基于应变的桥墩垂直度监控方法研究

耿　波,段琼林,孔小军,彭　左

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆市 400067;2.中铁七局集团有限公司,河南郑州 450000)

基于应变的桥墩垂直度监控方法研究

耿波1,段琼林2,孔小军2,彭左2

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆市 400067;2.中铁七局集团有限公司,河南郑州 450000)

以江西寻全高速公路为依托,研究基于应变的山区桥梁高墩垂直度监控方法。参考铁路相关规范,根据桥墩高度得到墩顶位移的限值,然后采用数值模拟方法得出桥墩墩底两侧应变差限值,通过实测墩底两侧应变差来监控桥墩垂直度,最后将该方法应用于依托工程。

应变;高墩;垂直度;施工监控

0　引言

近年来,随着设计水平的提高和施工技术的成熟,高墩在山区桥梁建设中的应用越来越频繁,墩身高度超过100 m的也已屡见不鲜「1]。大量的事实表明,桥墩设计的合理性以及施工质量,往往决定了整座桥的质量「2]。其中桥墩垂直度不仅影响着桥梁的稳定性和承载能力,且对全桥的成桥线形、内力分布以及施工安全性都有一定影响「3]。

测定高墩垂直度的方法中最简单的是悬吊垂线法,缺点是在高墩上面无法固定悬吊垂线的钢丝。人们通常采用经纬仪、光学垂准仪、激光仪来测定高墩的垂直度「4],但光学仪器受到温度的影响较大「5],增加了测试中的不确定性。

本文以江西寻全高速公路为依托,通过数值模拟方法研究基于应变的山区桥梁高墩垂直度监控方法,并将该方法应用于依托工程桥墩垂直度监控中。

1　工程概况

根据江西寻全高速公路的特点,选取具有代表性的桂云山高架桥为依托工程。桂云山高架桥位于寻全高速公路寻乌至信丰段(B6合同段)。桥梁设计荷载等级为公路-I级,桥面净宽9.75 m。地震动峰值加速度为0.05 g。桥梁上部结构采用预应力混凝土(后张)小箱梁,先简支后连续,全桥共2联,跨径布置为4×40 m+5×40 m。桥梁下部结构采用柱式台,1、7、8号桥墩采用实体墩,其余桥墩采用空心墩,墩台采用桩基础。

本文选取桂云山高架桥右7号桥墩开展数值模拟分析及现场实测,桥墩截面见图1。

图1　桥墩截面图(单位:cm)

2　数值模拟分析

2.1方法简介

为了开展基于应变的山区桥梁高墩垂直度监控方法研究,首先进行高墩的数值模拟计算,本文采用Midas FEA模拟桥墩施工过程,寻找墩底两侧应变差与墩顶位移之间的关系,期望通过监控墩底两侧应变差来达到桥墩垂直度监控的目的。

我国公路规范未对桥墩墩顶水平位移进行规定,本文参考斜拉桥、悬索桥主塔以及铁路桥涵相关规定。斜拉桥、悬索桥主塔验收允许偏差为倾斜度不超过塔高的1/3 000且不大于30 mm。《铁路桥涵工程施工质量验算标准》(TB10415-2003)「6]的要求施工中墩身中心线与设计位置的偏差度小于墩身高度的1/3 000且不大于20 mm。本文依托工程桥梁右7号墩高度为55.15 m,故桥墩墩顶水平位移限值为18.38 mm。通过数值模拟分析计算出墩底两侧应变差与墩顶位移的关系,即可得到墩底两侧应变差的限制。

2.2有限元模型

采用有限元软件Midas FEA建立桥墩模型,桥墩截面见图1,墩高55.15 m。有限元模型共有节点5 832个,单元61 640个。墩身采用C35混凝土,承台采用C30混凝土。有限元模型见图2。

图2　有限元模型

模型边界约束为承台底部固结,施加的荷载除了自重以外,还施加了桥墩两侧温差,通过现场实测,采用桥墩两侧平均温差2.81℃。模拟桥墩从第8模施工到第24.5模的过程,其中每模高度为2.25 m。

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2.3计算结果

选取与实际传感器布置点一致的10个测点进行分析,提取墩底和墩底4.5 m处各测点应变,墩底截面各测点应变见表1,墩底4.5 m处截面各测点应变见表2,表中应变拉为正,压为负。

由表1可以得出,桥墩墩底两侧应变差最大值为30.28με,由表2可以得出,桥墩墩底4.5 m处两侧应变差最大值为27.87με,该最大值可作为实测桥墩应变差来监控垂直度的参照值。

表1　墩底截面各测点应变

表2　墩底4.5 m处截面各测点应变

3　现场实测

3.1测点布置

本文在桥墩墩底及4.5 m截面处埋设振弦式传感器测量应变,测点布置在角点、短边中点以及长边3分点处,传感器编号及测点位置见图3和图4。

图3　墩底传感器编号及测点位置图

3.2传感器埋设与数据采集

现场采集数据尽量选择无风、上部无施工偏载的情况下进行,以保证实测数据的稳定性。数据采集工作照片见图6。

图6　墩底应变数据采集

3.3数据分析

将实测数据统计整理,得到施工过程中桥墩两侧的平均应变变化曲线,墩底两侧应变变化曲线见图7,墩底4.5 m处两侧应变变化曲线见图8,图中横坐标以浇筑混凝土模数表示,纵坐标为平均应变。

图7　墩底平均应变变化曲线

图8　墩底4.5 m处平均应变变化曲线

从图7可看出,桥墩墩底两侧应变均为压应变,且随着上方混凝土的浇筑,两侧压应变均不断增加。两侧应变的差值反应了桥墩的垂直度状况。从图中可知,桥墩高度较低时,两侧应变差值较小。随着桥墩高度的增加,两侧应变差值相对较大,最大应变差值为11.7με,小于墩底应变差限值30.28με,施工过程垂直度控制满足规范要求。

从图8可看出,桥墩两侧应变均为压应变,可能受上部施工荷载影响,其值随着凝土的浇筑来回波动。从图中可知,桥墩4.5 m处两侧应变差值相对较大,最大应变差值为20.5με,但仍小于墩底应变差限值27.87με,施工过程垂直度控制满足规范要求。

4　结语

本文采用Midas FEA进行桥墩施工过程模拟,通过墩顶位移限值计算出墩底两侧应变差限值,以该限值为参照进行桥墩垂直度监控。通过墩底截面及墩底4.5 m处截面的现场实测监控,其应变差值均未超过相应的限值。通过本文的研究,证明了基于应变的桥墩垂直度监控方法的可行性,可为类似工程垂直度监控提供参考。

「1] 陈健.公路桥梁高墩施工阶段稳定性分析与施工控制技术「D].湖北武汉:武汉理工大学，2012.

「2] 方鸿.跨铁路高墩连续刚构桥稳定性研究及风险分析「D]. 湖南长沙:长沙理工大学，2012.

「3] 李易蓉.桥梁高墩的垂直度控制 「J].中国水运，2009，9(5): 224-225.

「4] 桑鹏宇.桥梁高墩测量控制方法浅析「J].公路交通科技，2010(8): 224-225.

「5] 宋嘉.超高墩垂直度控制技术与限值研究「D].重庆:重庆交通大学，2012.

「6] TB10415-2003，铁路桥涵工程施工质量验收标准「S].

U442.4

A

1009-7716(2015)12-0048-03

2015-08-07

江西省交通运输厅科技项目(2014C0004)

耿波(1979-),男,山东淄博人,高级工程师,博士,从事桥梁科研工作。