桁架式鋼混組合結(jié)構(gòu)橋施工控制技術(shù)

馬建僑，李 飛，李福利

(天津城建集團(tuán)有限公司，天津市 300211)

桁架式鋼混組合結(jié)構(gòu)橋施工控制技術(shù)

馬建僑，李 飛，李福利

(天津城建集團(tuán)有限公司，天津市 300211)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)多樣化、施工技術(shù)日趨成熟，各種新興結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、使用的安全性、長(zhǎng)久化、結(jié)構(gòu)的輕量化提出了更高的要求，鋼-混凝土疊合梁橋便是兼具以上諸多特點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)橋梁，但整體橋面系受力較為復(fù)雜，每進(jìn)行一步施工都有可能影響橋梁整體質(zhì)量和受力性能，為此需要在橋梁施工全過(guò)程中使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)建立完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型，全程模擬計(jì)算，分析各施工階段的的受力特點(diǎn)，在施工過(guò)程中檢測(cè)每道工序施工后，橋梁的應(yīng)力與撓度，為下一步施工提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

新型結(jié)構(gòu);程序軟件;仿真模型;模擬計(jì)算;應(yīng)力;撓度

0 引言

隨著現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的多樣化、復(fù)雜化，使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，施工前對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，施工過(guò)程中進(jìn)行控制、修正并指導(dǎo)下一步施工，讓不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題始終在可控狀態(tài)，確保橋梁施工質(zhì)量與安全已變得尤為重要。

本文以天津市吉兆橋?yàn)楣こ瘫尘埃撌隽嗽谠谑┕で巴ㄟ^(guò)建立正確的模型和性能指標(biāo)之后，就要依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和控制參數(shù)，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等，獲得結(jié)構(gòu)按施工階段進(jìn)行的每階段的內(nèi)力和撓度及最終成橋狀態(tài)的內(nèi)力和撓度。假設(shè)成橋時(shí)為理想狀態(tài)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒拆，利用前進(jìn)分析所得的數(shù)據(jù)，可獲得使橋梁結(jié)構(gòu)最終為理想狀態(tài)的各階段的預(yù)拋高值，得出各施工階段的立模標(biāo)高以臨時(shí)支撐、砼澆筑后、鋼筋張拉前、鋼筋張拉后的預(yù)計(jì)標(biāo)高，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，在施工過(guò)程中通過(guò)預(yù)先安裝和埋設(shè)的感應(yīng)原件監(jiān)測(cè)出各階段的實(shí)際狀態(tài)值，再由最后的最優(yōu)控制，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)值，得出最優(yōu)調(diào)整方案，最終完成整個(gè)控制過(guò)程。

1 施工過(guò)程全程模擬計(jì)算

鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁整體橋面系受力較為復(fù)雜，每進(jìn)行一步施工都有可能影響橋梁整體質(zhì)量和受力性能，為此項(xiàng)目部聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)較權(quán)威的機(jī)構(gòu)做為第三方使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)建立完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型，全程模擬計(jì)算，分析各施工階段的受力特點(diǎn)，為下一步施工提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)[1]。

1.1 仿真模型的定義

根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過(guò)程的、且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的橋梁結(jié)構(gòu)模型，據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。

1.2 施工監(jiān)測(cè)過(guò)程及大數(shù)據(jù)計(jì)算

橋梁施工監(jiān)控是一個(gè)“施工→測(cè)量→計(jì)算分析→修正→預(yù)報(bào)→施工”的循環(huán)過(guò)程。事先在塔、梁、索等主要結(jié)構(gòu)部位布設(shè)相關(guān)的傳感器和測(cè)試儀器以獲得大量的控制數(shù)據(jù)，包括幾何參量和力學(xué)參量;利用高效計(jì)算機(jī)程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，確定一個(gè)階段的施工參數(shù)。通過(guò)二者的有機(jī)結(jié)合，對(duì)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)橋跨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形符合設(shè)計(jì)要求，確保橋梁施工安全和正常運(yùn)營(yíng)，并保證其具有優(yōu)美的外觀形狀。

1.2.1 監(jiān)控監(jiān)測(cè)的任務(wù)

施工監(jiān)控監(jiān)測(cè)的工作任務(wù):

(1)在施工過(guò)程中，與施工協(xié)調(diào)配合，通過(guò)監(jiān)測(cè)反饋的數(shù)據(jù)，對(duì)大橋進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使橋梁達(dá)到設(shè)計(jì)所希望的幾何形狀和合理的內(nèi)力狀態(tài)，確保橋梁在實(shí)際施工過(guò)程中的安全與穩(wěn)定。

(2)與設(shè)計(jì)單位、監(jiān)測(cè)單位密切配合，制定安全、最優(yōu)、合理的詳細(xì)施工方案和步驟。并根據(jù)選定的施工方法，對(duì)施工階段進(jìn)行仿真計(jì)算，提供各施工階段的施工控制參數(shù)。

(3)針對(duì)橋梁實(shí)際施工狀態(tài)與理想設(shè)計(jì)模型的差異以及理論值與實(shí)測(cè)值不一致的問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整計(jì)算模型及參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整下一施工階段的控制預(yù)報(bào)參數(shù)。

1.2.2 監(jiān)控監(jiān)測(cè)的實(shí)施

施工監(jiān)控采用預(yù)測(cè)控制法，即在全面考慮影響結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和施工所要達(dá)到的目標(biāo)任務(wù)后，對(duì)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)施工階段形成前后狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，使施工沿著預(yù)定狀態(tài)進(jìn)行。由于預(yù)測(cè)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間總有誤差存在，某種誤差對(duì)施工目標(biāo)的影響則在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測(cè)予以考慮，以此循環(huán)直到施工完成和獲得與設(shè)計(jì)相符的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

(1)監(jiān)控計(jì)算模型的建立

在結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析中，建立用于分析計(jì)算的有限元數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的一環(huán)。

a. 建模的基本要求

在結(jié)構(gòu)仿真分析計(jì)算模型的建立過(guò)程中，主要考慮以下幾個(gè)方面的要求:

結(jié)構(gòu)形狀(包括構(gòu)件的長(zhǎng)度、寬度、厚度等)變化的要求;

材料特性(模量、容重、泊松比、溫度膨脹系數(shù)等)變化的要求;

橋面恒載、施工荷載、汽車(chē)活載等作用模擬的要求;

問(wèn)題求解計(jì)算精度的要求;

計(jì)算求解過(guò)程中為避免出現(xiàn)病態(tài)問(wèn)題的要求。

b. 換算(等效)模量和容重

在分析中，把鋼筋混凝土視為勻質(zhì)材料，這就需要對(duì)其彈性模量和容重進(jìn)行換算，也即進(jìn)行等效處理。

式中:Ecs、Dcs分別為鋼筋混凝土的等效彈性模量、等效容重;Ec、Dc分別為混凝土的彈性模量、容重; Es、Ds分別為鋼筋的彈性模量、容重;G為配筋率，小于2%時(shí)可以忽略。

全橋其他各鋼筋混凝土部位配筋率各不相同，因此各個(gè)部分就會(huì)有不同的等效模量和等效容重。

c. 收縮、徐變及溫度影響

對(duì)于塔柱等分段澆注的混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的收縮影響力，相當(dāng)于降溫10℃～15℃，對(duì)應(yīng)的收縮終極值為15×10-5～20×10-5。

徐變?cè)谟?jì)算分析中用調(diào)整齡期的有效彈性模量法來(lái)考慮。有效彈性模量

式中:E(τ)為加載齡期τ時(shí)的彈性模量;χ(t，τ)為老化系數(shù);Φ(t，τ)為徐變系數(shù)。

在超靜定鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中，溫度的影響是不可忽視的。無(wú)論是年溫差還是日溫差，或者是各構(gòu)件之間的溫差，都會(huì)引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。按照設(shè)計(jì)要求的溫差計(jì)入溫度影響力。

d. 基礎(chǔ)與地基

地基和基礎(chǔ)均由三維實(shí)體單元來(lái)模擬，不同巖性的地基作為不同材料來(lái)處理。把地基作為不同性質(zhì)的材料做成模型，共同參與受力分析，這樣使分析具有完整統(tǒng)一的計(jì)算模型，減少甚至避免了由于邊界條件的假定而帶來(lái)的缺陷。

(2)結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

依照以上建模方法，利用有限元程序ANSYS建立完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型。然后依據(jù)此模型，采用ANSYS計(jì)算模塊進(jìn)行調(diào)試計(jì)算，對(duì)該橋在各種工況下、各部分的受力及變形特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，以期提出合理的分析結(jié)果或?qū)κ┕び欣慕ㄗh。

監(jiān)控計(jì)算包括以下內(nèi)容:

a. 全橋恒、活載作用下結(jié)構(gòu)整體空間計(jì)算分析;

b. 主梁受力與變形分析;

c. 溫度對(duì)全橋結(jié)構(gòu)受力性能影響分析;

d. 風(fēng)荷載對(duì)全橋結(jié)構(gòu)受力性能影響分析;

2 應(yīng)用

吉兆橋主橋鋼結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)200 m，充分考慮場(chǎng)內(nèi)加工，道路運(yùn)輸、吊裝以及高空組裝焊接的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次研究，確定將鋼結(jié)構(gòu)不均勻劃分為13段。

施工方案確定與空間仿真分析:

通過(guò)計(jì)算分析，確定詳細(xì)的鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)合板的施工順序，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬施工的空間仿真計(jì)算，分析各個(gè)施工階段的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，驗(yàn)證施工方案的可實(shí)施性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

監(jiān)控計(jì)算采用倒拆法，通過(guò)從成橋狀態(tài)倒拆結(jié)構(gòu)的過(guò)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析來(lái)得到每一工況段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)和位移狀態(tài)。計(jì)算時(shí)由于設(shè)計(jì)所采用的計(jì)算參數(shù)(諸如材料彈性模量、構(gòu)件的重量、施工中溫度變化以及施工臨時(shí)荷載條件等)與實(shí)際工程中所表現(xiàn)出來(lái)的并不完全一致，因此計(jì)算只能按假定的理想狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，然后再根據(jù)施工過(guò)程中所監(jiān)測(cè)到的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)原假定計(jì)算施工控制的目標(biāo)值進(jìn)行必要的調(diào)整，以保證主體結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全并最終達(dá)到或接近設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)[2]。

主梁應(yīng)力測(cè)量與線形控制:主橋鋼梁結(jié)構(gòu)為鋼管樁臨時(shí)支撐，先拼接鋼結(jié)構(gòu)主梁和澆筑除負(fù)彎距區(qū)外的混凝土，然后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，再澆筑剩余部分混凝土并張拉預(yù)應(yīng)力束。在鋼梁各施工階段，必須實(shí)時(shí)進(jìn)行主梁線形控制和應(yīng)力測(cè)量，以便及時(shí)調(diào)整施工狀態(tài)。

2.1 各施工工況監(jiān)測(cè)重點(diǎn)

本工程橋梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，施工工序較為繁瑣，主要包含支架拆除、負(fù)彎矩下弦桿配種混凝土澆筑、分段混凝土澆筑及預(yù)應(yīng)力張拉等12個(gè)工序，施工過(guò)程中應(yīng)主要對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及撓度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

本次施工過(guò)程中，通過(guò)在結(jié)構(gòu)中預(yù)先安裝的監(jiān)測(cè)元件，測(cè)得了橋梁跨中的應(yīng)力和撓度變形數(shù)值，并與理論計(jì)算值進(jìn)行了比對(duì)[3];加測(cè)了主橋7號(hào)斷面的應(yīng)力值變化，具體數(shù)值見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 跨中斷面計(jì)算撓度

圖2 跨中計(jì)算應(yīng)力

從圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，跨中斷面的混凝土橋面板、上弦桿頂面以及下弦桿底面的撓度變化成正比，即拆除臨時(shí)支撐后澆筑配種混凝土增加了下弦桿的穩(wěn)定性，但基本不影響橋梁主體的整體撓度，負(fù)彎矩混凝土的澆筑與預(yù)應(yīng)力張拉也未對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)撓度變化產(chǎn)生較大的影響，然后隨著正彎矩橋面板混凝土的澆筑正加了橋梁跨中區(qū)域的自重，進(jìn)而使撓度變化增大，而后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉又使橋梁主體結(jié)構(gòu)有較大的上撓幅度，后期增加的二期恒載也增大了橋梁整體的撓度。

從圖2和圖4中的數(shù)據(jù)可以看出，每道工序?qū)炷恋膽?yīng)力數(shù)值影響不大，上弦桿的應(yīng)力僅收到正彎矩混凝土的預(yù)應(yīng)力張拉影響，隨著預(yù)應(yīng)力的張拉，應(yīng)力數(shù)值逐漸減小，下弦桿的應(yīng)力與撓度變化呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)，主要由于上承式橋梁結(jié)構(gòu)隨著橋梁整體結(jié)構(gòu)的逐漸成型，應(yīng)力也會(huì)逐漸向上轉(zhuǎn)移。

從圖3中的數(shù)據(jù)可以看出，拆除臨時(shí)支撐后，由于橋梁主體結(jié)構(gòu)自重的承載方式的轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)撓度瞬間增加，隨著橋面混凝土板的張拉，使結(jié)構(gòu)的撓度逐漸減小，由于施工監(jiān)測(cè)存在微小誤差，同種結(jié)構(gòu)在橋梁上下游的施工也不能保證完全一致，就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)上微弱的差異，但仍在合理范圍內(nèi)。

圖3 跨中實(shí)測(cè)撓度數(shù)據(jù)圖

圖4 吉兆橋應(yīng)力測(cè)表量(7截面)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)構(gòu)的計(jì)算可以得出橋梁理論撓度變形和應(yīng)力值，我們可以以此作為依據(jù)指導(dǎo)施工，在實(shí)際施工中，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的測(cè)量元件以及光學(xué)測(cè)量?jī)x器對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，可以得到橋梁結(jié)構(gòu)在各工序中最為真實(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過(guò)將理論值和實(shí)測(cè)值得對(duì)比可以得出兩組數(shù)據(jù)具有極為相似的規(guī)律性變化，進(jìn)一步證明了使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對(duì)吉兆橋主體結(jié)構(gòu)建立完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型，全程模擬計(jì)算對(duì)此列橋梁施工的指導(dǎo)性作用，這也為今后同類(lèi)型橋梁施工提供理論依據(jù)。

[1] 高廣義，李錫胤.中山二橋施工監(jiān)測(cè)報(bào)蘙[R].天津港灣工程研究所，1995.

[2] 高廣義，李嘵軍.天津彩虹大橋施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)試驗(yàn)研究[R].交通部天津港灣質(zhì)量檢測(cè)中心，1998.

[3] 張和水，高廣義.韓莊104國(guó)道公路橋施工監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津港灣工程研究所，1999.

U445

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1009-7716(2015)11-0114-04

2015-07-13

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化施工技術(shù)研究》(課題編號(hào):2011BAJ09B0403)。

馬建僑(1976-)，男，廣東紫金人，高級(jí)工程師，從事道橋施工管理工作。