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【工程技术】组合结构桥梁步履式顶推施工应力监控策略研究!

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1 、概述

应力是结构强度的直接表征,准确掌握和控制施工过程桥梁结构的应力对于施工过程的结构安全具有非常重要的意义。组合结构桥梁钢结构部分由于具有高强轻质、对结构变形适应性强等特点,该类桥梁常采用顶推法施工,该法施工可显著减少大临设施的设置,如: 临时墩,具有显著的经济效应。但钢梁顶推过程中由于结构状态的不断改变,结构受力复杂,为精确把握顶推过程的结构受力状态,需对施工过程进行监控。如何以尽可能小的投入实现顶推过程的结构应力监控值得关注。

2 、应力监控要点分析

对于组合结构桥梁,顶推施工的是其钢结构部分,其顶推重量较轻,顶推跨度可适当加大,可在无临时支墩或少临时支墩条件下进行顶推,这是组合结构顶推施工与混凝土结构或钢结构桥梁顶推施工的最大区别之处。在九堡大桥顶推施工过程中,主桥仅设一个临时支墩,引桥不设临时支墩; 且钢梁设计精细,除了腹板处,其他地方均很薄弱,顶推作用点只能在钢梁腹板位置,顶推过程结构受力复杂,若控制不当恐引发施工风险,施工过程的应力监控因此显得非常重要,且对施工应力监控提出了很高的要求。具体说来,组合结构顶推施工应力监控具有以下要点:

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2. 1 应力监测的特殊性

关于顶推施工组合桥梁的应力监测有其独特之处,首先属于复杂体系的多状态测量,测点布置要求能满足对整个施工过程结构最不利受力状态的把握;其次是野外环境条件下的长期测试,持续时间从几个月到数年之久,测量所采用的传感器、采集设备必须具有相当的可靠性和耐久性。

2. 2 应力控制的特殊性

顶推施工组合结构应力控制也具有其特殊性。如在整个施工过程中,结构体系不断变化,顶推力作用位置不断变化,结构最不利受力部位并非一成不变;且应力变化的速度也比其他方法施工的桥梁要快得多。如何确定采样频率、如何有效监测最不利部位的受力情况是应力监控的重点问题。

2. 3 结构体系的多应力监控

组合结构顶推施工中顶推力较为集中,顶推过程中自平衡力的控制、钢主梁与拱肋框架的安全和稳定是顶推施工过程中的控制重点; 且临时设施均是重要受力构件较其他施工方法重要性更强,保障临时设施的安全是整个顶推施工的基础性工作,也需要重点进行应力控制。

3 、应力监控策略

以上针对组合结构桥梁顶推施工的应力监控要点进行了分析,以下将根据上述要点从测量方法、数据处理方法和测点布置几个方面拟定组合结构顶推施工的监控策略。

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3. 1 测量方法选择

目前,振弦式应力/应变传感器在桥梁施工监测中已应用较为普遍。对于顶推施工的桥梁结构,以依托工程为例,采用循环托举顶推,一个顶推步骤及耗时。步履式顶推施工桥梁结构的前移是做刚体运动,边界条件的变化是间断式,这不同于拖拉法中边界条件是连续变化的,且边界条件变化一次的最短时间为8min。因此,步履式顶推施工过程中,主体结构应力变化的时间间隔是8min,采用振弦式传感器完全能满足组合结构应力监测要求。步履式顶推施工步骤及耗时

3. 2 数据分析方法

在采用弦式传感器进行结构应力测试时,其数据处理方法因待测对象不同而异。对于钢结构的表面的应力可直接由下式计算得到:σ = Esε测( 1)而对于混凝土的应力,由于影响混凝土的应变因素包括测试受力、温度、徐变及收缩,在持续荷载作用下,混凝土的总应变εm可用下式表示:εm = ε弹+ ε徐+ ε收缩+ ε温度( 2)式中: ε弹为荷载引起的弹性应变; ε徐为荷载持续作用的徐变应变; ε收缩为混凝土自身的收缩应变; ε温度为不均匀温度场及温度场的整体变化引起的温度应力所产生的混凝土应变。其中,ε收缩、ε温度不受荷载变化的影响,称为混凝土的自由体积应变。混凝土的自由体积应变在不受周围混凝土或其他边界的约束时,不会引起混凝土的内部应力。由于混凝土自由体积应变的变化规律较为复杂,为了得到可靠的混凝土应力实测资料,必须对混凝土的自由体积应变进行实测,以便对混凝土的无应力应变进行补偿,从实测的混凝土总应变中扣除无应力应变,然后通过ε弹乘上弹性模量则得到实测的应力。

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3. 3 应力测点布置策略

对于不同的施工方法、不同的桥梁结构,应力测点的布置位置是存在差异的。测点布置应根据应力预测结果,选择最不利受力部位或截面进行监测,各截面的测点布置要求监测截面应力最大点、且能反映应力在截面上的分布规律。对于顶推施工的组合结构,考虑到其整体刚度比混凝土结构或钢结构都要小,应力测点布置策略如下:

( 1) 位于顶推前端的3 跨主梁的正负弯矩及变化幅度均较大,是应力监控的重点区域,应力测点在截面上的布置要能反映应力分布规律。

( 2) 承受顶升、顶推荷载的腹板、底板较薄弱,局部稳定问题相对要突出,对承受最不利竖向顶升荷载作用区域的局部应力监测。

( 3) 根据顶推临时墩支点反力的包络分析结果,在各轮次顶推施工时,动态选择受力最不利的临时墩应力进行监测。

( 4) 导梁上墩前后,其根部受力从承受最大负弯矩到最不利正弯矩,须重点进行导梁根部区域上下缘应力监测。

( 5) 顶推施工过程中最不利受力部位及工况并非一成不变,应力监测部位、监测频率应根据顶推过程做相应的动态调整。

( 6) 顶推施工过程的应力监测,要注重时效性和可靠性,选择关键部位、关键工况进行实时监测、实时分析,确保对顶推结构、临时设施应力状态和安全状况的及时、准确掌控。


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