基于數(shù)值仿真的拱橋施工監(jiān)控技術

楊 浩

（重慶交通大學 土木建筑學院 重慶 400074）

基于數(shù)值仿真的拱橋施工監(jiān)控技術

楊 浩

（重慶交通大學 土木建筑學院 重慶 400074）

橋梁施工難度大，結構復雜，為保證橋梁施工安全，成橋后線形符合設計要求，結合數(shù)值仿真技術對全橋施工過程進行監(jiān)控是很有必要的。以某1-100米渡水拱橋為研究對象，選擇5個應力監(jiān)測面，將實測數(shù)據(jù)與有限元模型數(shù)據(jù)進行對比分析，為實際施工提供真實可靠的數(shù)據(jù)支撐，利于施工方案的調整或修改，提高橋梁施工質量。

拱橋；施工監(jiān)控；數(shù)值仿真

0 ．前言

橋梁施工監(jiān)控的目的和意義就是保證施工過程中結構的安全性、橋梁分段順利合攏。根據(jù)施工監(jiān)測所得的結構參數(shù)真實值進行施工階段計算，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預測，從而通過施工方案進行調整，以此來保證施工沿著預定軌道進行。無論是撓度觀測值還是截面應變觀測值中都包含溫度不均勻產(chǎn)生的影響。采用撓度和應力雙控參數(shù)對整個施工過程進行監(jiān)測，能夠有效地實現(xiàn)施工控制，使結構的外觀形狀和內(nèi)力均符合設計、施工規(guī)程的要求，保證大橋順利建成及運營后結構內(nèi)力和線形良好。

1 ．工程概況

渡水橋設計為1-100m箱形板拱橋，主拱圈為等截面懸鏈線無鉸拱，凈跨100米，矢跨比1/6，拱軸系數(shù)m=1.756，由于橋址區(qū)場地限制，主拱圈采用搭設鋼拱架現(xiàn)澆施工。兩岸引橋橋墩基礎及橋臺基礎均采用雙柱式基礎，且?guī)r層飽和極限抗壓強度不小于6MPa。兩岸主拱拱座均為砼圬工結構，嵌入除去強風化破碎層后的新鮮完整基巖內(nèi)，拱座砼采用不立模澆筑，使拱座砼與巖體成一整體。

2 ．施工監(jiān)控原則

拱橋的理想幾何線形與合理內(nèi)力狀態(tài)不僅與設計有關，而且還依賴于科學合理的施工方法。如何通過對施工過程的控制，在成橋時得到預先設計的受力狀態(tài)和幾何線形，是橋梁施工中非常困難和關鍵的問題。同時，施工控制的結果為橋梁實行長期監(jiān)測提供原始依據(jù)，是橋梁運營狀態(tài)監(jiān)測的起點。

根據(jù)以往鋼筋混凝土箱拱橋施工控制經(jīng)驗，影響施工過程中橋梁結構內(nèi)力和線形的因素主要有以下幾方面：（1）橋梁施工臨時荷載，（2）拱架剛度和穩(wěn)定性，（3）主拱合攏時溫度影響，（4）混凝土徐變及收縮，（5）混凝土彈性模量。

橋梁施工監(jiān)控的目標，就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結構參數(shù)真實值進行施工階段計算，根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預測，以此來保證施工沿著預定軌道進行，從而保證主梁合攏后橋面線形和結構內(nèi)力符合設計要求，保證施工過程中結構的安全性、橋梁順利合攏、橋梁成橋受力狀態(tài)及合攏后橋面線形良好。然而，由于實際施工過程中各種條件的變化，結構在成橋時橋梁的內(nèi)力和線形與設計總存在一定的誤差，根據(jù)以往的該類橋型施工監(jiān)控經(jīng)驗，在保證結構施工和營運內(nèi)力安全的前提下，結構在成橋狀態(tài)的線形與設計相比，高程線型最大偏差一般不超過20mm；橋軸線偏差一般不超過10mm；橫向扭轉一般不超過10mm。

渡水橋施工監(jiān)控目標的選擇應考慮兩個方面的因素，一方面要選擇用現(xiàn)有技術條件能實施的控制目標，另一方面要選擇對主橋結構有重要影響的關鍵控制目標，并且量測到的控制目標能反映主橋結構的實際狀況，對施工過程的安全能起到指導意義。

3.結構計算與分析

結構分析是結構施工控制的主要工作內(nèi)容之一，該項工作根據(jù)施工過程與成橋運營情況來完成各施工狀態(tài)及成橋后的內(nèi)力與位移計算，進而確定出結構各施工階段的內(nèi)力與位移理論值。計算可考慮施工的進程、時間、相應狀態(tài)臨時荷載、環(huán)境溫度、截面的變化、結構變化、混凝土的收縮與徐變、預加應力等因素?？纱_定預測下一施工狀態(tài)及施工成橋狀態(tài)的內(nèi)力與位移。結構施工過程中結構分析采用倒退分析與前進分析兩種方法。結構施工過程中結構行為分析采用非線性有限元法。該項分析包括如下幾項內(nèi)容：

（1）橋梁結構的檢算復核：復核結構初始狀態(tài)的預拱度；確定各施工理想狀態(tài)的內(nèi)力與位移。

（2）通過比較確定出結構最大內(nèi)力與位移的相應狀態(tài)。

（3）施工過程中的穩(wěn)定性計算：確定最不利狀態(tài)，提出相應的抗失穩(wěn)措施。

（4）給出有關施工的建議。

按照設計圖運用大型通用有限元分析軟件Midas建立有限元分析。

根據(jù)橋梁的實際施工以及監(jiān)測情況，將橋梁分成如下階段（主拱圈頂板底板各分三個施工階段階段）：1、安裝鋼拱架；2、鋼拱架進行試壓；3、卸掉鋼拱架試壓荷載；4、安裝腹板橫隔板5、澆筑拱腳實腹段；6、主拱圈底板第一段（拱腳到跨中一段區(qū)域）；7、主拱圈底板第二段（拱頂?shù)装鍧仓?、主拱圈底板第三段（底板合龍）；9、主拱圈頂板第一段（拱腳到跨中一段區(qū)域）；10、主拱圈頂板第二段（拱頂頂板澆筑）；11、主拱圈頂板第三段（頂板合龍）12、拆鋼拱架；13、澆筑5、6、7號墩立柱14、澆筑部分立柱和蓋梁；15、立柱和蓋梁澆筑完；16、主拱圈上澆筑部分橋面板；17、主拱圈上橋面板澆筑完。

根據(jù)不同的施工階段得到監(jiān)測截面的應力值、位移值的大小。

4.實測數(shù)據(jù)的獲取

渡水橋施工監(jiān)控的主要內(nèi)容包括：施工階段鋼拱架與主拱圈的應力、應變、位移（主要是沉降）、拱軸線偏位。

考慮要適合長期施工過程觀測并能保證足夠的精度，對鋼拱架和主拱圈分別選用長期性、穩(wěn)定性較好，精度較高的 JMZX-212 型表面智能數(shù)碼弦式應變計和JMZX-215型埋入式混凝土應變計，以及配套的數(shù)字頻率接收儀進行應力測試。通過測定應變計的頻率，從而換算得到應力值。

根據(jù)渡水橋施工時的方法、受力特點和施工控制的主要目的，確定鋼拱架和主拱圈正應力截面各5個，分別為拱腳截面（2個），1/4截面（2個）和拱頂截面（1個）。

對于鋼拱架，應變計采用 JMZX-212型表面智能數(shù)碼弦式應變計，其安裝點具體位置如圖2；

對于主拱圈，應變計采用JMZX-215型埋入式混凝土應變計。

根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境情況，由于施工環(huán)境在發(fā)生變化，所以鋼拱架和主拱圈均采用自由設點坐標的方法，在靠近施工現(xiàn)場區(qū)域選擇一點作為儀器點，一點為后視點，標記完成后，用這些點作為固定點設立坐標系，觀測橋上設立的觀測點，測試每一個測點的 X、Y、Z坐標值，每次測試值與最初值和上一次的值進行比對，控制差值在合理范圍以內(nèi)。測試儀器選用進口的GPS全站儀，對于坐標值測試更加精準。

為消除日照溫差引起的拱圈的不規(guī)則變化，線形測量選擇在溫度變化小、氣溫穩(wěn)定的時間段進行，并應縮短測量工作持續(xù)的時間。

根據(jù)施工進度，及時獲取不同施工階段的實測數(shù)據(jù)，保留原始數(shù)據(jù)。如果測量中發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)有較大的偏差，應當加強監(jiān)測的頻率，分析可能造成偏差的原因。

5 結論

運用橋梁專業(yè)有限元軟件midas civil，通過建立符合現(xiàn)場實際的有限元仿真分析模型，對橋梁各施工階段以及關鍵部位應力狀態(tài)的實時預報分析，并輔以控制截面關鍵部位應力的實時測量分析。實時調整仿真分析參數(shù)，使其最大限度地反映現(xiàn)場實際的各種情況。調整后的仿真分析結果與現(xiàn)場實測數(shù)值吻合良好，充分說明了有限元仿真模型的建立、邊界條件的模擬、荷載模式的選擇以及橋梁物理參數(shù)的取值均符合現(xiàn)場實際，科學地預報了下階段橋梁應力和變形狀態(tài)，為大橋的安全施工提供了有效技術保障。

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