【正文】 技術(shù)顧問(wèn) 李小珍 博士 教授 、博導(dǎo) 西南交通大學(xué) 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 何 畏 博士 副教授 西南交通大學(xué) 監(jiān)控負(fù)責(zé)人 成文佳 博士 副教授 西南交通大學(xué) 理論 計(jì)算分析 衛(wèi) 星 博士 副教授 西南交通大學(xué) 理論計(jì)算分析 晉智斌 博士 講師 西南交通大學(xué) 理論計(jì)算分析 劉德軍 博士 生 西南交通大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 肖 林 博士 生 西南交通大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 張 迅 博士 生 西南交通大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 徐 良 碩士生 西南交通大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 王百樂(lè) 碩士生 西南交通大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 吳 成 碩士生 西南交通大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 吳國(guó)強(qiáng) 碩士生 西南交通大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 9 經(jīng)費(fèi)預(yù)算 序號(hào) 名 稱 單 位 數(shù) 量 費(fèi) 用 （萬(wàn)元） 1 監(jiān)控、監(jiān)測(cè) 儀器 CAWS600系列自動(dòng)站 套 1 光纖光柵表面應(yīng)變計(jì) 支 244 光纖光柵埋入式應(yīng)變計(jì) 支 65 光纖光柵溫度計(jì) 支 195 光纖光柵解調(diào)儀 臺(tái) 2 400噸 光纖光柵 錨索計(jì) 臺(tái) 4 串接光纜 米 1000 京滬高速鐵路跨京開(kāi)高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測(cè) 方案 29 通信光纜 米 20xx 光纖熔結(jié)盒 個(gè) 100 光纖終端盒 個(gè) 10 太陽(yáng)能電池組及充電器 套 2 采集軟件 套 1 無(wú)線傳輸模塊 套 1 Leica TCA20xx 全站儀 臺(tái) 1 Leica DNA10 水準(zhǔn)儀 臺(tái) 1 棱鏡 個(gè) 60 2 理論計(jì)算分析費(fèi)用 3 監(jiān)控人員工資、差旅費(fèi) 4 監(jiān)控人員交通費(fèi) 、住宿費(fèi) 5 會(huì)議、評(píng)審費(fèi) 6 數(shù)據(jù)整理、報(bào)告文整費(fèi) 7 監(jiān)控人員意外保險(xiǎn) 費(fèi) 8 管理費(fèi)、稅費(fèi) (18%) 合 計(jì) 。監(jiān)控儀器和設(shè)備在投入項(xiàng)目之前和使用過(guò)程中都進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，并制定詳細(xì)的儀器設(shè)備使用規(guī)程，保障測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性。監(jiān)控指令經(jīng)內(nèi)部審核后，還需要得到設(shè)計(jì)單位的認(rèn)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(zhǔn)。 在施工監(jiān)控開(kāi)始之前制定完善的監(jiān)控工作實(shí)施細(xì)則，明確項(xiàng)目成員的工作和責(zé)任。一旦施工或使用過(guò)程中由于不京滬高速鐵路跨京開(kāi)高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測(cè) 方案 27 可抗拒因素導(dǎo)致傳感鏈斷損，可以將該傳感鏈對(duì)應(yīng)的尾端接頭連接到監(jiān)控分析儀，此時(shí)該傳感鏈的所有傳感器以斷點(diǎn)為界分別經(jīng)由首端接頭和尾端接頭將各自測(cè)量信號(hào)傳送給監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)傳感鏈的愈合。 （ 4） 系統(tǒng)安裝及長(zhǎng)期使用過(guò)程中無(wú)需標(biāo)定 光纖光柵本質(zhì)穩(wěn)定，不存在零點(diǎn)漂移。 （ 5） 系統(tǒng)的建成后可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) ： 報(bào)告橋梁的工作溫度環(huán)境 ； 報(bào)告橋梁的主要結(jié)構(gòu)的實(shí)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(yíng)運(yùn)管理和維修決策者提供橋梁的警告信息 。本 項(xiàng)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(jì) 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(hào)匯于一條總線中，集中到監(jiān)控站進(jìn)行集中測(cè)量和 A/D 轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存貯處理。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)控單元就近傳感器，縮短了模擬量傳輸距離，由測(cè)控單元傳輸出 去的都是數(shù)字量，即使一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(jiǎn)單實(shí)用，功能強(qiáng)，容易操作，數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)用性系統(tǒng)。 自動(dòng)化采集系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)原則及選擇 自動(dòng)化采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)遵循如下原則： ① 系統(tǒng)可靠、功能實(shí)用、組網(wǎng)合理、維護(hù)保養(yǎng)方便。 京滬高速鐵路跨京開(kāi)高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測(cè) 方案 24 圖 59 光纖光柵式錨索計(jì) 施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè) 在對(duì)施工拼裝支架、吊架及扣索進(jìn)行復(fù)核計(jì)算的基礎(chǔ)上，針對(duì)內(nèi)力較大的桿件、塔架扣索索力和控制截面進(jìn)行應(yīng)力和變形的監(jiān)測(cè)。 吊桿應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力系桿索力監(jiān)測(cè) 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(cè)試方法不適合于本橋，通過(guò)在吊桿的外表面上布置表面光纖應(yīng)變計(jì)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(jì)： 拱肋內(nèi) 應(yīng)變計(jì)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(cè)點(diǎn)布置于 圖 56 所示的所有斷面，共 176 個(gè)測(cè)點(diǎn)，埋式入應(yīng)變計(jì)布置于 G S M M M S3 和 G11 斷面，共 56 個(gè)測(cè)點(diǎn)。 （ 1） 應(yīng)力測(cè)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(jì) （圖 55），拱肋內(nèi)部混凝土采用 BGKFBG4200 光纖光柵 埋入式 應(yīng)變計(jì) （圖 55）。無(wú)論是拱橋、梁橋，還是斜拉橋、懸索橋，其結(jié)構(gòu)某指定點(diǎn)的應(yīng)力值，也是隨著施工階段的推進(jìn)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(guò)制作鋼筋骨架焊接于拱肋和主縱梁上。 在施工中針對(duì)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(shí)段進(jìn)行構(gòu)件溫度場(chǎng)測(cè)量，同時(shí)進(jìn)行環(huán)境溫度的連續(xù)觀測(cè)，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(chǎng)，為施工控制計(jì)算中溫度修正計(jì)算提供科學(xué)的特征數(shù)據(jù)，并為合攏時(shí)機(jī)選擇提供參考。 溫度測(cè)量包括：施工階段環(huán)境溫度及 橋梁 構(gòu)件的溫度場(chǎng)分布。 京滬高速鐵路跨京開(kāi)高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測(cè) 方案 19 ③ 線形評(píng)估 每個(gè) 施工階段 完成后均結(jié)合理論值及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì) 拱肋和主縱梁 線形進(jìn)行評(píng)估分析，找出測(cè)試及理論分析誤差，進(jìn)行誤差回歸分析，修正理論計(jì)算及下節(jié)段坐標(biāo)預(yù)測(cè)值。在體系轉(zhuǎn)換前后 及 合龍前后 進(jìn)行 通測(cè)。在測(cè)量過(guò)程中，除考慮工序進(jìn)展必須對(duì)每一工況進(jìn)行例行測(cè)量外，還要對(duì)溫度變化引起的撓度進(jìn)行測(cè)量。 D3D2D5D6 D7D 16 D 17 D 18D1D4D 11D 12D9D8D 20D 19D 13D 10D 14 D 15 D 21 D 22 圖 52 長(zhǎng)期線形監(jiān)測(cè)點(diǎn) 布置圖 （ 3） 測(cè) 量方法 采用 LeicaTCA20xx 全站儀結(jié)合反射棱鏡進(jìn)行全拱軸線及主縱梁軸線觀測(cè)。測(cè)點(diǎn)可由鋼筋作用，并將測(cè)頭磨平并用 油漆標(biāo)明編號(hào)。 （ 1） 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立 監(jiān)測(cè)網(wǎng)在現(xiàn)有控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用控制點(diǎn)加密方法，根 據(jù)實(shí)際需要，在適當(dāng)位置加設(shè)控制點(diǎn)。 線形監(jiān)測(cè)包含對(duì)拱肋、主縱梁高程、軸線偏位等內(nèi)容。 5 176。 ℃ 氣 溫 50 ～ +50 177。 除對(duì)主體 結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析外，還對(duì)施工中的臨時(shí)結(jié)構(gòu) ：如拼接支架、塔架和轉(zhuǎn)體施工過(guò)程等進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并對(duì)施工方案的可行性和安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出優(yōu)化措施。 圖 44 施工控制工作流程 5 施工監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè) 方案 監(jiān)控計(jì)算分析工作 首先根據(jù)設(shè)計(jì)文件及初步施工方案，對(duì)該橋進(jìn)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(cè) 為確定保拱肋順利合龍，在吊裝施工開(kāi)工前，監(jiān)控單位和施工方對(duì)水準(zhǔn)基點(diǎn)和中線樁以不同的方法進(jìn)行了復(fù)測(cè)。 通過(guò)三種 計(jì)算 方法 的特點(diǎn) ， 結(jié)合 本 橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)及施工方案。 （ 2）倒 拆 分析法 倒 拆 分析法的基本思想是： 0tt? 時(shí)刻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布滿足前進(jìn)分析 0t 時(shí)刻的結(jié)果，軸線滿足設(shè)計(jì)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(shí)際狀態(tài)，即以符合設(shè)計(jì)的實(shí)際施工結(jié)果（如跨徑、標(biāo)高等）倒退到施工的第一階段作為結(jié)構(gòu)前進(jìn)分析計(jì)算的初始狀態(tài)。 （ 1） 正裝 分析法 這種計(jì)算方法的特點(diǎn)是：隨著施工階段的推進(jìn)，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(guò)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(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)控。過(guò)嚴(yán)的誤差容許度會(huì)為施工帶來(lái)困難，延誤施工進(jìn)度，過(guò)松的誤差容許度會(huì)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(cè)計(jì)算的理論目標(biāo)真值及施工控制的實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果的修正目標(biāo)真值進(jìn)行比較，確定誤差的實(shí)際分布狀態(tài)分析，對(duì)連續(xù)分布誤差和大峰值誤差進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。 圖 43a 中的誤差分布，由于其單個(gè)誤差峰值較小，且正負(fù)誤差分布均勻，類似于白噪聲干擾，它對(duì)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(shí)需要對(duì)簡(jiǎn)化進(jìn)行專門的試驗(yàn)研究，以使計(jì)算模型誤差所產(chǎn)生的影響減到最低限度。 （ 3） 施工監(jiān)測(cè)誤差 由于測(cè)量?jī)x器、儀器安裝、測(cè)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(cè)誤差。對(duì)于 鋼箱 混凝土拱 肋 ，當(dāng) 拱肋 內(nèi)澆注了混凝土，由于受到澆注混凝土密實(shí)度的影響，構(gòu)件自重有一定的隨機(jī)誤差，所以在施工控制中必須計(jì)入實(shí)際容重與設(shè)計(jì)取值間可能存在的誤差 ； 施工臨時(shí)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(shí)荷載較大的誤差，結(jié)構(gòu)分析時(shí)都需要考慮。在施工過(guò)程中要根據(jù)施工進(jìn)度經(jīng)常性的對(duì)混凝土現(xiàn)場(chǎng)抽樣試驗(yàn)。 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(jì)參數(shù)對(duì)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(jì)參數(shù)對(duì)不同施工階段也有不同程度的影響。 施工控制實(shí)時(shí)計(jì)算與設(shè)計(jì)計(jì)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(biāo)如圖 42 所示。在橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算中通常 會(huì)采用一些預(yù)設(shè)或假定的參數(shù)用于計(jì)算，它們所依據(jù)的是既有的施工經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并不一定完全真實(shí)地反映當(dāng)前橋的實(shí)際施工情況。只有當(dāng)二者計(jì)算結(jié)論基本一致時(shí)才開(kāi)展后續(xù)的施工控制工作。在橋梁的施工控制計(jì)算中通常會(huì)采用盡可能真實(shí)的參數(shù)用于計(jì)算，以反映出設(shè)計(jì)與施工的差異。在這一計(jì)算過(guò)程中將與設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行相互校核，以確?？刂颇繕?biāo)與設(shè)計(jì)要求 相符 。它通過(guò)對(duì)橋梁施工全過(guò)程實(shí)時(shí)模擬的結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)合各設(shè)計(jì)參數(shù)的識(shí)別、修正以及其它測(cè)量數(shù)據(jù)的分析評(píng)價(jià)工作，進(jìn)而求得各施工階段施工 控制參數(shù)的理論計(jì)算值，形成施工控制指令并對(duì)各施工階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)做出實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，從而達(dá)成對(duì)橋梁施工實(shí)施軟控制的最終目的。 運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)包括定期對(duì) 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(jìn)行監(jiān)測(cè)。預(yù)定狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間存在誤差，其對(duì)控制目標(biāo)的不利影響則在后續(xù)若干施工階段的預(yù)測(cè)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(jìn)行施工控制。分段施工中實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)達(dá)不到各個(gè)施京滬高速鐵路跨京開(kāi)高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測(cè) 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(huì)使系統(tǒng)模型 結(jié)構(gòu)有限元模型中的計(jì)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(shí)際參數(shù)之間有偏差。 （ 2） 閉環(huán) 控制法 對(duì)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(jì)計(jì)算中精確計(jì)算出成橋狀態(tài)和各個(gè)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(cè)量系統(tǒng)誤差的存在，隨著施工過(guò)程的進(jìn)展誤差就會(huì)累積起來(lái)，以致到施工完畢時(shí)，代表實(shí)際狀態(tài)的幾何線形和內(nèi)力狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)行及時(shí)的糾正或控制。 施工控制 、運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè) 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(kāi)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(xiàng)目 旨在通過(guò) 橋梁施工控制理論 與本拱橋施工方法相結(jié)合的方法，對(duì) 本橋 施工 過(guò)程 進(jìn)行 嚴(yán)格 的控制和調(diào)整，即根據(jù)施工過(guò)程中實(shí)際發(fā)生的各項(xiàng)影響橋梁 線形 的參數(shù)，結(jié)合