基于應變的橋墩垂直度監控方法研究

耿　波,段瓊林,孔小軍,彭　左

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶市 400067;2.中鐵七局集團有限公司,河南鄭州 450000)

基于應變的橋墩垂直度監控方法研究

耿波1,段瓊林2,孔小軍2,彭左2

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶市 400067;2.中鐵七局集團有限公司,河南鄭州 450000)

以江西尋全高速公路為依托,研究基于應變的山區橋梁高墩垂直度監控方法。參考鐵路相關規范,根據橋墩高度得到墩頂位移的限值,然后采用數值模擬方法得出橋墩墩底兩側應變差限值,通過實測墩底兩側應變差來監控橋墩垂直度,最后將該方法應用于依托工程。

應變;高墩;垂直度;施工監控

0　引言

近年來,隨著設計水平的提高和施工技術的成熟,高墩在山區橋梁建設中的應用越來越頻繁,墩身高度超過100 m的也已屢見不鮮「1]。大量的事實表明,橋墩設計的合理性以及施工質量,往往決定了整座橋的質量「2]。其中橋墩垂直度不僅影響著橋梁的穩定性和承載能力,且對全橋的成橋線形、內力分布以及施工安全性都有一定影響「3]。

測定高墩垂直度的方法中最簡單的是懸吊垂線法,缺點是在高墩上面無法固定懸吊垂線的鋼絲。人們通常采用經緯儀、光學垂準儀、激光儀來測定高墩的垂直度「4],但光學儀器受到溫度的影響較大「5],增加了測試中的不確定性。

本文以江西尋全高速公路為依托,通過數值模擬方法研究基于應變的山區橋梁高墩垂直度監控方法,并將該方法應用于依托工程橋墩垂直度監控中。

1　工程概況

根據江西尋全高速公路的特點,選取具有代表性的桂云山高架橋為依托工程。桂云山高架橋位于尋全高速公路尋烏至信豐段(B6合同段)。橋梁設計荷載等級為公路-I級,橋面凈寬9.75 m。地震動峰值加速度為0.05 g。橋梁上部結構采用預應力混凝土(后張)小箱梁,先簡支后連續,全橋共2聯,跨徑布置為4×40 m+5×40 m。橋梁下部結構采用柱式臺,1、7、8號橋墩采用實體墩,其余橋墩采用空心墩,墩臺采用樁基礎。

本文選取桂云山高架橋右7號橋墩開展數值模擬分析及現場實測,橋墩截面見圖1。

圖1　橋墩截面圖(單位:cm)

2　數值模擬分析

2.1方法簡介

為了開展基于應變的山區橋梁高墩垂直度監控方法研究,首先進行高墩的數值模擬計算,本文采用Midas FEA模擬橋墩施工過程,尋找墩底兩側應變差與墩頂位移之間的關系,期望通過監控墩底兩側應變差來達到橋墩垂直度監控的目的。

我國公路規范未對橋墩墩頂水平位移進行規定,本文參考斜拉橋、懸索橋主塔以及鐵路橋涵相關規定。斜拉橋、懸索橋主塔驗收允許偏差為傾斜度不超過塔高的1/3 000且不大于30 mm。《鐵路橋涵工程施工質量驗算標準》(TB10415-2003)「6]的要求施工中墩身中心線與設計位置的偏差度小于墩身高度的1/3 000且不大于20 mm。本文依托工程橋梁右7號墩高度為55.15 m,故橋墩墩頂水平位移限值為18.38 mm。通過數值模擬分析計算出墩底兩側應變差與墩頂位移的關系,即可得到墩底兩側應變差的限制。

2.2有限元模型

采用有限元軟件Midas FEA建立橋墩模型,橋墩截面見圖1,墩高55.15 m。有限元模型共有節點5 832個,單元61 640個。墩身采用C35混凝土,承臺采用C30混凝土。有限元模型見圖2。

圖2　有限元模型

模型邊界約束為承臺底部固結,施加的荷載除了自重以外,還施加了橋墩兩側溫差,通過現場實測,采用橋墩兩側平均溫差2.81℃。模擬橋墩從第8模施工到第24.5模的過程,其中每模高度為2.25 m。

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2.3計算結果

選取與實際傳感器布置點一致的10個測點進行分析,提取墩底和墩底4.5 m處各測點應變,墩底截面各測點應變見表1,墩底4.5 m處截面各測點應變見表2,表中應變拉為正,壓為負。

由表1可以得出,橋墩墩底兩側應變差最大值為30.28με,由表2可以得出,橋墩墩底4.5 m處兩側應變差最大值為27.87με,該最大值可作為實測橋墩應變差來監控垂直度的參照值。

表1　墩底截面各測點應變

表2　墩底4.5 m處截面各測點應變

3　現場實測

3.1測點布置

本文在橋墩墩底及4.5 m截面處埋設振弦式傳感器測量應變,測點布置在角點、短邊中點以及長邊3分點處,傳感器編號及測點位置見圖3和圖4。

圖3　墩底傳感器編號及測點位置圖

3.2傳感器埋設與數據采集

現場采集數據盡量選擇無風、上部無施工偏載的情況下進行,以保證實測數據的穩定性。數據采集工作照片見圖6。

圖6　墩底應變數據采集

3.3數據分析

將實測數據統計整理,得到施工過程中橋墩兩側的平均應變變化曲線,墩底兩側應變變化曲線見圖7,墩底4.5 m處兩側應變變化曲線見圖8,圖中橫坐標以澆筑混凝土模數表示,縱坐標為平均應變。

圖7　墩底平均應變變化曲線

圖8　墩底4.5 m處平均應變變化曲線

從圖7可看出,橋墩墩底兩側應變均為壓應變,且隨著上方混凝土的澆筑,兩側壓應變均不斷增加。兩側應變的差值反應了橋墩的垂直度狀況。從圖中可知,橋墩高度較低時,兩側應變差值較小。隨著橋墩高度的增加,兩側應變差值相對較大,最大應變差值為11.7με,小于墩底應變差限值30.28με,施工過程垂直度控制滿足規范要求。

從圖8可看出,橋墩兩側應變均為壓應變,可能受上部施工荷載影響,其值隨著凝土的澆筑來回波動。從圖中可知,橋墩4.5 m處兩側應變差值相對較大,最大應變差值為20.5με,但仍小于墩底應變差限值27.87με,施工過程垂直度控制滿足規范要求。

4　結語

本文采用Midas FEA進行橋墩施工過程模擬,通過墩頂位移限值計算出墩底兩側應變差限值,以該限值為參照進行橋墩垂直度監控。通過墩底截面及墩底4.5 m處截面的現場實測監控,其應變差值均未超過相應的限值。通過本文的研究,證明了基于應變的橋墩垂直度監控方法的可行性,可為類似工程垂直度監控提供參考。

「1] 陳健.公路橋梁高墩施工階段穩定性分析與施工控制技術「D].湖北武漢:武漢理工大學，2012.

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「6] TB10415-2003，鐵路橋涵工程施工質量驗收標準「S].

U442.4

A

1009-7716(2015)12-0048-03

2015-08-07

江西省交通運輸廳科技項目(2014C0004)

耿波(1979-),男,山東淄博人,高級工程師,博士,從事橋梁科研工作。