大跨度桥梁沉降观测与线性控制

HaiboLiuPhD.SWJTU大跨度桥梁沉降观测与质量控制主讲--刘海波电话--13908089463西南交通大学HaiboLiuPhD.SWJTU内容安排第一部分大跨度桥梁沉降观测第二部分大跨度桥梁线形控制HaiboLiuPhD.SWJTU1.1大跨度桥梁沉降观测意义与目的1.2桥梁沉降的危害1.3桥梁沉降产生的原因1.4沉降观测的要求1.5工后沉降的计算1.6桥梁沉降观测的方法1.7沉降评估技术第一部分大跨度桥梁沉降观测HaiboLiuPhD.SWJTU1.1大跨度桥梁沉降观测意义与目的客运专线无碴轨道的永久变形，通常只能通过扣件进行调整以恢复其正常的几何形状，而扣件的调整量非常有限。目前的要求是在无碴轨道施工完成后，墩台均匀沉降量不超过20mm，相邻墩台的沉降差不超过5mm。除了扣件调整外，还可以通过专门的无碴轨道特殊支座举行调整，调整量可以达到数公分，但专门支座的成本较高。HaiboLiuPhD.SWJTU1.1大跨度桥梁沉降观测意义与目的对于高速铁路或客运专线，桥涵后不均匀沉降量过大会造成线路的平顺性较差，从而引起列车振动、轮轨动力作用增大，导致列车通过时产生巨大的冲击力；在高速行车条件下，列车平稳、舒适、安全性指标方面下降严重，甚至导致列车脱轨。广义上讲，对大跨度桥梁结构，除了基础、墩台沉降会引起线路现行变化，还应包括大跨混凝土结构的温度变形、长期收缩徐变等因素导致的结构变形。HaiboLiuPhD.SWJTU1.1大跨度桥梁沉降观测意义与目的桥梁沉降监测目的针对大桥正常工作状态下进行定期沉降观测，通过对各期监测数据的处理和分析，并借助桥梁结构、工程地质等资料，得出大桥正常运营状态下的下沉值，找出大桥下沉规律和趋势，分析大桥下沉的原因。为桥梁的运营养护、线路标高调整提供技术依据；同时检查大桥设计，施工质量，同时为科学研究提供相关信息。HaiboLiuPhD.SWJTU1.2桥梁沉降的危害1）引起铁路线路的不平顺桥梁的不均匀沉降量过大会造成线路的平顺性较差，从而引起列车振动、轮轨动力作用增大，导致列车通过时产生巨大的冲击力；在高速行车条件下，列车平稳、舒适、安全性指标方面下降严重，甚至导致列车脱轨。HaiboLiuPhD.SWJTU1.2桥梁沉降的危害2）不均匀沉降裂缝对于超静定结构，当地基基础承载力不均匀或结构在不同部位的荷载差异较大发生不均匀沉降时，引起构件的约束变形，使结构内力发生变化，当结构内部拉应力超过自身的抗拉强度时，在结构的薄弱部位就会产生沉降裂缝。这类裂缝一般宽度大，数量少，多为深进或贯穿性的，其位置与沉降方向一致。大跨度桥梁的墩台沉降、收缩徐变，除了导致上述结果外，还可能导致结构受力体系发生明显的变化。HaiboLiuPhD.SWJTU1.2桥梁沉降的危害3）公路桥梁的桥头跳车桥台与路堤之间由于刚度的不同，往往出现非均匀沉降，引起路面标高突变，导致车辆通过时产生颠簸，这种现象即为桥头跳车。桥头跳车会使驾驶者及乘客产生不适感，影响道路服务水平；同时桥头跳车对桥梁和道路产生附加冲击荷载，会加速桥台、桥头搭板、支座和伸缩缝的损害。HaiboLiuPhD.SWJTU2.3桥梁沉降产生的原因按照桥梁沉降主要来源及特征可分为桥梁内部因素与外部因素引起的变形。1）内部因素引起的变形合理变形：荷载分布不均衡，施工误差变形，混凝土结构自身的收缩徐变等。2）外部因素引起的变形：基础形变，基础下地质构造不均匀，季节性和周期性的温度和地下水的变化引起以及受风力引起的摆动等HaiboLiuPhD.SWJTU1.3桥梁沉降产生的原因大跨度桥梁不均匀沉降的原因主要可以分为以下几种：（1）地质勘察精度不够、试验资料不准。（2）地基地质条件差异太大。（3）结构荷载差异太大。（4）结构基础类型差别大。（5）分期建造的基础。（6）地基冻胀。（7）桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。（8）桥梁建成以后，原有地基条件变化。HaiboLiuPhD.SWJTU1.4沉降观测的要求1）水准基点设置要求沉降观测工作独立建网，精度按二等精度控制，宜按国家一等水准测量的技术要求施测。沉降观测水准基点从精密控制网最近的水准基点引测，引测前应对引用的水准基点进行检核。沉降观测标志的设置：每个墩、台均要进行沉降观测，观测标志应尽量靠近地面(水面)。观测点原则上应设在墩身、台上，每个墩、台不少于4处，分别设在每个墩、台的四角，观测点距地面(水面)高度应在1m左右。对于长期收缩徐变引起的变形，观测点应该总体沿着桥跨方向等等间接布置。HaiboLiuPhD.SWJTU1.4沉降观测的要求具体原则为“五定”：沉降观测的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点要稳定；所用仪器、设备要固定；观测人员要固定；观测时的环境条件基本一致；观测路线、镜位、程序和方法要固定。上述原则，皆为降低观测误差水平HaiboLiuPhD.SWJTU1.4沉降观测的要求2）监测仪器、人员仪器设备要求：使用精度不低于DSZ1的自动安平水准仪或DS1的气泡式水准仪，水准标尺应采用与之配套的带有两排分划的线条式铟瓦合金标尺，水准仪和水准标尺各项技术指标应符合《国家一、二等水准测量规范》(GB12897-91)有关规定，在沉降观测前和沉降观测过程中的规定时间段应对仪器和标尺进行检定。人员应具备相关资质，构成专业结构合理，且工作经验丰富，确保监测工作的顺利进行。HaiboLiuPhD.SWJTU1.4沉降观测的要求3）沉降观测周期的确定应以能系统反应所测沉降的变化过程而又不遗漏其变化时刻为原则，根据单位时间内沉降量大小及外界影响程度来确定。另外，沉降观测周期的长短与劳动成本密切相关。沉降观测周期的计算方法：沉降观测的周期决定于变形值的大小和变形速度，以及观测的目的。当沉降点的高程沉降量大于或等于沉降点的高程测量误差的若干倍时，沉降观测成果才可靠。HaiboLiuPhD.SWJTU1.4沉降观测的要求特殊情况下沉降观测周期的确定：在特殊情况下，很难掌握沉降变化速率，如周边施工地基开挖、地下水处理、基坑维护等，必须缩短观测周期，以利于监测沉降变化规律。修复分类修复阶段观测周期塌方清理及紧急维护1h河岸中央部分河岸基础建设3h岸体建设1d塌方清理及紧急维护3h河岸两段部分河岸基础建设6h岸体建设2d河岸稳定期视沉降量大小调整为3d、5d、10d等不同周期HaiboLiuPhD.SWJTU1.4沉降观测的要求4）沉降观测各项限差规定及精度要求水准视线长度、视距差及视线高度要求见下表。观测的各项精度要求为:1)每测站高差中误差≤±0.5mm；2)沉降观测点相对于水准基点高差中误差≤±1.0mm。HaiboLiuPhD.SWJTU1.5工后沉降的计算《京沪高速铁路设计暂行规定》对工后沉降的定义为：工后沉降等于“基础设施的最终沉降量与铺轨时的沉降量之差”。桥梁基础工后沉降可按恒载作用下从铺轨开始时基础产生的固结沉降来计算。工后沉降Sgh可表示为式中Sgh-工后沉降；S-最终沉降(总沉降)；Se-瞬时沉降；St-至铺轨时产生的固结沉降。HaiboLiuPhD.SWJTU1.5工后沉降的实测与计算京沪高速铁路沪宁段蕴藻浜特大桥某墩群桩基础。蕴藻浜特大桥跨吴凇江桥群，6桥10线并行，大跨度连续梁，工艺复杂，直接导致有相当数量的简支梁需由“场制机架法”改为现浇法施工，是桥涵基础沉降监控的关键部位和受力复杂的区段。计算参数：承台尺寸8.5m×10.2m3，12根(3×4)钻孔灌注桩、桩径1.0m、桩长43.0m、桩的纵向间距2.7m、横向间距3.2m。HaiboLiuPhD.SWJTU1.2桥梁沉降的危害图2蕴藻浜特大桥某墩沉降实测、计算与预测对比图HaiboLiuPhD.SWJTU1.6桥梁沉降观测的方法1.6.1水准测量方法1）建立固定的观测路线2）观测方法及要求(1)支路线法:当沉降观测点距引测的水准基点较近，且高差也相近时，应尽可能一次置镜测得沉降观测点与水准基点之间的高差。(2)附合水准路线法:附合水准路线法往返测的高差之差及附合路线闭合差均应小于规定值。(3)沉降观测每测站观测程序及具体要求参照《国家一、二等水准测量规范》(GB12897-91)有关规定执行。HaiboLiuPhD.SWJTU1.6桥梁沉降观测的方法1.6.1水准测量方法3）沉降观测数据处理沉降观测数据处理和计算主要包括:沉降观测手簿的计算；沉降观测成果的质量评定(计算每千米或每测站水准测量偶然中误差)；沉降观测点每期沉降量、累计沉降量的计算和绘制p-T-S(荷载、时间、沉降量)，U-T-S(沉降速度、时间、沉降量)曲线；沉降趋势分析和预测；桥梁铺设时机、线路调整时机的评估。HaiboLiuPhD.SWJTU1.6桥梁沉降观测的方法图京津城际铁路杨村特大桥991号墩p-T-S图HaiboLiuPhD.SWJTU1.6桥梁沉降观测的方法1.6.2其他测量方法1）GPS测量方法利用GPS接收器布置于相应测点，进行相对位移自动在线测试。已在超大型桥梁健康监测中广泛应用，但费用较为昂贵。2）连通管测量沉降利用连通器中液体等高的原理，进行测点的人工或自动测试。已在南京长江三桥(公路桥)的健康监测中应用。HaiboLiuPhD.SWJTU1.7沉降评估技术1.7.1沉降评估数学模型的建立目前，在沉降过程回归分析中使用双曲线函数等一元非线性函数作为沉降过程回归分析的基本数学模型。在算法上，一元非线性函数回归分析比较复杂，但可以经过变量代换转换为简单的一元线性回归函数解算回归系数。1）通用一元线性回归函数模型:yi=a+bxi-vii=1，2，...，n(1)式(1)中，y为与沉降量有关的因变量，x为与时间有关的自变量，v为随机因素对y的影响的总和(改正数)，a，b为系数。HaiboLiuPhD.SWJTU1.7沉降评估技术2）评估方法———曲线回归(双曲线法)双曲线方程为St=S0+t/a+btSf=S0+1/b(6)式中，St为时刻t的沉降量；Sf为最终沉降量(t=∞)；S0为初期沉降量(t=0)；a，b为将荷载不再改变以后的实测数据经过回归求得的系数。HaiboLiuPhD.SWJTU1.7沉降评估技术图1沉降与时间关系曲线HaiboLiuPhD.SWJTU1.7沉降评估技术2）分析评估前的资料收集(1)桥梁沉降及变形观测资料。(2)桥梁地段线路纵断面图、工程地质纵横断面图、桥梁设计图纸和说明书、沉降计算报告等相关设计资料。(3)施工过程、施工核查、施工记录和原材料检验情况等施工资料。(4)施工质量控制过程和抽检情况等监理资料。HaiboLiuPhD.SWJTU1.7沉降评估技术3）评估分析方法桥梁基础沉降分析评估应采用曲线回归法。对于预制梁桥，基础沉降应按墩台混凝土施工后、架梁前及架梁后3个阶段进行；对于原位施工的桥梁，基础沉降应根据实际施工状态及荷载变化情况划分阶段。根据桥梁实际荷载情况及观测数据，应作回归分析及预测，综合确定沉降变化的趋势，曲线回归的相关系数应不低于0.92。首次回归分析时，观测期不应少于桥梁主体工程完工后3个月；对于岩石地基等良好地质的桥梁，不应少于1个月。HaiboLiuPhD.SWJTU1.7沉降评估技术4）评估标准根据实测沉降观测资料推算的工后沉降，根据不同线路要求对应不同的标准。如高速铁路线路应符合下列标准:(1)桥墩台均匀沉降量≤20mm。(2)相临墩台沉降量之差≤5mm。HaiboLiuPhD.SWJTU第二部分大跨度桥梁的线形控制2.1桥梁线形控制的意义及目的2.2桥梁线形控制的工作流程2.3桥梁线形测试截面及测点总体布置2.4桥梁线形监控方法2.5桥梁线形监控影响因素2.6桥梁线形控制计算2.7桥梁线形监控要点2.8小榄水道特大桥施工监控实例介绍2.9沙田赣江特大桥施工监控实例介绍HaiboLiuPhD.SWJTU2.1桥梁线形控制的意义及目的桥梁线形控制不仅是桥梁施工技术的重要组成部分，也是确保桥梁施工宏观质量控制的关键及桥梁建设的安全保证，它在施工过