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桥梁施工监测运营与控制
日期:2017-7-10 9:15:12 作者:佚名 来源:本站原创
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随着社会经济的不断发展,现代社会对于交通依赖程度不断加大,特别是处于交通工程中的桥梁,地位尤其突出,不论是处于施工中的桥梁还是运营使用当中的桥梁,其安全性和其它技术指标,直接关系到国家和人民群众的生命财产安全,所以建立一套行之有效的、具有相当科技含量的贯穿桥梁施工阶段、运营管理阶段的监测和控制方法和手段,就显得尤为重要,下面我们就浅谈一下桥梁在施工、运营当中的监测与控制的方法及手段。 一、桥梁监测
桥梁监测是通过对桥梁结构状态的监控与评估,为桥梁在特殊气候交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。监测系统对以下几个方面进行监控:桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态;桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施(如振动控制元件)的工作状态;结构构件耐久性;桥梁所处环境条件等。 (一) 监测范围
1. 敏感部位监测。一般只在桥梁内力、应变、位移变化和裂纹产生对桥梁影响至关重要的
(敏感)部位进行监测。
2. 总体监测。特大桥梁构造复杂,难以做到地毯式人工监测。鉴于特大桥梁的重要性,需
要适时地得到桥梁正常工作的总体状况。通过对可能取得的桥梁工作参数,采用不同的方法进行“识别”找到桥梁异常的一个或几个可能部位,再由配备检测设备的专业人员到可能异常部位检测。 (二) 监测方式
1. 人工监测:配备简单的仪器,用人工作地毯式监测,用模糊分级描述桥梁状况,一般可
作为定期监测、突发性事件后的特别监测。
2. 自动检测:用固定在桥梁上的专用设备,实际地监测桥梁的工作参数;由专用设备和软
件对工作参数进行识别加工,得到能反映桥梁工作状态的状态信息;再用特定的方法分析这些信息并与桥梁的健康档案相比较,给出桥梁的健康状况或损伤状况。一般适用于特大的或重要的桥梁在线监测。这种方法自动化程度高,是当前研究热点与发展方向;但是难度大,目前使用尚少。
3. 联合监测:考虑到前两种方法的实际情况,用各种小型的自动化程度较高的仪器,配合
人工监测,是一个比较可行的方案。 (三) 监测的状态
1. 静态:监测桥梁结构的静态几何和力学参数,用以分析桥梁结构的工作状态。静态监测
比较困难,一般都是加载检测。但是静态参数比较直观地反映了桥梁的工作状态。 2. 动态:监测桥梁结构的动态几何和力学参数,用以分析桥梁结构的工作状态。动态监测
适用于运营监测。
(四) 常规监测的工作参数及桥梁监测系统与手段 1. 常规监测的工作参数
(1) 位移。包括绝对位移和相对位移,静位移和动位移。 (2) 变形。如静态挠度、静态应变等。 (3) 力。如索的张拉力。
(4) 动力参数。如速度、加速度、可转换成频率、振动,再转换成张力、位移。 (5) 外观和完整率。如气蚀、磨损、裂缝、剥落。
(6) 物理化学现象。如混凝土碱集料反应、混凝土中性化(碳化、酸雨、氯蚀)、钢材锈
蚀。
(7) 环境。如风速(向)、空气(或桥体)温度、地震、交通量(和荷载)。 2. 桥梁监测系统与手段
桥梁监测系统由传感器(包括倾角传感器、加速传感器、温度传感器、应力传感器、拉力传感器、压力传感器、位移传感器、湿度传感器等)、信号调理模块、传输模块、数据采集系统、健康监测模型、预警模块等组成。桥梁健康监测模型如图一所示。主要仪器包括位移(量程)计、倾斜仪、(高程、方位、距离)测量设备、GPS、数字成像机;位移传感器、电阻应变仪、压电式应变仪、振弦应变仪、分布式光纤应变计;压力环、磁弹性张力计、油压计、剪力销等;速度计、伺服(或压电)加速度计算;刻度放大镜、数字成像机、超声探测仪、地面雷达等;化学试剂试验、由外观特征判断、钢筋锈蚀仪;风向(速)计、空气(或埋入式)温度计、当地的地震观测数据、交通量观测仪、埋入(或移动)式称重仪、摄像机等。
首先各种传感器采集桥梁运行过程中的各种形态变化,经过信号调整后,通过传输模块传输回总控制监测室,总控中心有大型的数据采集系统针对桥梁总体的各种信号进行采集,将采集到的信息记录并由健康监测模型分析,当桥梁变形超差振动超差位移超差应力超差时,启动预警模块,为桥梁维护人员提供维修维护信息,避免桥梁因在非健康状态下使用而导致垮塌等引起的财产损失 。
二、桥梁施工控制
桥梁施工控制技术,就是把现代控制理论应用在桥梁施工工程中,确保施工过程中,桥梁结构的内力、变形一直处于允许的安全范围内,确保最终的实际桥梁变形和内力符合设计理想的变形控制、应力控制、稳定控制的综合体现。
(一) 桥梁施工控制方法
桥梁施工控制方法可分为事后控制法、预测控制法、自适应控制法和最大宽容度控制法几种。
1. 事后控制法是指在施工中,当已成结构状态与设计要求不符时,可通过一定手段对
其进行调整,使之达到要求,这种方法现在已应用不多。
2. 预测控制法是在考虑施工方案和影响桥梁状态的诸多因素而确定桥梁的应变和应
力的理想状态后边(称控制理想状态),针对施工过程中,由于实际情况和假定诸因素之间不一致而产生误差(这些误差值由监测测试系统反馈后),在调试系统中进行修正,在给定下一步的数据,对结构的每一个施工阶段形成的前后的状态进行预测,使施工实际沿着预定的理想状态进行的控制方法。这种方法是采取纠偏终点控制方法,即在施工过程中,对产生主梁线性偏差的因素跟踪控制,随时纠偏,最终达到理想线形,这种方法常用卡尔曼(Kalman)滤波法和灰色理论等。
3. 自适应控制法也称为参数识别修正法,是指在控制开始时,控制系统的某些设计参
数与实际情况不完全相符,系统不能按设计要求得到符合实际的输出结果,但是在系统的运行过程中,通过系统识别或参数估算,不断修正参数,使设计输出与实际输出相符,从而得到控制。这种方法是应用现代控制理论中的自适应控制法,即对施工过程中的标高和内力的实测值与预计值(设计值)产生偏差的原因,从而对参数进行修正,达到双控的目的。
4. 最大宽容度控制法是是误差的容许值法,即在设计时给予主梁标高和内力最大的宽
容度,这种方法减少了控制的难度。 影响桥梁施工控制的因素主要有结构参数、施工误差因素、监测因素和结构分析计算模型、温度变化与材料收缩影响、徐变因素等。结构参数包括材料密度、结构部件截面尺寸、材料弹性模量、材料的热膨胀系数、施工荷载及预加应力或索力等,监测包括温度、应力和变形监测等内容。
(二) 各种桥梁的施工控制特点
施工控制最基本的要求是保证施工中安全和结构恒载内力及结构线形符合设计要求。由于桥梁结构形式和施工方法有许多种,对于具体某一座桥梁的施工控制又有它的侧重点。
1. 斜拉桥施工时,在主梁悬臂浇筑或悬臂拼装过程中,确保主梁线形和顺,正确是第
一位的,施工中以标高控制为主。所谓以标高控制为主,并非只控制主梁的标高,而不顾及拉索索力的偏差。施工中应根据结构本身的特性和施工方法的不同,采取相应的控制策略。若主梁刚度较小,斜拉索索力变化了很多,而悬臂端挠度的变化却非常有限,施工中应以拉索张拉吨位进行控制,然后根据标高的实测情况,对索力作适当的调整。此时标高、线形的控制主要是通过混凝土浇筑前底模标高的调整(悬臂浇筑方法)或预制块件接缝转角的调整(悬臂浇筑方法)来加以实现的。 2. 悬索桥的主要承重结构是主索,主索在施工中又是悬索吊装的主要承重结构,主索
一经架好,它的长度和线形调整很小,为了确保悬索内力和线形符合设计要求,主索的无应力长度(下料时的长度)要严格加以控制,尤其对基准束的尺寸要更加重视。对于加劲梁的拼装,为了保证符合设计线形,吊杆的下料长度(无应力长度)将又是一个控制重点。可以看出,为了使在无应力状态下结构各部分的尺寸准确无
误,故要有一个符合结构实际的计算程序。在施工过程中除了主索和加劲梁外,对桥塔受力、索鞍偏移、吊杆和主索索股受力均匀性等应严加跟踪控制,以保证应力和线形的双控制实现。
3. 大跨度混凝土拱桥同样按安全、线形和恒载内力的要求进行施工控制。由于大跨度
混凝土拱桥拱肋截面多采用底板、侧板、顶板分次浇筑完成的组合截面,必然造成结构挠度和内力的重分布,为了确保拱肋应力和变形符合设计要求,要严格进行双控,但拱肋的形成一般要靠劲性骨架进行浇筑,其拱肋各段是在工厂放样加工制作的(无应力长度),骨架一经和龙,今后无法进行大的调整,所以大跨度混凝土拱桥的施工控制,首先要把好骨架无应力长度控制这一关,然后,做好拱肋混凝土浇筑的跟踪施工、控制,确保拱肋应力和标高符合要求。拱桥是以受压为主的结构,对于施工过程中结构的稳定性要给予关注。 4. 预应力混凝土连续梁或连续刚构相对斜拉桥而言,没有斜拉索,其施工控制与斜拉
桥主梁相同。 凡是以悬臂浇筑或悬臂拼装施工的桥梁,都是逐节段向前推进的,施工控制中常采用逐节段跟踪控制的方法。

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