預(yù)應(yīng)力混凝土索塔位移監(jiān)測(cè)與變形分析

預(yù)應(yīng)力混凝土索塔位移監(jiān)測(cè)與變形分析

杭州文輝大橋是一座橫跨列車站的城市橋梁。主橋全長(zhǎng)450米，為預(yù)制混凝土斜橋，距（103.240和103）m。斜拉索采用雙索面扇形布置,每塔兩側(cè)各有19對(duì)拉索,單索最大拉力為5700kN。斜拉索采用?7mm鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲索,拉索兩端采用冷鑄錨,索外包擠黑色和彩色PE防護(hù)套各1層。文輝大橋主塔為折線H形,塔高80m,由樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁、上橫梁等組成。下塔柱為實(shí)心結(jié)構(gòu),其上、下部尺寸分別為5.5m×3.0m、5.5m×4.5m;中塔柱為空心斜柱,單室箱形截面,尺寸5.5m×3.0m,壁厚分別為60cm和90cm;上塔柱為空心直柱,是斜拉索錨固區(qū)段,單室箱形截面,尺寸5.5m×3.0m,斜拉索錨固側(cè)壁厚120cm,其余兩側(cè)厚60cm。塔身材料采用C50混凝土。索塔由于受兩側(cè)不對(duì)稱索力、季節(jié)及日照溫差、風(fēng)力等因素的影響,將產(chǎn)生橫橋向和順橋向的偏移,其中以順橋向?yàn)橹?。索塔的變形不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)本身的安全,還影響到斜拉索的拉力、主梁節(jié)段定位和內(nèi)力、全橋合龍后的整體線形,因此在施工中對(duì)主塔的偏位進(jìn)行監(jiān)控成為斜拉橋施工控制的一個(gè)重要組成部分。1索塔施工控制測(cè)點(diǎn)布置索塔偏位包括水平和豎直2個(gè)方向的位移,文輝大橋施工監(jiān)控主要對(duì)塔頂在水平方向的偏位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)量控制點(diǎn)在橋梁施工控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立,文輝大橋主橋施工監(jiān)控以杭州市勘測(cè)規(guī)劃研究院提供的全橋平面和高程控制網(wǎng)作為監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)。該控制網(wǎng)等級(jí)較高、形式良好且穩(wěn)定性好。常用的索塔變形觀測(cè)方法有測(cè)角法、測(cè)邊法、邊角交匯法、極坐標(biāo)法、天頂法等,各有其優(yōu)缺點(diǎn)。由于監(jiān)控方采用了先進(jìn)的SOKKIASET2010型全站儀,考慮到儀器特點(diǎn)及觀測(cè)方法的簡(jiǎn)便易行,決定采用極坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)。測(cè)量時(shí)將儀器置于工作基站上,輸入基站坐標(biāo)和起始方位角后,只需照準(zhǔn)塔頂棱鏡測(cè)得方位角和距離,經(jīng)儀器計(jì)算即可得到該點(diǎn)坐標(biāo)。為提高觀測(cè)精度,每次均采用兩測(cè)回讀數(shù)。索塔施工完成后,在每根塔柱頂部靠近主梁側(cè)布置1個(gè)反射棱鏡(見圖1)。由于橋梁跨越列車編組站,車輛過往頻繁,受地形位置和測(cè)距所限,對(duì)2個(gè)主塔分別設(shè)置了測(cè)站(見圖2)。將全站儀和后視棱鏡均置于坐標(biāo)已知且穩(wěn)定的控制點(diǎn)上,測(cè)出棱鏡的初始坐標(biāo),并以此坐標(biāo)為基準(zhǔn),以后主梁每一節(jié)段施工完畢均對(duì)塔頂坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。由于施工控制測(cè)點(diǎn)采用的均為杭州城市坐標(biāo)系,橋梁中線與城市坐標(biāo)系的x軸存在1個(gè)交角α0,而施工控制更關(guān)心的是塔頂沿順橋向和橫橋向的位移值,因此將每次所測(cè)得的坐標(biāo)值減去基準(zhǔn)值得到塔頂?shù)淖鴺?biāo)變化值后,再用以下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將塔頂變位值轉(zhuǎn)換為順橋向和橫橋向的偏位值。{Δx′nΔy′n}=[cosα0?sinα0sinα0cosα0]{xn?x0yn?y0}{Δx′nΔy′n}=[cosα0sinα0-sinα0cosα0]{xn-x0yn-y0}2儀器測(cè)距誤差的測(cè)定采用全站儀測(cè)量空間點(diǎn)的坐標(biāo),誤差主要包括控制點(diǎn)本身的點(diǎn)位中誤差、架設(shè)儀器誤差、測(cè)距誤差、測(cè)角誤差等。由于每次觀測(cè)時(shí)都采用同一控制點(diǎn),它本身的誤差不影響觀測(cè)的精度;觀測(cè)時(shí)使用強(qiáng)制對(duì)中器,儀器對(duì)中誤差較小可忽略。因此偏位測(cè)量的精度可由下式計(jì)算:M2x,y=(cos2V)M2s+S2M2β/ρ2Μx,y2=(cos2V)Μs2+S2Μβ2/ρ2式中:Ms——測(cè)距中誤差,Ms=a+bS(a為固定誤差,b為比例誤差系數(shù),S為測(cè)距);Mβ——水平角觀測(cè)中誤差,Mβ=2√μ(μΜβ=2μ(μ為儀器標(biāo)定精度);V——豎直觀測(cè)角,ρ=206265。取最大觀測(cè)距離為300m,最大豎直角30°,儀器測(cè)距標(biāo)稱精度為±(2+2×10-6S)mm,測(cè)角精度為±2″,代入精度計(jì)算式,得Mx,y=±4.69mm。若采用兩測(cè)回,則Mx,y=±3.32mm,可見增加觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)可提高觀測(cè)精度。3索塔偏位測(cè)量根據(jù)上述觀測(cè)方法,監(jiān)控方在主梁每節(jié)段施工完畢即對(duì)索塔偏位進(jìn)行觀測(cè),并將偏位值與施工控制計(jì)算值相比較,若兩者的差異較大,則應(yīng)全面分析原因,制定相應(yīng)的糾偏方案,以確保索塔的線形和安全。以下是6號(hào)索塔偏位的觀測(cè)結(jié)果。由圖3可知,施工過程中索塔在主跨和邊跨拉索的不平衡拉力的作用下,出現(xiàn)了順橋向的偏位,其方向?yàn)槠蜻吙?且隨著主梁的不斷延伸,偏位值也在逐漸增大,至主跨合龍前順橋向的偏位值達(dá)到14cm。在主跨合龍后,隨著索力的調(diào)整和二期恒載的施加,塔頂迅速地向初始位置恢復(fù),施工完畢南側(cè)塔柱最后偏位值為3.2cm,北側(cè)塔柱為4.4cm。從圖3中還可以看出,南北兩塔柱在整個(gè)施工過程中,無論偏離方向還是偏離值都相當(dāng)一致,這表明兩側(cè)施加的索力較為均衡,索塔沒有出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)。在整個(gè)施工控制過程中,同時(shí)應(yīng)用平面和空間有限元程序?qū)Ω魇┕すr進(jìn)行了模擬計(jì)算。平面計(jì)算采用GQJS公路橋梁專用設(shè)計(jì)軟件,主梁和索塔采用平面梁?jiǎn)卧M;空間分析采用了浙江大學(xué)研究開發(fā)的三維有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。圖4所示為主梁第9～14段施工過程中6號(hào)索塔塔頂順橋向偏位的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較。由圖4可以看出平面理論計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏大,而空間理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值則吻合得比較好,這表明針對(duì)斜拉橋這種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),采用空間計(jì)算理論進(jìn)行施工控制的模擬計(jì)算更能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)。由圖5可知,索塔在橫向的偏位值比順橋向要小得多,但兩塔頂之間還存在著一定的橫向相對(duì)移動(dòng)。索塔的偏位除受荷載影響外,還受日照溫差的影響。當(dāng)日照溫差大時(shí)由其導(dǎo)致的變形將影響到主梁現(xiàn)澆節(jié)段的標(biāo)高定位,因此測(cè)量由溫度引起的索塔變形并用于對(duì)主梁節(jié)段立模標(biāo)高的修正也是必要的。下面以7月22日的測(cè)量為例說明溫差對(duì)索塔變形的影響。日照方向如圖6所示,由于橋梁軸線呈東西向,陽(yáng)光在不同的時(shí)間依次照射在索塔的東、南、西三面,而北面為背光面。圖7、8分別為塔頂順橋向和橫橋向位移隨氣溫的變化曲線,對(duì)比氣溫和偏位變化曲線可知,隨著氣溫的升高,偏位值逐漸增大,方向?yàn)閺臇|向西。氣溫在下午2∶00左右到達(dá)最高點(diǎn),陽(yáng)光照射面也由南面轉(zhuǎn)向了西南面,而偏位值還在由東向西繼續(xù)增長(zhǎng),并在下午4∶00左右達(dá)到峰值。偏位峰值之所以滯后于氣溫峰值,是由于索塔體積較大,溫度在索塔內(nèi)部的傳遞需要一定的時(shí)間。橫向位移的方向?yàn)橛赡舷虮?若扣除測(cè)量誤差的影響,數(shù)值要遠(yuǎn)小于縱向的位移值,可認(rèn)為受溫度的影響不明顯。由于斜拉橋的幾何線形受日照溫差的影響比較大,因此應(yīng)盡量在氣溫較為穩(wěn)定的夜間來進(jìn)行節(jié)段的立模標(biāo)高放樣和澆注混凝土,若該條件不能滿足,則應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)的溫度對(duì)線形的影響程度對(duì)節(jié)段的立模標(biāo)高進(jìn)行修正,以提高梁段施工的精度。4施工段的位移(1)斜拉橋索塔的位移受不對(duì)稱索力大小、季節(jié)和日照溫差等因素的影響較為明顯,在施工中應(yīng)考慮該位移對(duì)結(jié)構(gòu)安全及主梁節(jié)段定位、斜拉索長(zhǎng)度、成橋線形帶來的影響。(2)在主梁節(jié)段施工階段,由于索塔兩側(cè)索力的不均衡,導(dǎo)致索塔在順橋