【正文】 技術(shù)顧問 李小珍 博士 教授 、博導(dǎo) 西南交通大學 項目負責人 何 畏 博士 副教授 西南交通大學 監(jiān)控負責人 成文佳 博士 副教授 西南交通大學 理論 計算分析 衛(wèi) 星 博士 副教授 西南交通大學 理論計算分析 晉智斌 博士 講師 西南交通大學 理論計算分析 劉德軍 博士 生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 肖 林 博士 生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 張 迅 博士 生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 徐 良 碩士生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 王百樂 碩士生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 吳 成 碩士生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 吳國強 碩士生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 9 經(jīng)費預(yù)算 序號 名 稱 單 位 數(shù) 量 費 用 （萬元） 1 監(jiān)控、監(jiān)測 儀器 CAWS600系列自動站 套 1 光纖光柵表面應(yīng)變計 支 244 光纖光柵埋入式應(yīng)變計 支 65 光纖光柵溫度計 支 195 光纖光柵解調(diào)儀 臺 2 400噸 光纖光柵 錨索計 臺 4 串接光纜 米 1000 京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 29 通信光纜 米 20xx 光纖熔結(jié)盒 個 100 光纖終端盒 個 10 太陽能電池組及充電器 套 2 采集軟件 套 1 無線傳輸模塊 套 1 Leica TCA20xx 全站儀 臺 1 Leica DNA10 水準儀 臺 1 棱鏡 個 60 2 理論計算分析費用 3 監(jiān)控人員工資、差旅費 4 監(jiān)控人員交通費 、住宿費 5 會議、評審費 6 數(shù)據(jù)整理、報告文整費 7 監(jiān)控人員意外保險 費 8 管理費、稅費 (18%) 合 計 。監(jiān)控儀器和設(shè)備在投入項目之前和使用過程中都進行嚴格的標定，并制定詳細的儀器設(shè)備使用規(guī)程，保障測試數(shù)據(jù)的真實性。監(jiān)控指令經(jīng)內(nèi)部審核后，還需要得到設(shè)計單位的認可。在特殊情況下，主要監(jiān)控人員的更換需得到業(yè)主的批準。 在施工監(jiān)控開始之前制定完善的監(jiān)控工作實施細則，明確項目成員的工作和責任。一旦施工或使用過程中由于不京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 27 可抗拒因素導(dǎo)致傳感鏈斷損，可以將該傳感鏈對應(yīng)的尾端接頭連接到監(jiān)控分析儀，此時該傳感鏈的所有傳感器以斷點為界分別經(jīng)由首端接頭和尾端接頭將各自測量信號傳送給監(jiān)測站，實現(xiàn)傳感鏈的愈合。 （ 4） 系統(tǒng)安裝及長期使用過程中無需標定 光纖光柵本質(zhì)穩(wěn)定，不存在零點漂移。 （ 5） 系統(tǒng)的建成后可實現(xiàn)的目標 ： 報告橋梁的工作溫度環(huán)境 ； 報告橋梁的主要結(jié)構(gòu)的實際內(nèi)力分布狀況 ； 為鑒別橋梁的主要結(jié)構(gòu)是否有損害，或累積性損壞提供決策依據(jù) ； 給橋梁的營運管理和維修決策者提供橋梁的警告信息 。本 項目 涉及的光纖光柵傳感器有：光纖光柵溫度傳感器 、 鋼表面安裝的光纖光柵 表面 應(yīng)變計 和拱肋混凝土內(nèi)部、橋面板混凝土內(nèi)部 光纖光柵 埋入式應(yīng)變 傳感器。其傳輸?shù)哪M信號匯于一條總線中，集中到監(jiān)控站進行集中測量和 A/D 轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量送入計算機進行存貯處理。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：測控單元就近傳感器，縮短了模擬量傳輸距離，由測控單元傳輸出 去的都是數(shù)字量，即使一個子系統(tǒng)發(fā)生故障也不會影響整個系統(tǒng)運行。集線箱到采集裝置之間傳輸?shù)氖请娔M量，抗干擾能 力較差，可靠性較低。 ④ 采集軟件要簡單實用，功能強，容易操作，數(shù)據(jù)庫開放，能與第三方數(shù)據(jù)處理分析管理軟件兼容。系統(tǒng)建成后，必須是能夠長期穩(wěn)定運行的實用性系統(tǒng)。 自動化采集系統(tǒng)方案的設(shè)計原則及選擇 自動化采集系統(tǒng)方案設(shè)計遵循如下原則： ① 系統(tǒng)可靠、功能實用、組網(wǎng)合理、維護保養(yǎng)方便。 京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 24 圖 59 光纖光柵式錨索計 施工臨時結(jié)構(gòu)監(jiān)測 在對施工拼裝支架、吊架及扣索進行復(fù)核計算的基礎(chǔ)上，針對內(nèi)力較大的桿件、塔架扣索索力和控制截面進行應(yīng)力和變形的監(jiān)測。 吊桿應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力系桿索力監(jiān)測 本橋吊桿采用 35CrMo 合金鋼 ，吊桿直徑為 120 mm，常用的吊桿力的測試方法不適合于本橋，通過在吊桿的外表面上布置表面光纖應(yīng)變計可得到其應(yīng)力情況，從而間接得到其吊桿力。 拱肋 內(nèi) 混凝土埋入式 應(yīng)變計： 拱肋內(nèi) 應(yīng)變計需要預(yù)先制作定位鋼筋骨架。 兩拱肋、兩主梁外表面應(yīng)變測點布置于 圖 56 所示的所有斷面，共 176 個測點，埋式入應(yīng)變計布置于 G S M M M S3 和 G11 斷面，共 56 個測點。 （ 1） 應(yīng)力測試元件和設(shè)備 拱肋、主縱梁、縱橫梁表面采用 BGKFBG4000 光纖光柵 表面 應(yīng)變計 （圖 55），拱肋內(nèi)部混凝土采用 BGKFBG4200 光纖光柵 埋入式 應(yīng)變計 （圖 55）。無論是拱橋、梁橋，還是斜拉橋、懸索橋，其結(jié)構(gòu)某指定點的應(yīng)力值，也是隨著施工階段的推進而不斷變化的。 構(gòu)件 表面的溫度傳感器直接粘結(jié)在構(gòu)件的外表面上，而拱肋內(nèi)部的溫度傳感器則通過制作鋼筋骨架焊接于拱肋和主縱梁上。 在施工中針對特征季節(jié) (夏季、冬季 )和特征天氣狀況 (晴天、陰天 )，選擇代表性的時段進行構(gòu)件溫度場測量，同時進行環(huán)境溫度的連續(xù)觀測，以掌握該條件下的鋼箱 拱 、橋面系 的溫度分布規(guī)律，模擬各構(gòu)件的特征數(shù)值溫度場，為施工控制計算中溫度修正計算提供科學的特征數(shù)據(jù)，并為合攏時機選擇提供參考。 溫度測量包括：施工階段環(huán)境溫度及 橋梁 構(gòu)件的溫度場分布。 京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 19 ③ 線形評估 每個 施工階段 完成后均結(jié)合理論值及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對 拱肋和主縱梁 線形進行評估分析，找出測試及理論分析誤差，進行誤差回歸分析，修正理論計算及下節(jié)段坐標預(yù)測值。在體系轉(zhuǎn)換前后 及 合龍前后 進行 通測。在測量過程中，除考慮工序進展必須對每一工況進行例行測量外，還要對溫度變化引起的撓度進行測量。 D3D2D5D6 D7D 16 D 17 D 18D1D4D 11D 12D9D8D 20D 19D 13D 10D 14 D 15 D 21 D 22 圖 52 長期線形監(jiān)測點 布置圖 （ 3） 測 量方法 采用 LeicaTCA20xx 全站儀結(jié)合反射棱鏡進行全拱軸線及主縱梁軸線觀測。測點可由鋼筋作用，并將測頭磨平并用 油漆標明編號。 （ 1） 變形監(jiān)測網(wǎng)的建立 監(jiān)測網(wǎng)在現(xiàn)有控制點的基礎(chǔ)上，采用控制點加密方法，根 據(jù)實際需要，在適當位置加設(shè)控制點。 線形監(jiān)測包含對拱肋、主縱梁高程、軸線偏位等內(nèi)容。 5 176。 ℃ 氣 溫 50 ～ +50 177。 除對主體 結(jié)構(gòu)進行計算分析外，還對施工中的臨時結(jié)構(gòu) ：如拼接支架、塔架和轉(zhuǎn)體施工過程等進行復(fù)核計算，并對施工方案的可行性和安全性進行評價，提出優(yōu)化措施。 圖 44 施工控制工作流程 5 施工監(jiān)控、運營監(jiān)測 方案 監(jiān)控計算分析工作 首先根據(jù)設(shè)計文件及初步施工方案，對該橋進行復(fù)核性檢算。在上述控制中，以線形控制為主，應(yīng) 力控制為輔。 （ 2）控制網(wǎng)的復(fù)測 為確定保拱肋順利合龍，在吊裝施工開工前，監(jiān)控單位和施工方對水準基點和中線樁以不同的方法進行了復(fù)測。 通過三種 計算 方法 的特點 ， 結(jié)合 本 橋設(shè)計特點及施工方案。 （ 2）倒 拆 分析法 倒 拆 分析法的基本思想是： 0tt? 時刻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布滿足前進分析 0t 時刻的結(jié)果，軸線滿足設(shè)計線形要求。 2）在結(jié)構(gòu)分析之初，先要確定結(jié)構(gòu)最初的實際狀態(tài)，即以符合設(shè)計的實際施工結(jié)果（如跨徑、標高等）倒退到施工的第一階段作為結(jié)構(gòu)前進分析計算的初始狀態(tài)。 （ 1） 正裝 分析法 這種計算方法的特點是：隨著施工階段的推進，結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、荷載形式在不斷地改變，已形成梁段其幾何位臵也在改變，因此，前一階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)將是本次施工階段結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。橋梁結(jié)構(gòu)施工控制的目的就是確保施工過程中結(jié)構(gòu)的安全，保證橋梁成橋線形及受力狀態(tài)和變形情況進行預(yù)測和監(jiān)控。過嚴的誤差容許度會為施工帶來困難，延誤施工進度，過松的誤差容許度會為施工留下一定的隱患。 施工控制中應(yīng)根據(jù)施工反饋的數(shù)據(jù)與施工控制的預(yù)測計算的理論目標真值及施工控制的實時計算結(jié)果的修正目標真值進行比較，確定誤差的實際分布狀態(tài)分析，對連續(xù)分布誤差和大峰值誤差進行及時調(diào)整。 圖 43a 中的誤差分布，由于其單個誤差峰值較小，且正負誤差分布均勻，類似于白噪聲干擾，它對結(jié)構(gòu)的影響很小，是施工控制所追求的理想狀態(tài)?？刂浦?，必要時需要對簡化進行專門的試驗研究，以使計算模型誤差所產(chǎn)生的影響減到最低限度。 （ 3） 施工監(jiān)測誤差 由于測量儀器、儀器安裝、測量方法、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境情況等情況引起的誤差稱為施工監(jiān)測誤差。對于 鋼箱 混凝土拱 肋 ，當 拱肋 內(nèi)澆注了混凝土，由于受到澆注混凝土密實度的影響，構(gòu)件自重有一定的隨機誤差，所以在施工控制中必須計入實際容重與設(shè)計取值間可能存在的誤差 ； 施工臨時荷載是較為穩(wěn)定的量，但由于在已成結(jié)構(gòu)上亂放材料，往往引起臨時荷載較大的誤差，結(jié)構(gòu)分析時都需要考慮。在施工過程中要根據(jù)施工進度經(jīng)常性的對混凝土現(xiàn)場抽樣試驗。 ② 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸誤差 橋梁施工中截面尺寸誤差較為普遍，這種誤差將直接導(dǎo)致截面的面積、抗彎慣性矩以及抗扭慣性矩等截面特性誤差，影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形等的分析結(jié)果。在鋼管混凝土拱橋施工中不同的設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)狀態(tài) (內(nèi)力和變形 )的影響程度是不同的，而且，同一設(shè)計參數(shù)對不同施工階段也有不同程度的影響。 施工控制實時計算與設(shè)計計算的區(qū)別和聯(lián)系以及施工控制的基本流程和控制目標如圖 42 所示。在橋梁的設(shè)計計算中通常 會采用一些預(yù)設(shè)或假定的參數(shù)用于計算，它們所依據(jù)的是既有的施工經(jīng)驗和設(shè)計標準參數(shù)，并不一定完全真實地反映當前橋的實際施工情況。只有當二者計算結(jié)論基本一致時才開展后續(xù)的施工控制工作。在橋梁的施工控制計算中通常會采用盡可能真實的參數(shù)用于計算，以反映出設(shè)計與施工的差異。在這一計算過程中將與設(shè)計計算進行相互校核，以確?？刂颇繕伺c設(shè)計要求 相符 。它通過對橋梁施工全過程實時模擬的結(jié)構(gòu)計算，結(jié)合各設(shè)計參數(shù)的識別、修正以及其它測量數(shù)據(jù)的分析評價工作，進而求得各施工階段施工 控制參數(shù)的理論計算值，形成施工控制指令并對各施工階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)做出實時預(yù)測，從而達成對橋梁施工實施軟控制的最終目的。 運營監(jiān)測包括定期對 環(huán)境參數(shù)、 拱肋、橋面線型及應(yīng)力、吊桿索力和預(yù)應(yīng)力系桿索力進行監(jiān)測。預(yù)定狀態(tài)與實際狀態(tài)之間存在誤差，其對控制目標的不利影響則在后續(xù)若干施工階段的預(yù)測中予以考慮。一般而言，大跨度橋梁均需采用多種方法并行的綜合方法進行施工控制。分段施工中實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)達不到各個施京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 6 工階段理想結(jié)構(gòu)狀態(tài)是誤差生成重要原因之一，并 會使系統(tǒng)模型 結(jié)構(gòu)有限元模型中的計算參數(shù)（例如截面幾何特性、材料容重、彈性模量、混凝土收縮徐變等）與實際參數(shù)之間有偏差。 （ 2） 閉環(huán) 控制法 對于跨徑大、結(jié)構(gòu)又復(fù)雜的橋梁體系，盡管可以在設(shè)計計算中精確計算出成橋狀態(tài)和各個施工階段的理想結(jié)構(gòu)狀態(tài)，但是由于施工中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)誤差和測量系統(tǒng)誤差的存在，隨著施工過程的進展誤差就會累積起來，以致到施工完畢時，代表實際狀態(tài)的幾何線形和內(nèi)力狀況遠遠偏離了結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)，這就要求在施工誤差出現(xiàn)后，必須進行及時的糾正或控制。 施工控制 、運營監(jiān)測 的方法和 原則 基于 大跨度橋梁 控制理論的角度，橋梁結(jié)構(gòu)施工控制的方法主要有：開環(huán)控制法、閉環(huán)控制法（ 反饋控制法 ） 和自適應(yīng)控制法。本項目 旨在通過 橋梁施工控制理論 與本拱橋施工方法相結(jié)合的方法，對 本橋 施工 過程 進行 嚴格 的控制和調(diào)整，即根據(jù)施工過程中實際發(fā)生的各項影響橋梁 線形 的參數(shù)，結(jié)合