長安大學碩士學位論文答辯

1、第六章 橋隧工程管理,第一節(jié) 橋隧建設(shè)成就回顧,一、橋梁建設(shè)成就,我國橋梁建設(shè)歷史源遠流長，早在公元1300多年前建造的趙州橋， 結(jié)構(gòu)新穎、堅固美觀。800多年前修建的盧溝橋，古樸典雅、雄偉壯麗， 今仍被譽為世界橋梁建筑史上的杰作。古代的石梁橋，懸臂木梁橋及鐵 索橋的建設(shè)成就，也達到了較高的技術(shù)水平，在國際橋梁史上占有非常 重要的地位。 特別是1978年黨的十一屆三中全

2、會確定把我國的工作重點轉(zhuǎn)移到社 會主義經(jīng)濟建設(shè)上來，不斷深入貫徹執(zhí)行改革，開放政策，使我國的經(jīng) 濟建設(shè)獲得了突飛猛進地發(fā)展。在重點發(fā)展交通和能源兩大戰(zhàn)略目標的 推動下，20多年來我國的公路橋梁建設(shè)事業(yè)掀起了新的建設(shè)高潮，在不 斷學習、引進西方技術(shù)并結(jié)合我國具體實踐的情況下，取得了空前的、 舉世矚目的橋梁建設(shè)成就。如石拱橋技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平，其他 類型的拱橋，斜

3、拉橋及懸索橋均列世界前矛，我國的預應力混凝土梁橋， 其國際地位也后來者居上，1997年建成的虎門大橋的輔助航道橋為跨徑 270m連續(xù)剛構(gòu)，建成后名列世界第一，我國在世界上有影響的各類型橋 如表6.1所示。,國內(nèi)典型橋梁一覽表 表6.1,回顧過去，成就輝煌，展望未來，前程似錦。我國現(xiàn)代化公路橋梁 建設(shè)方興未艾，雖然在新橋型、新結(jié)構(gòu)、新工藝，設(shè)計理論和計

4、算方面 已躋身于世界先進行列，部分成果亦達到國際領(lǐng)先水平。但在施工控制 及健康監(jiān)測等領(lǐng)域與國外還有一定的差距，隨著我國橋梁建了設(shè)數(shù)量不 斷增加，橋梁施工控制與健康監(jiān)測已成為我國急需重點解決的問題。,,,,二、隧道建設(shè)成就,在建國后的三十年我國修建的公路等級均較低，線形指標要求不高，五 十年代，我國僅有公路隧道30多座，總長約2500m且單洞長度都很短，六七 十年代，我國干線公路上曾修建了一些百米以上的

5、隧道，但標準也很低，進 入八十年代，公路隧道的發(fā)展逐漸加快，具有代表性的工程有深圳梧桐山隧 道和珠海板樟山隧道，福建鼓山隧道和馬尾隧道，甘肅七道梁隧道等。 近 二十年來，我國在公路隧道的建設(shè)方面更是取得了令人矚目的進步，隧道的 勘測、設(shè)計、施工和營運都日漸成熟。期間新建隧道504座，27.8萬延米， 還建成了多座特長和寬體扁坦隧道，如中梁山隧道（3100m×2），縉云山隧

6、 道（2450m×2）、大溪嶺隧道（4116m×2）、二郎山隧道（4200m×2）、飛 鸞嶺隧道、真武山隧道等。據(jù)不完全資料統(tǒng)計，我國已建成公路隧道1208座， 總里程 362km。據(jù)統(tǒng)計，在改革開放之初的1979年，中國只有公路隧道374座 。經(jīng)過20多年的快速建設(shè)，到2001年底，中國公路與隧道數(shù)量已分別是改革 開放之初的4.7倍和13.5倍，其中

7、超過千米的特長隧道有18座。 目前，公路隧道的單洞長度越來越長，修建技術(shù)與營運技術(shù)日趨復雜。 已建成的最長隧道是西康線的秦嶺單線隧道,長18. 4km ,其它較長的還有衡 廣鐵路復線上的大瑤山雙線隧道,長14. 295km ,于1987年建成。南昆線上的 米花嶺隧道,長9. 383km等。,,,第二節(jié) 橋梁施工控制系統(tǒng),一、橋梁施工控制動態(tài),1．橋梁施工控制的重要性

8、 橋梁施工控制是橋梁建設(shè)的安全保證。為了安全可靠地建好每座橋，施工控制將變得非常重要。因為每種體系的橋梁所采用的施工方法均按預定的程序 進行。施工中的每一階段，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形是可以預計的，同時可通過監(jiān)測手段得到各施工階段結(jié)構(gòu)的實際內(nèi)力和變形，從而完全可以跟蹤掌握施工進程和發(fā)展情況。當發(fā)現(xiàn)施工過程中監(jiān)測的實際值與計算的預計值相差過大時，就要進行檢查和分析原因，而不能再繼續(xù)進行施工，否則，將可能出現(xiàn)事故?？梢赃@樣說，橋梁施

9、工控制系統(tǒng)就是橋梁建設(shè)的安全系統(tǒng)。為確保橋梁施工的安全，橋梁施工控制必不可少，尤其對造價昂貴的大跨度橋梁，更為重要。 施工控制不僅是建橋中的安全系統(tǒng)，也是橋梁營運中安全性和耐久性的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。隨著交通事業(yè)的發(fā)展，荷載等級、交通流量、行車速度等必然提高，還有一些不可預測的自然破壞力也將會危及橋梁的安全，若在建設(shè)橋梁時進行了施工控制，并預留長期觀測點，將會給橋梁創(chuàng)造終身安全監(jiān)測的條件，從而給橋梁營運階段的養(yǎng)護工作提供

10、科學的、可靠的數(shù)據(jù)，給橋梁安全使用提供可靠保證。因此，要徹底改變目前我國橋梁養(yǎng)護部門的現(xiàn)狀，科學地、較為主動地預報橋梁各部位營運情況，必須在橋梁施工中進行施工控制系統(tǒng)的建立，并使其能長期對橋梁營運階段進行監(jiān)測，這樣才能確保這些耗資巨大、與國計民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久。由此可見，橋梁施工控制是現(xiàn)代橋梁建設(shè)的必然趨勢。,,,2．橋梁施工控制發(fā)展趨勢 橋梁施工控制在國外起步較早，目前，國外發(fā)達國家已將橋梁施工

11、控制 納入施工管理工作中?？刂品椒ㄒ褟娜斯y量、分析與預報發(fā)展到自動監(jiān)測、 分析與預報的計算機自動控制，已形成了較完善的橋梁施工控制系統(tǒng)。國內(nèi) 起步較晚，20世紀90年代以后，人們逐漸從理論與實踐中認識到橋梁施工控 制的重要性．特別對于采用自架設(shè)體系施工的大跨度橋梁是必不可少的，但 對施工控制的理論研究得還不夠，控制手段落后，影響因素研究不透，預測 和判斷精度不高，還未建立起一套完善的施工控制系統(tǒng)。目前，國外除了

12、重 視橋梁在施工過程中的控制外，也十分重視橋梁服役狀態(tài)的控制工作，在橋 梁中埋設(shè)測點進行長期觀測、預報和分析，以隨時了解服役橋梁的健康狀況， 避免突發(fā)事件的發(fā)生。在這方面國內(nèi)起步更晚，目前主要靠目測和荷載試驗 來了解服役橋梁的情況，對橋可能存在的危險因素無法起到預報和避免的作 用。但人們已開始認識到對橋梁服役狀態(tài)進行監(jiān)控的重要性。 智能控制是橋梁工程控制(施工控制和服役橋梁控制)的發(fā)展趨勢。大型 橋梁工

13、程，結(jié)構(gòu)復雜、規(guī)模巨大，已難以用一般的手段來監(jiān)測與控制，必須 通過埋設(shè)新型傳感器(如光纖傳感器)和應用先進的信號處理技術(shù)，以及建立 在線(服役)橋梁專家系統(tǒng)，形成智能控制系統(tǒng)，提高工程控制的科學性、可靠性和可操作性，這是橋梁工程控制的發(fā)展方向。,二、自架設(shè)體系橋梁施工控制,1．T型剛構(gòu)橋 這種橋型都采用自架設(shè)體系的懸臂施工法，即在橋墩兩邊平衡懸臂澆筑混凝土或懸臂拼裝混凝土預制塊。由于施工中各節(jié)段或各預制塊件是逐步懸伸

14、的，各節(jié)段經(jīng)歷了澆筑、張拉、不斷地加載等過程，而各節(jié)段的混凝土齡期又不同，其收縮、徐變影響較復雜、因此，它的應力和變形比懸臂拼裝鋼梁要復雜，其對施工控制的要求也就比較高。 2．混凝土斜拉橋 混凝土斜拉橋多采用自架設(shè)體系的施工方法，即采用對稱于橋塔的懸臂施工，在邊跨和中跨處進行合龍段現(xiàn)澆。斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)．其施工方法和安裝程序與成橋后的主梁線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力有密切關(guān)系，特別是斜拉橋在施工中要進行索力調(diào)整，這勢必

15、引起主梁內(nèi)力和標高的變化，再加上混凝土徐變、收縮的影響，使得混凝土斜拉橋在施工過程中受力十分復雜，因此，必須對斜拉橋拉索張拉噸位和主梁撓度、塔柱位移等施工控制參數(shù)的理論計算值，以及施工程序作出明確的規(guī)定，并在施工中加以有效的管理和控制，以確保斜拉橋在施工過程中結(jié)構(gòu)始終處于安全范圍內(nèi)，并在成橋后主梁的線形符合設(shè)計要求，使結(jié)構(gòu)處于最優(yōu)受力狀態(tài)。由此可見，混凝土斜拉橋的施工控制是十分重要和必需的。如日本白屋橋為混凝土斜拉橋，其現(xiàn)

16、場施工控制體系如圖6.1所示。圖6.2為混凝土埋入式應力計，其工作原理是一根鋼弦，與國內(nèi)采用的鋼弦應力儀一樣。,,圖 6.1 日本白屋橋施工現(xiàn)場管理系統(tǒng),圖6.2 埋入式應力計,3．吊橋及拱橋 隨著大跨度現(xiàn)代懸索橋的修建，其主纜和吊桿的調(diào)整幅度減小，就必須要對 各工序跟蹤分析和控制。 拱橋是我國修建最多的橋型，近年來在大江大河上修建了不少大跨度的混凝土拱橋。這種拱橋一般采用無支架施工方法，由于拱圈又高又寬，

17、拱圈混凝土不可能全截面一次澆筑．例如萬縣長江大橋的拱圈為高7m、寬16m的單箱三室箱形截面，施工中采用鋼管混凝土拱形桁架作為勁性骨架，混凝土分層分段澆筑，先中箱，后邊箱，每個箱室又按底板一下側(cè)板一上側(cè)板一頂板的順序進行，如圖6.3所示，這樣必然造成各層混凝土先后參與受力和各層之間混凝土齡期的差異，隨著各層混凝土的澆筑，拱圈的截面和剛度不斷變化，其內(nèi)力和變形也隨著施工過程不斷變化，它的施工過程與其他自架設(shè)體系施工方法的橋型是

18、一樣的，為了確保施工安全和成橋符合設(shè)計要求，必須對施工全過程進行監(jiān)控。,圖6.3,三、施工控制的內(nèi)容與方法 1．大跨度橋梁施工控制內(nèi)容1．1結(jié)構(gòu)變形控制 橋梁結(jié)構(gòu)尺寸的控制是施工控制的基本要求。但結(jié)構(gòu)在施工形成過程中均要產(chǎn)生變形，加之施工過程中各種誤差的積累，因此任何一個結(jié)構(gòu)不可能達到與設(shè)計尺寸準確無誤的吻合，故要盡量減少結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計尺寸的偏差，并將其降低到允許的程度。橋梁施工中對結(jié)構(gòu)的最終誤差應按現(xiàn)行的《公路橋

19、涵施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，把尺寸偏差控制在一定范圍內(nèi)?，F(xiàn)將主要條文抄錄于后，以便參考。,混凝土、鋼筋混凝土基礎(chǔ)及墩臺允許偏差（mm） 表6.2,1.1.2 預應力混凝土預制梁允許偏差見表6.3。,表6.3,1.1.3懸臂澆筑混凝土梁允許偏差見表6.4,表6.4,1.1.4預應力混凝土預制箱形拱拱箱允許偏差見表6.5,,表6.5,1.1.5混凝土斜拉橋允許偏差(mm)。 ①索塔 ②主梁1.1

20、.6鋼梁安裝后允許偏差見表6.6。 1.1.7懸索橋。 懸索橋由索塔、主纜、錨碇、加勁梁等主要結(jié)構(gòu)組成，為確保結(jié)構(gòu) 各部尺寸符合設(shè)計要求，也應對其施工過程進行嚴格監(jiān)控。,,表6.6,,1.2 結(jié)構(gòu)應力控制 結(jié)構(gòu)應力控制好與否，在外觀檢查時不易發(fā)現(xiàn)。但是，如果結(jié)構(gòu)實際 應力狀態(tài)與設(shè)計應力狀態(tài)不符，將會給結(jié)構(gòu)造成危害，并較之結(jié)構(gòu)變形的 影響為大，所以，在對橋梁進行施工控制時，尤其要注意對結(jié)構(gòu)應力的監(jiān)控

21、。 1.2.1施加預應力的一般規(guī)定 1.2.2其他橋梁體系內(nèi)力控制 1.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制 橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定關(guān)系到橋梁的安全，它與橋梁的強度有著同等重要的意義。 2．大跨度橋梁施工控制方法 近20年來，大跨度橋梁的施工控制已逐漸被工程界所重視，并形成了一 些實用的控制方法，目前主要有三種：一是采取糾偏終點控制的方法。二是 應用現(xiàn)代控制理論中的自適應控制方法。這是我國大跨度橋梁施工控制中常

22、 采用的方法。我國某在建斜拉橋自適應控制實施框圖如圖6.4。還有一種方法 是在設(shè)計時給予主梁標高和內(nèi)力最大的寬容度，即誤差的容許值，如香港某斜 拉橋主梁線形設(shè)計的寬容度達±15cm（懸臂長為215m），當然對于每一節(jié)段的 誤差也有限制。這種做法減少了控制的難度，但會產(chǎn)生其他問題，如斜拉索的 制作長度問題等。,,,,圖 6.4,,四、橋梁施工控制系統(tǒng),1．現(xiàn)代控制理論簡介 1.1控制論的發(fā)展

23、 控制理論作為一門技術(shù)科學，經(jīng)歷了其產(chǎn)生與發(fā)展的過程。就像電子 器件與電子計算機經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路等各個不同的時代一 樣，控制理論的發(fā)展過程大體上也可分為第一代、第二代、第三代。 第一代控制理論稱為古典控制理論。 第二代控制理論稱為現(xiàn)代控制理論。 第三代控制理論稱為大系統(tǒng)理論。 科學技術(shù)總是不斷向前發(fā)展的，控制理論也不例外。實際上，控制理 論的發(fā)展早已沖破工程技術(shù)的領(lǐng)域，

24、進而伸向生物領(lǐng)域、經(jīng)濟領(lǐng)域、社會 領(lǐng)域等等，形成了所謂的工程控制論、生物控制論、經(jīng)濟控制論、社會控 制論等等。 在當前正在興起的新技術(shù)革命中，控制理論必將發(fā)揮其重要 作用。 1.2 現(xiàn)代控制論的基本內(nèi)容 現(xiàn)代控制理論是在古典控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而它本身也 在不斷地向縱深發(fā)展，并形成了很多獨立的分支。如今，已經(jīng)很難給現(xiàn)代控 制理論劃定一個確切的界限。但就其最基本的內(nèi)容而言，大體

25、可歸納如下。,,,,,,,（1）線性系統(tǒng)理論,（2）系統(tǒng)辨識,（3）最優(yōu)控制,根據(jù)數(shù)學模型的不同，最優(yōu)控制問題可分為確定性的最優(yōu)控制問題和 非確定性的最優(yōu)控制問題。 （4）最優(yōu)估計 為了實現(xiàn)對隨機系統(tǒng)的最優(yōu)控制，首先就需要求出系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估 計，因為常常是狀態(tài)信息不能直接得到．而是通過對狀態(tài)的觀測來求得狀 態(tài)的最優(yōu)估計，然后再由最優(yōu)控制理論求得由狀態(tài)反饋所構(gòu)成的最優(yōu)控制. 解決最優(yōu)估計的

26、最有效的方法就是Kalman—Bucy濾波法。 圖6.5 最優(yōu)估計與最優(yōu)控制的方框圖,1.3 橋梁施工控制 橋梁(特別是大跨度橋梁)施工過程的安全和成橋狀態(tài)是否能滿足設(shè) 計要求是橋梁建設(shè)者必須解決的問題。要達到施工安全和特定線形與受 力狀態(tài)要求，僅通過事后檢查是無法實現(xiàn)的，必須對

27、施工全過程進行控 制，橋梁施工控制就是以上述工程控制論為基礎(chǔ)，為滿足上述要求而發(fā) 展起來的。 2．施工控制影響因素 大跨度橋梁施工控制的主要目的是使施工實際狀態(tài)最大限度地與理 想設(shè)計狀態(tài)(線形與受力)相吻合。要實現(xiàn)上述目標，就必須全面了解可 能使施工狀態(tài)偏離理論設(shè)計狀態(tài)的所有因素，以便對施工實施有的放矢 的有效控制。 2.1結(jié)構(gòu)

28、參數(shù) 2.2 施工工藝 2.3 施工監(jiān)測 2.4 結(jié)構(gòu)計算分析模型 2.5 溫度變化 2.6 材料收縮、徐變,跨度橋梁施工控制的主要目的是使施工實際狀態(tài)最大限度地與理想設(shè)計狀態(tài)(線形與受力)相吻合。要實現(xiàn)上述目標，就必須全面了解可能使施工狀態(tài)偏離理論設(shè)計狀態(tài)的所有因素，以便對施工實施有的放矢的有效控制。主要目的是使施工實際狀態(tài)最大限度地,,3．施工控制系統(tǒng)的建立

29、 隨著橋梁跨度的不斷增大．建設(shè)規(guī)模也相應增大，施工中所受到的影 響也越來越多，要使橋梁施工安全、順利地向前推進，并保證成橋狀態(tài)符 合設(shè)計要求，就必須將其作為一個大的施工系統(tǒng)工程予以嚴格控制。由于 橋梁施工控制的實施牽涉到方方面面，所以，必須事先建立完善、有效的 控制系統(tǒng)才能達到預期的控制目標。 橋梁施工控制系統(tǒng)的建立及其功能的確定要根據(jù)不同的工程施工實際 分別考慮，但不論是哪種類型的橋梁施工控制系統(tǒng)，都必須

30、具備管理與控 制的功能，即施工控制系統(tǒng)—般應由施工控制管理與施工現(xiàn)場（微機）控 制兩個分系統(tǒng)組成，而分系統(tǒng)又由多個支系統(tǒng)組成。圖 6.6為施工控制系 統(tǒng)框圖。,,圖6.6 施工控制系統(tǒng)框圖,,3.1 施工控制管理分系統(tǒng) 3.2 施工現(xiàn)場（微機）控制分系統(tǒng) 施工現(xiàn)場（微機）控制分系統(tǒng)框圖如圖6-7所示。該分系統(tǒng)是施工控 制系統(tǒng)的核心，它包含整個施工控制的主要分析過程，具有數(shù)據(jù)比較、 結(jié)構(gòu)當前狀

31、態(tài)把握、誤差分析、參數(shù)識別、前進或倒退仿真分析、未來 預測等功能。 在現(xiàn)場控制中，首先將由設(shè)計計算確定的各施工階段的施工控制目 標數(shù)據(jù)送入微機控制分系統(tǒng)，然后再對當前施工階段完成后的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù) 據(jù)進行判別與‘濾波“處理后，將其可靠數(shù)據(jù)也送入微機系統(tǒng)，微機系統(tǒng)則 對兩方面的數(shù)據(jù)信息進行分析處理。最后輸出有關(guān)信息供施工控制組進行 決策時參考。 施工現(xiàn)場（微機）控制分系統(tǒng)

32、通常又由多個支系統(tǒng)組成，其中包括： (1)施工控制分析支系統(tǒng) (2)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測與參數(shù)識別支系統(tǒng) (3)誤差分析與實時跟蹤分析支系統(tǒng),,圖6.7 施工現(xiàn)場（微機）控制分系統(tǒng)框圖,五、橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng),1．幾何形態(tài)監(jiān)測 幾何形態(tài)監(jiān)測的目的主要是獲取(識別)已形成的結(jié)構(gòu)的實際幾何 形態(tài)，其內(nèi)容包括標高、跨長、結(jié)構(gòu)或纜索的線形、結(jié)構(gòu)變形或位移等。 它對施工控制、預報

33、非常關(guān)鍵。,對需全過程跟蹤監(jiān)測的結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)的監(jiān)測通過指定控制點的位置坐標監(jiān)測加以體現(xiàn)。一般系在結(jié)構(gòu)溫度趨于恒定的時間區(qū)段內(nèi)(—般為夜間10：00至次日凌晨6：00)，利用橋址附近的施工平面和高程控制網(wǎng)，采用全站儀并以安裝在各控制點的高亮度發(fā)光體和測距棱鏡作為照準目標進行多測回觀測的極坐標和三角高程測量獲取控制測點三維大地坐標，并通過坐標變換求出控制測點的施工設(shè)計位置坐標。在進行控制點位置坐標監(jiān)測時，應同時對結(jié)構(gòu)溫度進行

34、監(jiān)測，只有在結(jié)構(gòu)溫度趨于穩(wěn)定后，所觀測到的控制點位置坐標方可作為監(jiān)測結(jié)果．結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測詳見后續(xù)部分。對于結(jié)構(gòu)溫度趨于穩(wěn)定的標準問題，根據(jù)經(jīng)驗可定為：若以結(jié)構(gòu)構(gòu)件同一斷面上的表面測點平均溫度作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面測試溫度，則構(gòu)件長度方向測試斷面的最大溫差應不超過2℃，在同一測試斷面上測點溫度的最大溫差應不超過1℃。某懸索橋主纜L／4點位置監(jiān)測方法示意如圖6.8 。,,圖6.8 某懸索橋主纜L/4點位置監(jiān)測示意,對需定期監(jiān)測的結(jié)構(gòu)幾何形

35、態(tài)參數(shù)的監(jiān)測是指對那些無需全過程 監(jiān)測的控制量進行的定期復核性的監(jiān)測，目的是了解諸如橋墩（塔）、 拱座、錨碇等有無超出設(shè)計范圍的異常變形或變位，屬于結(jié)構(gòu)安全性 監(jiān)測。這些監(jiān)測通常采用精密水準儀、精密傾角儀等進行量測。 為確保橋梁施工放樣和幾何控制的精度，施工現(xiàn)場一般都建立有 高精度的施工平面和高程控制網(wǎng)。在上述控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)幾 何形態(tài)參數(shù)監(jiān)測工作的可實現(xiàn)性和現(xiàn)場操作便利性要求，在進行局部控 制網(wǎng)優(yōu)化處理后

36、，便可形成一個形變監(jiān)測控制網(wǎng)，并以此作為結(jié)構(gòu)幾何 形態(tài)參數(shù)監(jiān)測的控制基準?；㈤T大橋施工控制網(wǎng)和形變監(jiān)控網(wǎng)如圖6.9、 圖6.10所示。形變監(jiān)測控制網(wǎng)的精度必須滿足設(shè)計、規(guī)范以及施工控 制本身的要求。,圖 6.9 虎門大橋施工控制,,,圖6.10 虎門大橋形變監(jiān)控網(wǎng),,2．截面的應力監(jiān)測 結(jié)構(gòu)截面的應力（包括混凝土應力、鋼筋應力、鋼結(jié)構(gòu)應力等）監(jiān)測 是施工監(jiān)測的主要內(nèi)容之一，它是施工過程的安全預警系統(tǒng)，無論是拱橋、 梁（

37、剛構(gòu)）橋，還是斜拉橋和懸索橋，其結(jié)構(gòu)某指定點的應力也同其幾何位 置一樣，隨著施工的推進，其值是不斷變化的。在某一時刻的應力值是否與 分析（預測）值一致，是否處于安全范圍是施工控制關(guān)心的問題，解決的辦 法就是進行監(jiān)測。一旦監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常情況，就立即停止施工，查找原因并及 時進行處理。 由于橋梁施工的時間一般較長，所以，應力監(jiān)測是一個長時間的連續(xù) 的量測過程。目前應力監(jiān)測主要是采用電阻應變儀法、鋼弦式傳感器法等。 于要求

38、適合于現(xiàn)場復雜情況、連續(xù)時間較長且量測過程始終要以初始零點 作為起點的應力監(jiān)測，目前基本上均采用鋼弦式傳感器. 圖6.11所示為常用的鋼弦式傳感器，其中圖a)為鋼筋應力傳感器，用于 監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋應力；圖b)為埋入式應變傳感器，用于測量混 凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應變(應力)；圖c)為表面應變傳感器．用于量測結(jié)構(gòu)表面應 變。下面給出丹東產(chǎn)JXH-3型表面應變計主要技術(shù)指標，JXG-1型鋼筋應力計 和JXH-2型混凝

39、上應變計的主要技術(shù)指標列于表6.7中，供參考。,,,,,,,,,圖6.11 鋼弦式傳感器,,,,,,JXH-3型表面應變計主要技術(shù)指標分辨率： ≤0.2％FS重復性： ＜0.5%FS非線性度： ＜2%FS溫度漂移： 3~4Hz/10℃零點漂移： 3~5Hz/3個月溫度范圍： -10～+50℃綜合誤差： ＜2.5％FS規(guī)格： -2000～+1000 從實際使用情況看，鋼弦式傳感器雖

40、然較其它傳感器優(yōu)越，但總還是存在溫度漂移和零點漂移等問題。為更好地適應施工控制應力監(jiān)測．以及使用階段的長期應力監(jiān)測需要，有必要對監(jiān)測手段作進一步研究，引進更為先進的監(jiān)測技術(shù)(如遙感技術(shù))，使其應力監(jiān)測更方便、更準確。,表6.7,3．索力監(jiān)測 大跨度橋梁采用斜拉橋、懸索橋等纜索承重結(jié)構(gòu)越來越廣泛，特別是 跨徑在500m以上時基本上是斜拉橋、懸索橋一統(tǒng)天下。斜拉橋的斜拉索、 懸索橋主纜索及吊索索力是設(shè)計的重要參

41、數(shù)，也是施工監(jiān)控實施中需要監(jiān) 測與調(diào)整的施工控制參數(shù)之一。索力量測效果將直接對結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和 施工狀態(tài)產(chǎn)生影響。要在施工過程中比較準確地了解索力實際狀態(tài)，選擇 適當?shù)牧繙y方法和儀器，并設(shè)法消除現(xiàn)場量測中各種誤差因素的影響非常 關(guān)鍵。 在實施振動頻率法量測索力時，由于實際索股的振動是復雜的，即便是 采用人工激振的方法也不一定能激發(fā)出索股基頻的自由振動，而隨機環(huán)境的 激振更使索股產(chǎn)生復合振動，因此，一船市場銷售的索

42、力量側(cè)儀較難獲得滿 意效果，而需在隨機信號測量與處理技術(shù)基礎(chǔ)上，對索股人工激振和環(huán)境隨 機激振的振動信號進行測量與處理分析，獲得被測索股的頻率參數(shù)，再進行 索力的分析計算，并通過其錨下壓力傳感器觀測，進行數(shù)據(jù)對比分析，獲得 不同長度索股的修正系數(shù)，然后再進行大量的索力量測。現(xiàn)場量測時用專門 制作的綁帶將加速度計垂直固定在索上，量測方向為水平橫橋向，由磁帶機 記錄索在環(huán)境隨機振動或人工激振時的振動信號，再利用信號處理機進行頻

43、 譜分析，其流程如圖6.12。,,,圖6.12 頻率法量測流程圖,4．預應力監(jiān)測 5．溫度監(jiān)測 由于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度是一個復雜的隨機變量，它與橋梁所 處的地理位置、方向、自然條件(如環(huán)境氣溫、當時風速風向、日照輻射強 度)、組成構(gòu)件的材料等等因素有著密切的關(guān)系，設(shè)計中很難預計施工期間 的結(jié)構(gòu)實際溫度(只能根據(jù)施工進度安排和當?shù)丶扔袣夂蚯闆r預估，若施工 計劃改變和氣候變化則更難預估)，因此，為保證大橋施工達到

44、設(shè)計要求的 內(nèi)力狀態(tài)和線形，必須對結(jié)構(gòu)實際溫度進行實地監(jiān)測。,,,,,,,,,第三節(jié) 橋梁養(yǎng)護管理技術(shù),一、橋梁的養(yǎng)護與維修,橋涵是高速公路的重要組成部分，由于高速公路全封閉交通的要求，其橋涵構(gòu)造物相對要比一般公路多、因此，做好高速公路橋涵構(gòu)造物的養(yǎng)護維修工作，使之經(jīng)常處于良好技術(shù)狀態(tài)，對保證汽車快速行駛具有極為重要的意義。 1.日常養(yǎng)護維修內(nèi)容 橋涵構(gòu)造物的日常養(yǎng)護維修是指經(jīng)常性的養(yǎng)護管理工作，其內(nèi)容包括：

45、 1.1 橋涵構(gòu)造物的小修保養(yǎng). 1.2對橋梁結(jié)構(gòu)物進行經(jīng)常性檢查、定期檢查和特殊檢查。 1.3做好超重車輛過橋及橋孔的管理工作。 1.4對原有橋涵技術(shù)進行管理，建立和保存橋涵技術(shù)檔案資料。 2．檢查與技術(shù)狀況評定 根據(jù)檢查重要程度的不同以及時間間隔的長短，橋涵檢查工作可分為 經(jīng)常性檢查、定期檢查和特殊情況下的檢查等。 經(jīng)常檢查應當場填寫“橋梁經(jīng)常檢查記錄表”（見表6.8）,,,,

46、,,,,,,橋梁經(jīng)常檢查記錄表 表6.8,3．養(yǎng)護維修方法及要求 高速公路橋涵構(gòu)造物上部結(jié)構(gòu)及附屬部分的經(jīng)常養(yǎng)護維修工作內(nèi)容和要求簡要列于下表6.9。,二、橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng),提高高速公路橋梁養(yǎng)護管理水平，引進科學管理體系，建立起現(xiàn)代化 的橋梁管理系統(tǒng)，是高速公路養(yǎng)護管理中一項非常重要的工作，公路橋梁 養(yǎng)護管理系統(tǒng)是集橋梁各種靜動態(tài)數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)采集方法、使用功能評價

47、； 圖形、圖像處理；費用分析、舊橋加固對策；統(tǒng)計查詢功能為一體的橋梁 計算機管理系統(tǒng)。 1．橋梁管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫 橋梁管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要由橋梁靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、文檔、圖像以及 維修加固數(shù)據(jù)等四個資料庫組成，它是橋梁養(yǎng)護與維修、安全評價的依據(jù)。 2．橋梁結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng) 3．技術(shù)狀況的數(shù)據(jù)采集 3.1 橋梁技術(shù)狀況檢測的主要構(gòu)件與內(nèi)容 3.1.1 橋梁缺損狀況檢測的主要構(gòu)件如圖

48、6-13,,圖6-13 橋梁缺損狀況檢測的主要構(gòu)件,3.1.2 橋梁缺損狀況檢測的主要內(nèi)容 （1）橋面 ①橋面鋪裝 a．裂縫：水泥混凝土：縱橫裂縫、交叉裂縫、斷板、角隅斷裂、接縫 斷裂；瀝青混凝土：縱橫裂縫、龜裂。 b．坑槽：瀝青混凝土：松散、坑槽。 c．變形：水泥混凝土：拱脹、錯臺； d．瀝青混凝土：擁包、車轍。 ②橋面板 a．裂縫；b．剝落；c．露筋；d．碎裂；e．鋼筋銹蝕；f．空洞。

49、,③伸縮縫裝置 a．伸縮縫裝置本身缺陷 U型伸縮縫：瀝青的擠出或冷縮；鋅鐵皮拉脫； 鋼制板式伸縮縫：鋼板破壞；角鋼間縫隙被硬物卡死；連接螺栓損壞； 橡膠伸縮縫；橡膠件剝離損壞；錨固螺栓失效；伸縮縫本身下陷或高出。 b．鋪筑料缺損：接頭周圍部分鋪筑料的剝落、凹凸不平、滲水。 ④排水系 a．塵土、樹葉、泥等堵塞排水設(shè)施。 b．泄水管、槽破損，管體脫落。 ⑤欄桿及扶手 a．不完整：由于交

50、通事故或養(yǎng)護管理不當、部分欄桿及扶手殘缺。 b．缺損：欄桿及扶手出現(xiàn)剝落、碎裂、露筋等。 c．脫落：欄桿．扶手相互連接處脫落、開裂。 ⑥人行道 a．人行道緣石表面剝落、開裂、破碎。 b．人行道與橋面板連接不牢固。 (2)上部構(gòu)造的基本構(gòu)件。 上部構(gòu)造的基本構(gòu)件依橋梁形式而定。拱橋指主拱圈，梁式橋指主梁。 其缺損狀況分為： ①表面缺損：混凝土剝落、露筋。,②裂縫：

51、各種橋型裂縫的檢查部位見表6-10。,上部構(gòu)造基本構(gòu)件裂縫的檢查部位 表6-10,③變形 (3)下部結(jié)構(gòu) 3.2 橋梁缺損狀況監(jiān)測方法 橋梁缺損狀況采用以目估為主、借助儀器量測為輔的監(jiān)測方法。對于 一股缺損能用目測鑒別的就不必借助儀器量測。 4．養(yǎng)護管理系統(tǒng)設(shè)計 4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 交通部推廣應用的CBMS系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計，由菜單方式調(diào)用，其結(jié) 構(gòu)共分四層：

52、 第一層，總控制層，該層的作用一是提供CBMS版本信息，二是對下層進行 調(diào)用；,第二層，子系統(tǒng)層，由數(shù)據(jù)管理、基本應用、統(tǒng)計處理、圖形圖像、 評價對策、維修計劃和費用分析等7個子系統(tǒng)組成，該層由總控層調(diào)用； 第三層，模塊層，由若干管理模塊組成，受對應的子系統(tǒng)調(diào)用； 第四層，功能層，設(shè)有100余項獨立處理功能塊，處理某項具體工作， 各功能塊由相應的上層模塊調(diào)用。 CB

53、MS采用層層調(diào)用，層層返回的結(jié)構(gòu)方式，結(jié)構(gòu)清晰，各功能相互獨 立，便于系統(tǒng)維護和功能擴展。 4.2 系統(tǒng)功能設(shè)置 CBMS采用ORAVLE關(guān)系數(shù)據(jù)庫建有橋梁靜態(tài)、動態(tài)、文檔和加固方法等4 個數(shù)據(jù)庫、13個庫文件、155項數(shù)據(jù)字段，與C語言嵌套建有數(shù)據(jù)管理、評 價對策等7個子系統(tǒng)，100余項功能，按其特點可分為6方面； （1）數(shù)據(jù)管理功能。CBMS提供了很強的數(shù)據(jù)處理功能，可進行數(shù)據(jù)輸 入、修改、查詢、刪除、

54、校驗、備份、重裝、傳輸?shù)忍幚?，這些操作通 過“數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)”實現(xiàn)。 （2）日常事務(wù)處理。提供固定檢索、任意查詢、快速制表、輸出橋卡、 匯總一覽表、定檢表以及近40種統(tǒng)計功能，滿足日常管理工作需要。 （3）圖像管理功能。提供彩色圖像掃描、編輯、分類顯示和印刷輸出， 通過圖像信息決策、直觀、清晰、一目了然。,（4）編制橋梁維修檢查計劃功能；系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集員現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集所 提維修檢查建議，編制橋梁維修計劃、特檢計劃和

55、定期檢查計劃，輸出 結(jié)果按橋梁病害程度、橋齡大小、路網(wǎng)交通量及道路類別等關(guān)鍵字排序。（5）提供維修費用估價功能。系統(tǒng)建立多種維修方法基價，用戶鍵入工 程數(shù)量就可估算出所需費用。（6）評價對策功能。CBMS提供了橋梁使用功能評定及加固對策人工智能處理子系統(tǒng)。橋梁使用功能評定是根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)缺損狀況、荷載承重足夠性和橋面交通適應性等三方面，同時考慮交通量、道路類別、繞行距離等條件來綜合評價。通過對橋梁現(xiàn)狀評定，以確定橋梁對路

56、網(wǎng)的適應程度，從而為橋梁的維修改造計劃指定提供依據(jù)。CBMS采用了AHP層次分析和模糊評判等兩種評定方法，這兩種方法均為系統(tǒng)工程中較為有效的方法，其中層次分析法（AHP）的評價結(jié)構(gòu)以分數(shù)形式表達（CBMS中采用100分制），模糊評判以模糊數(shù)學為理論基礎(chǔ)，其結(jié)果采用等級制形式表示（CBMS采用1～5級制）。橋梁使用功能評定模型計算式如下：,橋梁使用功能評定值越?。ㄗ畹?分），表明功能越差，其維修需求越 迫切。反之評定值越大的

57、橋（最高100分），表明功能越好，其維修需求就 越小。橋梁使用功能評價結(jié)構(gòu)將作為舊橋加固對策模型的基本依據(jù)，CBMS 將60分以下的橋輸送給對策模型，模型將根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)類型、年齡、地 基類型及加固方法庫等優(yōu)選出三個以上的對策方案。,第四節(jié) 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),,,,,一、國內(nèi)外研究動態(tài),1．國外研究現(xiàn)狀 早在第二次世界大戰(zhàn)前，國外就開始探索維修技術(shù)，但是沒有相應 的標準和系統(tǒng)的規(guī)程。因橋梁功能失效和塌橋事故的不斷發(fā)

58、生，上個世 紀50年代美國和其他一些國家首制了一些橋梁檢測標準，于是國際上產(chǎn) 生了第一代橋梁安全檢測規(guī)范。1967年12月，俄亥俄河上的一座主要橋 梁倒塌，導致46人喪生，這使得人們對橋梁安全監(jiān)測更加重視，1971年 美國制定了國家橋梁安全檢測標準（NBIS），規(guī)范了檢測方法，檢測時 間間隔和檢測人員的資格條件。根據(jù)NBIS規(guī)定，要求新橋建成和結(jié)構(gòu)形 態(tài)發(fā)生改變時，必須進行橋梁驗收檢測，以及在其他特殊情況下進行損

59、 傷檢測，深入檢測和臨時檢測等。 上世紀80年代后期國外開始建立各種規(guī)模的橋梁健康檢測系統(tǒng)，據(jù) 不完全統(tǒng)計具有代表性國家及橋型結(jié)構(gòu)見表,,,,,,,國外已建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁 表6-11,,,,,2．國內(nèi)橋梁現(xiàn)狀 目前國內(nèi)對橋梁檢測都是在設(shè)計、施工完成交付使用前，或者發(fā)現(xiàn)橋 梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)特殊情況（如結(jié)構(gòu)開裂、變形過大、重載或超重車輛反復過 橋、環(huán)境惡劣影響等）的

60、時候，方對橋梁進行檢測評估，采用的方法一 般以人工方法為主，即在梁體的受力及變形關(guān)鍵部位上，外貼應變片或 安裝變形儀。通過實測特征值與理論計算結(jié)果對比，確定橋梁強度和剛 度安全儲備系數(shù)，并評估橋梁現(xiàn)有的承載能力。這種方法局限性較大，不 僅需要專門訓練的有資格能力的工程師，而且所取得的檢測結(jié)果仍然不能 滿足橋梁所有的安全需要。浪費了大量的人力和物力。 我國現(xiàn)行橋梁檢測方法，無論是有限元或是動態(tài)規(guī)劃

61、的理論上看，都 是不盡完善的，因為橋梁在使用過程中，荷載的變化、環(huán)境等因素隨機性 非常大，而且也非常復雜，所以最不利荷載的影響，并不一定與人工檢測 的定位定點相吻合；由于施工質(zhì)量、安裝等因素的影響，與原始設(shè)計參數(shù) 勢必存在著一定的誤差；另外橋梁在運營過程中超載、震動、溫度等因 素的影響及橋梁自身的變形，從而在使用過程中最不利荷載對橋梁產(chǎn)生的 效應，采用人工定時檢測手段是無法測出的，也不能用

62、簡單幾組檢測數(shù)據(jù) 建立一個由最不利荷載引起橋梁出現(xiàn)極大值的數(shù)學模型，分析橋梁設(shè)計、 施工的整體質(zhì)量和橋梁運營中的承載能力，這種橋梁狀態(tài)評估方法顯然具 有相當程度的簡單化。,,,,,香港青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋上安裝了目前世界上規(guī)模最大的 實時安全監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器類型及數(shù)量如表所示,香港三座大橋傳感器類型及數(shù)量表 表6-12,3．成就及問題4．

63、健康監(jiān)測發(fā)展趨勢,,,,,,,,二、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,1．橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 橋梁健康監(jiān)測就是通過對橋梁結(jié)構(gòu)進行無損檢測, 實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整 體行為, 對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進行診斷, 對橋梁的服役情況、可靠性、 耐久性和承載能力進行智能評估, 為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁 運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號,為橋梁的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依 據(jù)和指導。 一般大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾方面進行監(jiān)控

64、。 (1) 橋梁結(jié)構(gòu)在正常車輛荷載及風載作用下的結(jié)構(gòu)響應和力學狀態(tài)。 (2) 橋梁結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件(如地震、意外大風或其它嚴重事故等) 之 后的損傷情況。 (3) 橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性, 主要是提供構(gòu)件疲勞狀況的真實情況。 (4) 橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座) 和附屬設(shè)施(如斜拉橋振動控制裝置) 的工作狀態(tài)。 (5) 大橋所處的環(huán)境條件, 如風速、溫度、地面運動等。,,,,,2．監(jiān)測

65、內(nèi)容及使用的傳感器 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的內(nèi)容主要有以下幾方面。 (1) 荷載。包括風、地震、溫度、交通荷載等。所使用的傳感器有: 風速儀——記錄風向、風速進程歷史, 連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得風功率 譜; 溫度計——記錄溫度、溫度差時程歷史; 動態(tài)地秤——記錄交通荷載 流時程歷史, 連接數(shù)據(jù)處理后可得交通荷載譜;強震儀——記錄地震作用; 攝像機——記錄車流情況和交通事故。 (2) 幾何監(jiān)測。監(jiān)測橋梁各

66、部位的靜態(tài)位置、動態(tài)位置、沉降、傾斜、 線形變化、位移等。所使用的傳感器有: 位移計、傾角儀、GPS、電子測 距器(EDM )、數(shù)字像機等。 (3) 結(jié)構(gòu)的靜動力反應。監(jiān)測橋梁的位移、轉(zhuǎn)角、應變應力、索力、動 力反應(頻率模態(tài)) 等。所使用的傳感器有: 應變儀——記錄橋梁靜動力應 變應力, 連接數(shù)字處理后可得構(gòu)件疲勞應力循環(huán)譜; 測力計(力環(huán)、磁彈性 儀、剪力銷) ——記錄主纜、錨桿、吊桿的張拉歷史; 加速度計——記

67、錄 結(jié)構(gòu)各部位的反應加速度、連接數(shù)據(jù)處理后可得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。 (4) 非結(jié)構(gòu)部件及輔助設(shè)施。支座、振動控制設(shè)施等。 3．健康監(jiān)測的設(shè)計準則,健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計對于大型橋梁健康監(jiān)測是至關(guān)重要的, 是一切 工作的基礎(chǔ), 這里結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有幾座已建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的大型橋梁 的測點、傳感器布設(shè)情況(見表16-13ö傳感器布置情況可看出, 各個橋梁 的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目與規(guī)模存在很大的差異, 這種差異除了

68、橋型和橋位 所處環(huán)境因素外, 主要是因為對各監(jiān)測系統(tǒng)的投資額和建立各個系統(tǒng)的目 的和功能不同而異的, 但是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計實際還是遵循某些原 則的。　　 (1) 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計應首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。對于特定 的橋梁, 建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評估, 或是設(shè)計的驗 證, 甚至是以研究發(fā)展為目的。因此, 一旦系統(tǒng)的目的和功能確定, 系統(tǒng) 的監(jiān)測項目也就能確定。 (2)