桥梁悬臂法施工中不平衡荷载监测及整体稳定性判断方法

摘要

本发明提供一种桥梁悬臂法施工中不平衡荷载监测及整体稳定性判断方法，属于桥梁施工技术领域。该方法通过在临时固结柱或连续刚构桥的桥墩上安装应变计和温度传感器，根据桥梁无施工荷载情况下的温度和应变的测量结果，利用最小二乘法得到应变和温度的统计关系，然后，对施工阶段所测的应变进行温度影响修正，得到荷载应变，在此基础上得到悬臂法施工过程中的荷载不平衡偏差。根据荷载不平衡偏差判断桥梁的整体稳定性。本发明解决了悬臂法桥梁施工过程中不平衡荷载定量的问题，提高了桥梁悬臂法施工的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁施工技术领域，特别是指一种桥梁悬臂法施工中不平衡荷载监测及整体稳定性判断方法。

背景技术

悬臂施工法是现代桥梁中预应力混凝土连续梁桥建设的重要施工方法。由于悬臂施工的特殊性，在分段现浇的整个施工过程中，两个悬臂端荷载平衡是现场施工控制的关键。对称、平衡浇筑是为了减少力矩，然而，施工过程中，不可能做到绝对平衡。《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50－2011)第141页16.5.4条第一款指出：悬臂浇筑施工应该对称、平衡的进行，两端悬臂上荷载的实际不平衡偏差不得超过设计规定值；设计未规定时，不宜超过梁段自重的1/4。

在不平衡荷载监测方面，经文献检索发现，刘金峰，周东坡，王垚在《城市道桥与防洪》2014，(9)：200-202中的《采用电子传感器对不平衡箱梁悬臂浇筑过程进行安全监测》，公开了利用传感器的变化趋势定性判断浇筑过程的稳定性，该方法的缺陷是无法判断不同应变计所测应变的差别是由温度引起的还是由荷载引起的，而且没有给出施工不平衡的量化指标，因此，无法定量知道桥梁两端不平衡荷载的大小，从而无法进行桥梁稳定性的定量判断。

因此，在本领域中，仍然需要实验安装简单，能进行悬臂法施工过程中定量判断稳定性的方法。

发明内容

本发明为解决上述无法进行悬臂法施工过程中不平衡荷载计算和稳定性定量判断的不足，提供一种桥梁悬臂法施工中不平衡荷载监测及整体稳定性判断方法。

该方法具体步骤如下：

S1：在临时固结柱或桥墩上安装测量柱或桥墩的轴向应变的应变计和温度传感器，且应变计和温度传感器以顺桥向的中点为对称点进行对称布置，并且温度传感器和应变计安装在同一个位置；

S2：令桥梁无施工荷载，测量桥梁应变随温度的变化数据，建立应变随温度的变化规律；

S3：测量施工阶段应变计的初始应变，然后，根据应变和温度的关系，计算消除温度影响的荷载应变；

S4：利用荷载应变计算荷载不平衡偏差，根据不平衡偏差判断桥梁的整体稳定性。

其中，S2中同步测量临时固结柱或桥墩的轴向应变和温度。

S2中无施工荷载情况下，应变随温度变化的监测时间不小于1天，采样频率不大于30分钟/次。

S2中的应变-温度关系采用最小二乘法进行计算。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该方法利用临时固结柱或桥墩上对称部位安装的应变计和温度传感器，得到由荷载所引起的柱的轴向应变，由此计算荷载不平衡偏差，从而判断桥梁的整体稳定性。本方法所得的应变避免了不同柱温度应变的影响，可以定量的计算两个悬臂端的不平衡荷载，且实验安装简单，易于操作。

附图说明

图1为本发明的桥梁悬臂法施工中不平衡荷载监测及整体稳定性判断方法监测设备布置简图；

图2为本发明实施例桥梁悬臂法施工的梁段示意图；

图3为本发明实施例图2中A-A剖面图，图中单位为cm；

图4为本发明实施例左侧临时固结柱上应变计与温度的拟合曲线；

图5为本发明实施例右侧临时固结柱上应变计与温度的拟合曲线；

图6为本发明实施例初始应变随梁段的变化曲线；

图7为本发明实施例温度随梁段的变化曲线；

图8为本发明实施例荷载应变随梁段的变化曲线；

图9为本发明实施例荷载不平衡偏差随梁段的变化曲线。

其中：

1-左侧施工梁段；2-右侧施工梁段；3-已施工梁段；4-左侧临时固结柱；5-右侧临时固结柱；6-左侧临时固结柱上应变计；7-左侧临时固结柱上温度传感器；8-右侧临时固结柱上应变计；9-右侧临时固结柱上温度传感器；10-数字信号采集仪；11-计算机。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种桥梁悬臂法施工中不平衡荷载监测及整体稳定性判断方法。

如图1所示，本方法中，在左侧临时固结柱4和右侧临时固结柱5同一高度上的对称位置安装左侧临时固结柱上应变计6和右侧临时固结柱上应变计8，测量临时固结柱的轴向应变；左侧临时固结柱上应变计6和右侧临时固结柱上应变计8的位置同时安装左侧临时固结柱上温度传感器7和右侧临时固结柱上温度传感器9；在已施工臂梁3完成基础时，继续浇筑左侧施工梁段1和右侧施工梁段2，使左侧临时固结柱4和右侧临时固结柱5产生变形，分别由左侧临时固结柱上应变计6和右侧临时固结柱上应变计8测得临时固结柱的应变；左侧临时固结柱上应变计6、左侧临时固结柱上温度传感器7、右侧临时固结柱上应变计8、右侧临时固结柱上温度传感器9通过数字信号采集仪10连接计算机11。

本发明中，涉及到的温度修正方法如下：

在已施工臂梁3完成时，继续浇筑左侧施工梁段1和右侧施工梁段2前，已施工臂梁3上没有施工荷载情况下，同时测量应变和温度。将应变计测量到应变值称为初始应变，左侧临时固结柱上应变计6测量的应变为对应左侧临时固结柱上温度传感器7测量的温度为T⁽¹⁾；右侧临时固结柱上应变计8测量的应变为对应右侧临时固结柱上温度传感器9测量的温度为T⁽²⁾。

已施工梁段上没有施工荷载情况下，测量一天以上无荷载作用下的初始应变及相应的温度数据，然后采用线性最小二乘法建立得到初始应变和温度的统计关系：

在左侧施工梁段1和右侧施工梁段2施工后，对于某一时刻测量的初始应变和温度T⁽ⁱ⁾，则由左侧施工梁段1和右侧施工梁段2所引起的荷载应变ε⁽ⁱ⁾为：

由式(2)计算所得的应变是经温度修正后各应变计由荷载所引起的荷载应变。

本发明中，根据荷载应变计算不平衡偏差的推导过程如下：

已施工梁段3施工完成基础上，继续向前浇筑左侧施工梁段1和右侧施工梁段2，左侧施工梁段1的重量为W₁，右侧施工梁段2的重量为W₂。左侧施工梁段1和右侧施工梁段2施工完成后测得左侧和右侧临时固结的初始应变分别为和及相应的温度为T⁽¹⁾和T⁽²⁾。然后，由式(2)得到荷载应变ε⁽¹⁾和ε⁽²⁾。

设由于左侧施工梁段1和右侧施工梁段2引起的左侧临时固结柱和右侧临时固结柱的轴力分别为F₁和F₂。左侧临时固结柱和右侧临时固结柱之间的距离为b，施工梁段重量作用点到临时固结柱的距离为l。

由B点力矩平衡可得：

F₂×b＝W₂×(l+b)-W₁×l；

(3)

由C点力矩平衡可得：

F₁×b＝W₁×(l+b)-W₂×l；

(4)

式(4)减式(3)得：

F₁-F₂＝(W₁-W₂)(2l/b+1)

(5)

式(3)和式(4)相加得：

F₁+F₂＝W₁+W₂

(6)

由轴力和应变的关系可知：

F₁＝EAε⁽¹⁾

(7)

F₂＝EAε⁽²⁾

(8)

式中：E为临时固结柱的弹性模量，A为临时固结柱截面的面积；将式(7)和式(8)代入式(5)和式(6)，并化简后可得：

式中，W_e为荷载不平衡偏差，ε_e为不平衡应变比。

由于施工过程中，应变和温度是连续采样的，因此，式(11)中的ε⁽¹⁾和ε⁽²⁾是由每个梁段施工前和施工后的初始应变分别进行温度修正，然后相减得到的。

式(9)表明，利用临时固结柱上的应变可以定量计算施工梁段的荷载不平衡偏差。在得到荷载不平衡偏差后，即可根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50－2011)第141页16.5.4条第一款进行稳定性判断。

为验证上述理论的正确性以及在桥梁悬臂法施工中的应用。以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

某变截面预应力混凝土连续梁采用悬臂施工法进行施工。每个桥墩悬臂施工法的梁段划分如图2所示。悬臂浇筑箱梁2#梁段长2.5m，3#～5#梁段长3.0m，6#～9#梁段长3.5m，10#～13#梁段长4.5m，最大悬臂施工长度为49m。应变计和温度传感器的安装位置如图3所示。

本实验应变和温度监测从8#(8’#)梁段施工完成后开始。在9#梁段施工前测量了两天无施工荷载情况下的应变及温度，如图4和图5所示。图4和图5中的直线就是最小二乘法所得温度和应变的关系：

将9#(9’#)～12#(12’#)在各梁段施工前和施工后的初始应变如图6所示，相应时刻的温度如图7所示，温度修正后各梁段所引起的荷载应变如图8所示。由此可得各梁段施工的荷载不平衡偏差，如图9所示。

由图9可知，该桥梁在悬臂法施工过程存在荷载不平衡偏差。在9#(9’#)～12#(12’#)施工阶段，最大荷载不平衡偏差约16％左右，小于1/4，满足规范要求，表明该桥施工过程中较好的控制了不平衡荷载，施工过程中桥梁整体是稳定性的。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。