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1、京沪高速铁路跨京开高速公路中承式钢箱拱桥监控、监测方案京沪高速铁路跨京开高速公路32.1+108+32.1 m中承式钢箱拱桥监控、监测实施方案土木工程学院 桥梁工程系二九年十月I目 录目 录I1工程概况12监控、监测方案制定依据33施工控制的目的、方法与原则、内容43.1施工监控、运营监测目的43.2施工控制、运营监测的方法和原则43.3施工控制、运营监测的内容64施工控制技术方案64.1施工控制方法64.2 施工控制的预测计算、误差分析和调整74.3 施工控制计算分析方法134.4 现场实时控制145施工监控、运营监测方案155.1监控计算分析工作155.2环境参数监测155.3线形监测16
2、5.4温度监测185.5应力监测205.6吊杆应力和预应力系杆索力监测225.7施工临时结构监测236 数据采集、传输系统236.1自动化采集系统方案的设计原则及选择236.2光纤仪器监测系统组成及功能256.3光纤仪器监测系统特点257 施工监控技术方案的保障措施268 项目组成员279 经费预算28京沪高速铁路跨京开高速公路中承式钢箱拱桥监控、监测方案1工程概况本桥位于北京附近，为京沪高速铁路北京特大桥的节点桥之一，跨京开高速公路，铁路与高速公路交叉夹角8110，桥位处高速铁路为平坡、直线。跨京开高速公路主桥采用（32.1+108+ 32.1）m中承式钢箱混凝土拱式连续梁体系，如图1-1所
3、示。D130和D131号墩拱脚支座设在承台顶，无墩身，D129号和D132号桥墩采用流线形圆端实体墩。基础均采用钻孔桩基础，D129号和D132号桥墩采用直径1.25m钻孔灌注桩，D130和D131号墩采用直径1.5m钻孔灌注桩。本桥为京沪高速铁路双线桥，设计时速为350 km/h；线间距为5.0m，采用CRTS型板式无砟轨道。拱肋中心距12m。主跨拱肋矢高采用25m（系杆中心线上下各为12.5m），矢跨比为1/4.32。边拱肋中心距12m，矢高11.75，矢跨比为1/5.19。主拱肋及边拱肋拱轴线均采用二次抛物线。主拱肋和主纵梁固结。主跨桥面以上设一道一字横撑和二道K撑，桥面以下设两道K撑；
4、边跨桥面以下设一字横撑。吊杆对应主跨小横梁设置，间距5.4m，全桥共设11对吊杆。图1-1 全桥结构图边拱肋和主拱肋采用变截面钢箱混凝土截面，主纵梁采用钢箱截面。主拱肋截面宽1.6m，截面高度由拱顶2m到理论拱脚处2.6m，上下翼缘板厚除拱梁固结点处厚44mm外，其余均为32mm，腹板厚除拱梁固结点处厚44mm外，其余为28mm。主拱肋上下翼缘板各设一道纵向加劲肋，腹板设三道纵向加劲肋。边拱肋截面宽1.6m，截面高度由拱顶1.9m到理论拱脚处2.6m，上下翼缘板厚28mm,腹板厚24mm。边拱肋钢箱在转体前支架上灌注混凝土；主拱肋钢箱在转体到位，支座安装后完成体系转换，主拱肋顶升灌注混凝土。主
5、纵梁截面宽1.6m，高2.1m，上下翼缘板厚除拱梁固结点处厚44mm外，其余均为36mm，腹板厚除拱梁固结点处厚44mm以及边拱肋和主纵梁合并段厚24mm外，其余为28mm。主纵梁顶面焊有剪力钉与混凝土桥面连接。同时主纵梁内设置四束预应力系杆，预应力系杆采用OVM.GJ15B-31钢绞线整束挤压拉索，每个主纵梁内施加13000KN的预加力。拱梁固结点处主拱肋上、下翼缘板在主纵梁翼缘板处断开，并与主纵梁翼缘板熔透焊接，在拱梁固结点内部主拱肋翼缘板同样与主纵梁翼缘板焊接，保证纵梁传力匀顺。主拱肋内侧腹板在主纵梁上翼缘板处断开，与主纵梁上翼缘板上下面焊接。桥面采用纵横梁体系结合梁桥面，混凝土桥面板通
6、过主纵梁、小纵梁、横梁上布置剪力钉连接。除端横梁采用箱形截面外，其余横梁和小纵梁均采用工字形截面。纵横梁顶面与主纵梁顶面平齐，横梁间距有4.5m、5.4m、5.0m、5.816m、5.784m和5.95m共6种，梁高除端横梁为4.55m外其它横梁为2.1m，横梁截面根据其所处的部位分为三种类型，即端横梁、小横梁和固结点横梁，端横梁为顶宽1.5m，小横梁翼缘宽600mm，固结点横梁翼缘宽800mm。端横梁伸出牛腿长1.87m，相邻简支梁压在牛腿上，作为平衡边墩负反力的压重。本桥为双线高速铁路桥，设4片小纵梁，每线两片，间距2.0m，两线之间小纵梁间距3.0m；小纵梁梁高1.0m，翼缘板宽450m
7、m。小纵梁连续设置，不设伸缩纵梁。混凝土桥面板顶为平坡，桥面板宽13.6m，厚30cm，通过保护层形成排水坡。桥面板在拱梁固结点至边拱肋支墩顶范围局部设纵向预应力钢束，在先浇段混凝土达到设计强度后张拉。吊杆直径120mm，吊杆及其锚具为配套成品。吊杆对应中跨横梁设置，吊杆间距5.4m，全桥共22根。吊杆上下销轴中心距为2.9829.490m，单根吊杆长度大于5.52m时，需要两根吊杆杆体通过调节套筒连接成一个长吊杆，本桥共8根短吊杆，14根长吊杆，吊杆初张力20150KN。京开高速公路由主辅四条车道组成，行车道断面宽65m，交通异常繁忙。桥位处京开高速公路高出地面约10.2m，边坡坡度约为1：
8、1.5，以花砖防护，两侧地势较为平坦开阔，地表多为果园及耕地。高速铁路线位左侧是既有京山铁路，其中心距京山铁路限界最小距离为33.5m。本桥位于第三层，第一层为既有京山铁路，第二层为京开高速公路跨京山线公路桥，公路桥台尾距高速铁路线路中心最近处约12m。北京地区属暖温湿润带季风气候，四季分明，春季干旱多风沙、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷干燥。年平均气温11.4，最热（7月份）月平均气温为25.6， 极端最高温度达 40.6，最冷（1月份）月平均气温为-4.4， 极端最冷气温达-17.7。年最大风速为21.7m/s，风向为NWN。全年可施工期长，对施工有利。地震动峰值加速度：50年超越概
9、率10%水平的地震动峰值加速度：0.20g（地震基本烈度度）；地震动峰值加速度反映谱特征周期划分：1区；场地类别：类场地。桥位处表层局部为人工堆积层，其下依次为第四系全新统冲积层及第四系上更新统冲洪积层， 全新统冲积层厚约12m，岩性以细砂、粉质黏土、粉土为主，第四系上更新统冲洪积层岩性以粉质黏土、细砂、中砂、圆砾土为主，较好的土层为圆砾土层，厚约7m，距地表约50m，深度适中，适合做钻孔桩基础的持力层。孔深86m87m为强风化砂岩，87m以下为中等风化石灰岩，基本承载力800 kPa。为保证本拱桥在施工过程中的安全和施工质量，成桥后结构的内力状态与线型满足设计要求，运营后环境因素及列车荷载等
10、对线形应力的影响规律，并结合本桥的施工方案特制定本桥的施工监控及运营后的监测方案。2监控、监测方案制定依据（1）铁道第三勘察设计院集团有限公司. 京沪高速铁路跨京开高速公路（32.1+108+ 32.1）m中承式钢箱混凝土拱桥施工图设计. 2007.12；（2）中铁十七局集团公司京沪一工区项目经理部. 京沪高铁跨京开高速公路转体钢箱拱桥施工方案. 2009；（3）新建时速300350公里客运专线铁路设计暂行规定（铁建设函200747号）；（4）铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）；（5）铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.2-2005）；（6）铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝
11、土结构设计规范（TB10002.3-2005）；（7）铁路结合梁设计规定（TBJ24-89）；（8）铁路桥涵工程施工质量验收标准（TB10415-2003）；3施工控制的目的、方法与原则、内容3.1施工监控、运营监测目的本中承式钢箱混凝土拱桥为高速铁路桥梁，设计速度达到350 km/h。为了不影响京开高速公路的正常通行，采用顺京开高速公路方向拼装节段，再进行水平转体施工、最后合拢的方案施工。为了确保在施工过程中结构受力和变形始终处于安全的范围内，且成桥后的线形符合设计要求，结构恒载内力状态接近设计期望，在施工过程中必须进行严格的施工控制。在施工过程中，由于材料物理性质、混凝土收缩徐变、恒载、施
12、工荷载、温度以及施工测量等方面的因素影响，桥梁施工中节段的实际测量值常常与原理论设计值存在偏差。值得注意的是，坐标偏差具有累积的特性，若对该偏差不加以及时有效的调整，随着节段拼装长度的增加，会显著偏离设计值，造成合龙不顺、影响成桥的内力和线形。本项目旨在通过桥梁施工控制理论与本拱桥施工方法相结合的方法，对本桥施工过程进行严格的控制和调整，即根据施工过程中实际发生的各项影响桥梁线形的参数，结合施工过程中监测的坐标和应力，跟踪分析各施工阶段中内力和变形与设计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，并确保在桥梁建成以后的内力状态与外形曲线与设计相符、且满足相关
13、规范要求。京沪高速铁路是我国第一条高速铁路，当桥梁建成投入运营后，除了材料自身性能的变化外，还受到各种环境荷载（温度、风等）及高速列车荷载等影响。国内对高速铁路拱桥的监测还比较少，环境荷载及高速列车动载作用对桥梁的影响规律还有等进一下的研究。在运营后通过对桥梁的结构响应与行为以及桥梁所处的工作环境进行实时监测，评估桥梁结构的健康状态，为桥梁的设计提供参考、为桥梁的管理与维护提供科学的决策依据。3.2施工控制、运营监测的方法和原则基于大跨度桥梁控制理论的角度，桥梁结构施工控制的方法主要有：开环控制法、闭环控制法（反馈控制法）和自适应控制法。（1）开环控制法对于跨径不大，结构简单的桥梁结构，一般总
14、是可以在设计计算中按照桥梁结构的设计荷载精确计算出成桥阶段的结构理想状态，并且根据各个施工阶段的施工荷载估计出结构的预拱度，在施工过程中只要严格按照这个预拱度进行施工，施工完成后的结构状态就基本上能够达到结构理想状态的几何线形和内力状况。因为在这种施工过程中的控制作用是单向前进的，并不需要根据结构的实际状态来改变原来设定的预拱度，因此被称为开环控制方法。由于这个系统不考虑结构状态方程的误差和系统量测方程的噪声，因此又称为确定性控制方法。（2）闭环控制法对于跨径大、结构又复杂的桥梁体系，尽管可以在设计计算中精确计算出成桥状态和各个施工阶段的理想结构状态，但是由于施工中的结构状态误差和测量系统误差
15、的存在，随着施工过程的进展误差就会累积起来，以致到施工完毕时，代表实际状态的几何线形和内力状况远远偏离了结构理想状态，这就要求在施工误差出现后，必须进行及时的纠正或控制。虽然结构理想状态无法实现了，但可以按照某种性能最优的原则，使得误差已经发生的结构状态达到所谓的结构最优状态。因为这种纠正的措施或者控制量的大小是由结构实际状态（计入误差）经过反馈计算所确定的，这就形成了一个闭环反馈系统，因此称为闭环控制或反馈控制。（3）自适应控制法虽然闭环控制方法能够通过控制作用，消除由模型误差和量测噪声所引起的结构状态误差，但是这种随机性控制方法只是在施工误差产生以后，用被动的调整措施减少已经造成的结构状态误差对最终结构状态的影响。分段施工中实际结构状态达不到各个施工阶段理想结构状态是误差生成重要原因之一，并会使系统模型-结构有限元模型中的计算参数（例如截面几何特性、材料容重、弹性模量、混凝土收缩徐变等）与实际参数之间有偏差。如果能够在重复性很强的分段施工特别是悬臂施工中，将这些可能引起结构状态误差的参数作为未知变量或者带有噪声的变量，在各个施工阶段中进行实时识别，并将识别得到的参数用于下一个阶段的实时结构分析、重复循环，这样经过若干各施工阶段的计算与实测磨合后，必然可以使系统模型参数的取值趋十精确合理，使系统
