基于溫度變化的中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換工程施工監(jiān)控

楊紹兵 苗榮海

摘 要:介紹了中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換過程中的施工監(jiān)測, 運(yùn)用大型有限元軟件MIDAS/Civil建立了其有限元計(jì)算模型，通過在MIDAS/Civil中設(shè)置溫度變化進(jìn)行計(jì)算分析并與施工監(jiān)測實(shí)測值對比，分析了施工過程中溫度效應(yīng)對大跨徑中承式鋼管混凝土拱橋整體穩(wěn)定性和橋面線形的影響,確保主橋拱結(jié)構(gòu)在吊桿更換施工過程中的安全可靠;其研究結(jié)果對橋梁吊桿更換監(jiān)控及施工提供一定的參考。

關(guān)鍵詞: 施工監(jiān)測 溫度 穩(wěn)定性安全系數(shù) 橋面線形；

中圖分類號(hào)：TU997文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1 工程概況

重慶某橋跨經(jīng)組合為58m(引跨)+130m(邊跨)+200m(主跨)+130m(邊跨)+58m(引跨)，橋面全寬為22.5m[凈7.5×2(行連道)+2m(綠化帶)+2×2.75m(人行道)]。荷載等級(jí)為汽一超20，掛一120，人群荷載為3.5kN/m2，橋位地震烈度為6度。引跨為上承式鋼筋混凝土拱橋，其主跨和邊跨為中承式鋼管混凝土拱橋，主跨吊桿為46根，兩邊跨吊桿各28根，總共需更換吊桿102根，由于主跨跨徑為200米，本文由于篇幅所限主要研究主跨在更換吊桿工程中的溫度影響下的線形控制和穩(wěn)定性分析。

2 模型建立

模型的建立首先要滿足施工監(jiān)控的計(jì)算要求，其次是在精度滿足要求的基礎(chǔ)上對實(shí)橋的簡化，任何模型都不可能完全按照實(shí)橋進(jìn)行建模，所以結(jié)合實(shí)際工程需要的模型精度要求和計(jì)算效率，對該橋進(jìn)行了適當(dāng)簡化，并保證簡化后的力學(xué)模型符合結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確度以及精確度。

本文運(yùn)用大型通用有限元軟件MIDAS/Civil建立計(jì)算模型。在該橋的建模過程中，充分考慮各種構(gòu)件的形狀以及受力特點(diǎn)，分別在MIDAS/Civil軟件中選取最適用的單元類型。該模型共建立3510個(gè)單元，其中有3464個(gè)梁單元，46個(gè)桁架單元。這兩種單元的特點(diǎn)如下：(1)空間梁單元空間梁單元是由2個(gè)節(jié)點(diǎn)連接組成的，而且它具有拉、壓、彎、扭、剪5種剛度。利用MIDAS/Civil建模時(shí)，如果要建的是等截面梁單元，只需要輸入該單元對應(yīng)構(gòu)件的截面面積就行了；如果要建的是變截面變剛度的梁單元(即梁截面的剛度是沿長度發(fā)生變化的)，則需要輸入梁兩端的兩個(gè)不同截面的面積，此種情況通常都是假設(shè)該梁單元的相關(guān)參數(shù)(比如橫截面面積和剛度等)是沿著某一方向成線性分布的(一般假設(shè)沿x軸)，而其他參數(shù)則可以根據(jù)不同的情況而形成沿x軸的n次方函數(shù)［1-3］。(2)桁架單元

在MIDAS/Civil中，桁架單元也是由2個(gè)節(jié)點(diǎn)連接而構(gòu)成的單元，且為線性，在受力方面只是單向受拉、壓，且只傳遞軸向力。通常情況下，在研究空間桁架結(jié)構(gòu)或者交叉支撐結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)選取桁架單元［1-3］。該橋拱肋的主弦桿、豎向腹桿、斜腹桿、橫向支撐、主梁和吊桿橫梁以及縱梁都是采用的梁單元，吊桿選擇的是桁架單元，該工程的空間計(jì)算模型如圖1所示。

圖1：midas模型標(biāo)準(zhǔn)圖

3施工控制理論

3.1施工監(jiān)測、控制目的

施工檢測的目的就是為了保證大橋質(zhì)量,保證全橋吊桿更換施工完成后，使主拱結(jié)構(gòu)的線形和橋面系線形和原線形誤差在規(guī)范要求范圍內(nèi)，即與吊桿更換前的主拱結(jié)構(gòu)線形以及橋面系線形一致，并且使主拱結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與更換前相一致。施工控制目的就是為了保證施工中和施工后的安全，在吊桿更換施工過程中，通過監(jiān)測主拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、吊桿張拉力、變形及橋面系線形高程來達(dá)到及時(shí)了解結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，保證主拱結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定；其次保證結(jié)構(gòu)的受力合理，為大橋安全吊桿更換施工中吊桿更換和張拉提供技術(shù)保障[4]。

3.2橋面及拱肋高程施工控制監(jiān)測方法

橋面高程監(jiān)測的目的主要是確定吊桿更換過程中橋面撓度的變化情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過與吊桿更換前原標(biāo)高相比，保證吊桿更換過程中撓度不發(fā)生異常.其中，以測量施工各階段吊桿張拉前后以及施工荷載的高程作為控制吊桿更換前后橋面線的依據(jù)，確保橋梁線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測量點(diǎn)布置在橫梁上橋面吊桿處，由于吊桿生產(chǎn)量及其微小，拱肋高程變化采用橋面吊桿處高程減去吊桿伸長量得到。高程監(jiān)測點(diǎn)在橫梁兩側(cè)靠近吊桿附近每隔7m布置1點(diǎn),即吊桿錨固處布置標(biāo)高測試點(diǎn)，上、下游均設(shè)置，共46個(gè)測點(diǎn)。

高程測試采用精密水準(zhǔn)儀，測量精度可達(dá)到0.15mm，測站檢核采用雙面尺法，儀器高度不變，對立在前視點(diǎn)和后視點(diǎn)水準(zhǔn)點(diǎn)上的水準(zhǔn)尺分別用黑面和紅面各進(jìn)行1次讀數(shù)，測得2次高差，相互進(jìn)行檢核。若同一水準(zhǔn)尺紅面與黑面讀數(shù)之差不超過3mm,則取其平均值作為該測站觀測高差。成果檢校采用閉合水準(zhǔn)路線的辦法，即進(jìn)行閉合回路的測量，各點(diǎn)之間高差的代數(shù)和應(yīng)等0，如果不為0，便產(chǎn)生高差閉合差,其大小不應(yīng)超過容許值，并將閉合差進(jìn)行分配。

4數(shù)據(jù)分析

4.1有限元分析

在施工中重慶在春夏交界的一周時(shí)間內(nèi)突然從氣溫十幾度升至近四十度，本文中運(yùn)用midas/civil軟件按照施工中實(shí)際天氣和溫度升降情況施加溫度荷載，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并提取溫度對橋面位移數(shù)據(jù)，分析溫度對橋梁的線型影響，并與實(shí)測值對比，應(yīng)嚴(yán)格控制橋梁的穩(wěn)定性，保證施工中橋梁的安全。本文采取系統(tǒng)溫度整體上升20℃，得到前四階的穩(wěn)定安全系數(shù)分別為5.1、5.8、6.9、7.8，失穩(wěn)模態(tài)圖如圖2，并得到橋面線型在升溫20℃時(shí)理論分析變化如圖3。

圖2：升溫20℃的一階失穩(wěn)模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)視圖

圖3：升溫20℃的模型理論橋面線形變化值

4.2橋面標(biāo)高實(shí)測變化分析

由于吊桿更換施工處于春夏交界時(shí)，重慶出現(xiàn)極端天氣，在短時(shí)間內(nèi)升溫20左右，因此在施工中在升溫前后對橋面標(biāo)高進(jìn)行測量，并與理論計(jì)算分析結(jié)果對照以便指導(dǎo)施工。橋面標(biāo)高升溫前后橋面吊桿處標(biāo)高變化如圖4。

圖4：升溫20℃橋面線形變化實(shí)測值

5結(jié)論

在吊桿更換施工監(jiān)控中,應(yīng)考慮吊桿索力和主橋線形的控制，由于施工中極端天氣的出現(xiàn)，本文主要考慮溫度對橋梁線形的影響，通過了理論與實(shí)測值對比，兩者基本相符，又通過對全橋升溫20℃的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：（1）在升溫20℃的極端天氣下橋梁穩(wěn)定性系數(shù)較大，符合安全施工過程中橋梁穩(wěn)定性系數(shù)，且該工況下實(shí)測值與理論計(jì)算值符合，不影響施工。（2）在出現(xiàn)極端天氣時(shí)應(yīng)加強(qiáng)施工中監(jiān)控量測，一旦出現(xiàn)實(shí)測值與理論值相比明顯偏大應(yīng)進(jìn)行分析，以免施工中出現(xiàn)危險(xiǎn)。(3)通過理論計(jì)算和實(shí)測中得到的橋面標(biāo)高變化表中，可以得出橋梁跨中橋面的高程受溫度影響最大，兩邊則相對較小。

參考文獻(xiàn):

［1］盛可鑒．風(fēng)荷載作用下的鋼管混凝土拱橋非線性穩(wěn)定性分析［J］．森林工程，2006，22(2):53-54．

［2］李自林.劉明燕，李妲．大跨度鋼管混凝土拱橋溫度效應(yīng)研究［J］．鐵道建筑，2010(8):18-20．

［3］劉明燕．桁式鋼管混凝土拱橋地震響應(yīng)研究［D］．天津:天津城市建設(shè)學(xué)院，2010．

［4］呂宏亮.鋼管混凝土系桿拱橋施工控制研究[J] 建筑技術(shù),2008,39(10):80528081

［5］李國豪．橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)［M］．北京:中國鐵道出版社，2010．

作者簡介：楊紹兵、男、漢族、出生日期：1986年3月，2011年至今就讀于重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院建筑與土木工程專業(yè)碩士研究生