大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工仿真監(jiān)控分析

摘要：以一連續(xù)剛構(gòu)橋—惠民大道主橋懸臂施工過程為研究對象，對該橋施工過程進(jìn)行施工仿真監(jiān)控。采用Midas/Civil對施工過程做仿真分析，分析主梁在施工過程中線型和應(yīng)力變化，為相關(guān)橋梁施工提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋;施工監(jiān)控;有限元

1 工程概況

某新建快速路惠民大道特大橋DT2 標(biāo)段內(nèi)的一座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋橋跨布置為（45+80+45）m 如圖1-1，施工段劃分如圖1-2。圖中80m 左側(cè)為8#墩，右側(cè)為9#墩。

大橋主梁為變截面箱梁，梁高、底板厚度均采用二次拋物線線型，混凝土標(biāo)號為C55，預(yù)應(yīng)力體系為三向預(yù)應(yīng)力，橋墩為圓端型變截面空心墩。

2 主橋有限元計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)模型采用MIDAS 中梁單元模擬，由于施工過程中有混凝土收縮徐變的影響，故采用前進(jìn)分析法進(jìn)行模擬施工。橋梁主梁共有71 個(gè)節(jié)點(diǎn)，分為70 個(gè)單元，主橋有限元模型如圖2-1。施工荷載主要有自重、掛籃、預(yù)應(yīng)力以及二期鋪裝等。邊界條件采用彈性連接的剛性墩梁固結(jié)。

橋梁施工流程為：承臺施工→橋墩施工→0#塊施工→1#塊施工→1#塊張拉→2#塊掛籃→2#塊立模、鋼筋綁扎→2#塊澆筑、養(yǎng)護(hù)→2#塊張拉→掛籃移動，以此類推。

3 計(jì)算模型可靠度分析

本文利用有限元自建模型和設(shè)計(jì)計(jì)算模型數(shù)據(jù)，通過對比兩模型在二期鋪裝完成和十年收縮徐變主梁撓度變化來檢驗(yàn)自建有限元模型的可靠度。二期鋪裝仿真撓度計(jì)算與理論設(shè)計(jì)值對比如圖3-1;十年收縮徐變仿真撓度計(jì)算與理論設(shè)計(jì)值對比如圖3-2。由下圖3-1、圖3-2 可以看出，兩種模型計(jì)算撓度變化曲線大體一致，二期鋪裝兩種模型主梁撓度最大差值為3.54mm，十年成橋兩種模型主梁撓度最大差值為2.32mm，這些數(shù)據(jù)表明：該橋梁自建模型可靠度良好，完全可以用于現(xiàn)場施工模擬。

4 橋梁結(jié)構(gòu)線型控制

在橋梁施工過程中對其施工過程進(jìn)行監(jiān)控，目的在于確保橋梁施工順利實(shí)施，保證最終成橋線型滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、線型平順、受力合理。在每一梁段施工中，對每一梁段的標(biāo)高做實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得每一梁段高程誤差被控制在允許范圍之內(nèi)，當(dāng)誤差超限時(shí)，應(yīng)立即采取措施進(jìn)行調(diào)整，避免隨著施工進(jìn)展誤差不斷積累，導(dǎo)致橋梁無法正常合攏。本連續(xù)梁橋根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際，特制定了線型、應(yīng)力控制的具體實(shí)施方案。利用仿真計(jì)算各施工階段立模標(biāo)高，結(jié)合施工現(xiàn)場不斷修正參數(shù)，指導(dǎo)下一節(jié)段梁體立模標(biāo)高。橋梁的線型監(jiān)控主要是運(yùn)用水準(zhǔn)測量的方法對梁段混凝土澆筑前后、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉前后、掛籃移動前后的高程進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)懸澆梁段布置5 個(gè)標(biāo)高觀測點(diǎn)，頂板3 個(gè)，底板2 個(gè)，具體布置如圖4-1。

根據(jù)圖1-2 中各施工梁段模擬梁底立模標(biāo)高和實(shí)測梁底立模標(biāo)高數(shù)據(jù)的對比可知，惠民大道連續(xù)剛構(gòu)橋8#墩懸臂施工高程實(shí)測值與模擬高程值相差不大，最大差值發(fā)生在18#截面，高程最大差值為18.1mm<20mm，線型控制滿足設(shè)計(jì)要求，梁節(jié)段之間沒有出現(xiàn)較大的錯(cuò)臺折角，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期監(jiān)控目標(biāo)。梁段線型監(jiān)控如圖4-2、圖4-3。

5 橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制

連續(xù)梁橋施工監(jiān)控最主要的項(xiàng)目是線型監(jiān)控和應(yīng)力監(jiān)控，兩者并駕齊驅(qū)。應(yīng)力監(jiān)控不像線型監(jiān)控那么體現(xiàn)的直觀明了，它需要通過一定的設(shè)備間接實(shí)現(xiàn)，即通過測出研究對象的應(yīng)變，然后再換算成應(yīng)力。通過對橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控，可真實(shí)有效地評價(jià)橋梁的實(shí)際受力，進(jìn)而確保施工過程和成橋結(jié)構(gòu)安全可靠。

應(yīng)力控制主要是對橋梁截面鋼筋混凝土在施工過程或成橋受力過程中發(fā)生的狀態(tài)變化進(jìn)行評估。在本次惠民大道連續(xù)梁橋的應(yīng)力監(jiān)控中，依據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際，特制定了應(yīng)力監(jiān)控的具體方案。應(yīng)力監(jiān)控的傳感器選用JMZX-215HAT 埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)，如圖5-1、圖5-2。

應(yīng)力監(jiān)控主要是通過測定頻率得出應(yīng)變值，然后通過結(jié)構(gòu)體的彈性模量計(jì)算出結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)體的應(yīng)變受溫度干擾時(shí)，需要在測試中消除其影響，從而獲得結(jié)構(gòu)體的真實(shí)應(yīng)變。計(jì)算公式如下：

5.1 應(yīng)力測定點(diǎn)布置

大橋主橋應(yīng)力測定控制截面如圖5-3，A 類截面為懸臂根部截面，B 類截面為1/4 跨截面，C 類截面為跨中截面。應(yīng)力監(jiān)測梁段剖面布置如圖5-4。

5.2 應(yīng)力監(jiān)測成果

大橋主梁底板、頂板應(yīng)力監(jiān)控分掛籃移動就位、混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行;一方面利用有限元模擬計(jì)算結(jié)果得到應(yīng)力數(shù)據(jù)，另一方面從施工現(xiàn)場采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變之間關(guān)系算出應(yīng)力值，然后對兩種成果進(jìn)行對比。各控制面應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如圖5-5、圖5-6。

由上述結(jié)果得知，惠民大道連續(xù)梁橋懸臂施工中，箱梁的底板、頂板都是受壓狀態(tài)，模擬與實(shí)測的應(yīng)力變化趨勢基本一致;隨著掛籃移動、混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉，箱梁應(yīng)力呈齒狀變化規(guī)律。截面最大壓應(yīng)力10.55Mpa，最大拉應(yīng)力0.31Mpa，但都小于C55 混凝土抗壓強(qiáng)度35.5Mpa，抗拉強(qiáng)度2.74Mpa。橋梁應(yīng)力實(shí)測值比模擬值偏大，究其原因是有限元建模簡化與實(shí)際受力狀態(tài)有偏差，施工現(xiàn)場荷載臨時(shí)堆放難以掌握。

6 結(jié)語

通過一連續(xù)梁橋?qū)嵗龖冶凼┕けO(jiān)控的有限元仿真并結(jié)合施工現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用本文的仿真模擬可以達(dá)到線型、應(yīng)力監(jiān)控的預(yù)期目標(biāo)，且均在容許誤差范圍之內(nèi)，能夠保證施工過程的安全和成橋線型流暢。有限元施工監(jiān)控模擬的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)施工前的預(yù)演，為施工質(zhì)量、進(jìn)度和成本控制提供參考。下一步的工作將通過各參數(shù)的調(diào)整，找出主要敏感參數(shù)，繼續(xù)優(yōu)化調(diào)整仿真模型使其更加符合實(shí)際情況。

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李智強(qiáng)，（1979-09—），男（漢族），山西人，碩士，講師;研究方向：橋梁健康監(jiān)測與防護(hù)研究。

基金項(xiàng)目：

吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020 年度基于MIDAS CIVIL 的橋梁施工監(jiān)控?cái)?shù)值模型的分析研究課題（2020SKD012）

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院，吉林 132200）