获得真实、准确的实测数据，正确的分析结构的实际状态，为后续施工提供可靠的依据。桥梁施工控制大都以线形控制为主，应力控制为辅。1、线形要求线形主要是指拱轴线线形、桥面线形。成桥后拱肋的拱轴线线形、控制点的平面坐标、标高和桥面标高要符合设计要求。为了达到设计线形，需要对不同阶段施工状态下的内力、位移和吊索索力、系杆索力进行严格控制。2、受力要求在恒载己定的情况下，拱轴线形是影响拱肋受力的重要因素。而拱肋的应力与拱肋截面的弯矩和轴力有关，在成桥恒载状态下，需控制好拱肋截面弯矩，使拱肋主要截面不仅要满足施工阶段的强度和稳定性要求，

33、而且成桥后在活载作用下要满足设计要求。及时设置一定的横向缆风索和及时安装永久横联也是确保施工阶段受力安全必不可少的。控制钢筋混凝土系杆拱受力性能的主要结构是主拱圈拱肋。3、调控手段对于主拱拱肋支架施工成拱的拱桥线形和内力或应力的调整，主要通过支架的预压与底模标高调整来实现的。支架分为梁体混凝土现浇支架、拱肋支架两种，底模安装后对支架进行 120%预压，通过预压掌握支架的弹性变形和非弹性变形的3 合肥工业大学专业硕士研究生学位论文程度和大小，更加准确地掌握支架的刚度等力学性能指标，从而指导立摸标高，进行桥梁上部结构的施工。1.2.3施工监控目标桥梁施工监控的目标是：把大跨度桥梁施工控制的理论和方

34、法应用于大桥的实际施工过程，对该桥施工期间的线形、结构位移、索力及应力等内容进行有力的控制和调整。根据施工全过程中实际发生的各项影响桥梁应力、索力与变形的参数，结合施工过程中测得的各阶段应力、索力与变形数据，及时分析与预测值的差异并找出原因，提出修正对策，以协助施工单位安全、优质、高效地进行施工，并确保在全桥建成以后桥梁的应力状态、索力状态与外形曲线与设计尽量相符。桥梁结构控制目标具体包括：1、控制主要构件的内力和桥梁线型，保证工程质量优良；2、及时发现、纠正施工中的失误，避免重大事故，确保桥梁结构安全；3、提供成桥的主要力学参数指标，为今后桥梁的养护管理提供基础资料。1.3桥梁荷载试验概述1.3.1桥梁荷载试验概述一般桥梁结构静载试验的目的主要用于解决以下几方面的问题：1、了解结构目前的工作状况，判断其是否符合设计要求或处于正常受力状态，检验桥梁结构设计与施工的质量；2、通过静载试验研究和理论计算分析，对使用荷载作用下桥梁的响应及工作状况作出综合评价