轉(zhuǎn)體施工技術(shù)下的T構(gòu)梁施工監(jiān)控和仿真模擬分析

費家林，宋滿榮，柳炳康，陳金彪

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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轉(zhuǎn)體施工技術(shù)下的T構(gòu)梁施工監(jiān)控和仿真模擬分析

費家林，宋滿榮，柳炳康，陳金彪

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)體施工橋梁受力和變形情況十分復(fù)雜。以某橋梁工程為例，采用Midas/Civil軟件建立有限元仿真分析模型，計算橋梁各施工階段的應(yīng)力和變形情況。將施工過程中線形控制與應(yīng)力控制的實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行對比分析，探討橋梁關(guān)鍵部位在施工過程中的線形及應(yīng)力變化，以及有限元分析軟件在工程建設(shè)中的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)體剛構(gòu)橋；線形監(jiān)控；應(yīng)力監(jiān)控；仿真分析

1工程概況

轉(zhuǎn)體T構(gòu)梁全長129.5 m，其中轉(zhuǎn)體部分長度118.5 m，轉(zhuǎn)體重量達11 000 t。主梁共劃分35個梁段，A0#梁段長12.0 m、邊墩現(xiàn)澆梁段長3.5 m、合龍段2.0 m，其余梁段長分別為3.0 m、3.5 m、3.625 m、4.0 m。高度：主梁采用單箱單式變高度箱型截面，邊支點處梁高3.8 m，中支點處梁高7.4 m，梁高按二次拋物線變化。主梁頂板寬度為11.9 m，頂板厚0.45 m，中支點及邊支點處局部加厚為0.95 m。主梁底板寬6.8 m底板厚按二次拋物線由0.45變化至0.95 m，中支點處局部底板厚1.5 m，邊支點處局部加厚為0.95 m。腹板：主梁腹板采用直腹板，厚度由0.5 m按折線分兩次變化至0.8 m邊支點附近線性增加至1.0m。主梁共設(shè)4道橫隔板，邊支點橫隔板厚1.5 m共2個；中支點橫隔板厚1.4 m共2個，均設(shè)置過人孔。

2施工控制方法及措施

科學(xué)合理的線形控制可以保證橋梁順利合龍，使橋梁線形最終符合設(shè)計要求。主梁懸臂根部高程測點位置如圖1所示，標(biāo)高的監(jiān)測與控制可以在另一角度校核對應(yīng)力的監(jiān)測工作，在每節(jié)段箱梁頂面標(biāo)高布置2個測點。每一節(jié)段施工混凝土澆筑完成后測量本節(jié)段的箱梁頂面標(biāo)高和底板標(biāo)高，并建立與上述測點標(biāo)高的換算關(guān)系。

圖1　主梁懸臂根部高程測點位置

對橋梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力進行監(jiān)測十分重要，它直接反映了主梁的受力狀況，是結(jié)構(gòu)安全性能的重要指標(biāo)。在T構(gòu)兩側(cè)1號塊內(nèi)遠(yuǎn)離根部3/4節(jié)段長度截面處，每側(cè)截面設(shè)10個測點作為梁根部截面應(yīng)力測點。在4號塊內(nèi)離根部3/4節(jié)段長度截面處，布置6個測點，作為梁端1/4跨應(yīng)力測點。在8號塊離根部1/2節(jié)段長度截面處，布置6個測點，作為梁跨中應(yīng)力測點。主梁懸臂根部應(yīng)變測點位置如圖2所示[1-3]。

圖2　主梁懸臂根部應(yīng)變測點位置

3有限元仿真及計算

本文采用Midas/Civil有限元軟件建立主橋三維仿真模型，計算橋梁整體受力及關(guān)鍵截面的應(yīng)力情況。由于轉(zhuǎn)體T構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以在有限元建模過程中，在不影響結(jié)構(gòu)受力的情況下，需對結(jié)構(gòu)進行必要的簡化，如忽略箱梁中的人洞和橫隔板等結(jié)構(gòu)的影響。盡量按照實際材料參數(shù)來取模型單元材料的參數(shù)；并且在劃分施工階段時，也應(yīng)盡可能與實際施工階段相一致。

計算模型按平面桿系計算，對施工階段的橋跨結(jié)構(gòu)進行有限元分析時，采用橋梁專業(yè)的常見有限元模型分析軟件Midas/civil建模。

根據(jù)分段施工橋梁的塊段數(shù)、橋梁臨時支承、支座等布置情況，劃分單元及節(jié)點。單元包括主梁單元、橋墩單元以及臨時支承單元等類型。

考慮主橋豎曲線要數(shù)，建立相對坐標(biāo)系(選取跨中為原點Y坐標(biāo)值為箱梁頂面標(biāo)高，這樣方便立模標(biāo)高的給出)，通過計算求出節(jié)點的相對坐標(biāo)值，輸入全橋單元信息[4]。

在建模時不考慮樁基礎(chǔ)的作用，將墩底和地面定位固結(jié)，通過約束墩底全部自由度來實現(xiàn)。懸臂端根據(jù)實際施工情況，視為自由端，不做任何約束。梁體與橋墩的連接為彈性連接[5-6]。

全橋三維模型如圖3所示。

3.1結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

墩頂以下3 m采用與梁體相同的C55混凝土，彈性模量34.5 GPa；其余采用C40混凝土，彈性模量32.5 GPa；容重均為2.5×104N/m3，泊松比均為0.2。采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強度1 860 MPa，彈性模量1.95×105MPa?；炷列熳兿禂?shù)2.0，收縮應(yīng)變1.5×10-4，鋼束松弛率3.5%。

圖3　全橋計算模型

3.2結(jié)構(gòu)模型的建立

轉(zhuǎn)體橋梁T構(gòu)懸臂部分各分為17對梁段施工，在有限元模擬時，T構(gòu)包括合龍段在內(nèi)共分為81個計算單元，其中橋面系74個單元，橋墩7個單元。全橋計算模型如圖3所示。0#塊由于受力復(fù)雜，分為6個單元，即為：2.5 m+1.4 m+2.1 m+2.1 m+1.4 m+2.5 m。橋墩共劃分為7個單元從頂部到底部分別為：1.5 m+1.5 m+2 m+2 m+2 m+2 m+2 m。主橋計算模型共分為53個施工工況。每號塊梁段施工分為4個工況(澆注混凝土、混凝土養(yǎng)護、張拉預(yù)應(yīng)力、掛籃移動)。

4施工監(jiān)控數(shù)據(jù)對比分析

4.1線性控制

轉(zhuǎn)體橋T構(gòu)懸臂澆筑施工中標(biāo)高的預(yù)測、監(jiān)測與控制十分重要，施工階段中的梁體的位移、高程、變形的控制是安全、高效、高質(zhì)量施工的前提和手段，線性監(jiān)控起到重要的作用，需要在每個施工階段對各種工況進行預(yù)測和監(jiān)控。

為了減小溫度的影響，高程的測量安排在日出之前。主要監(jiān)測內(nèi)容包括掛籃移動前后、混凝土澆筑前后、預(yù)加力張拉前后、合龍前后、成橋前后的各項標(biāo)高值。按照“預(yù)告-施工-量測-識別-修正-預(yù)告”的循環(huán)過程進行[7]。

橋梁施工過程中施工預(yù)拱度為

(1)

其中，F(xiàn)預(yù)為施工預(yù)拱度; f成橋為結(jié)構(gòu)某一點在立模后，由于以后的施工操作使該點產(chǎn)生變形,這種變形直到成橋后為止，以向下為正；f后期徐變?yōu)闃蛄撼蓸?年后由混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的變形，以向下為正；f1/2活載為橋梁受到1/2汽車荷載時所產(chǎn)生的變形，以向下為正。

科學(xué)合理的線形控制可以保證橋梁順利合龍，使橋梁線形最終符合設(shè)計要求。另外，根據(jù)截面應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，標(biāo)高的監(jiān)測與控制可以在另一角度校核對應(yīng)力監(jiān)測工作。

由圖4看出橋梁上的各點的向下的位移主要由恒載和收縮徐變產(chǎn)生，其中起主要作用的是恒荷載的作用，但是收縮徐變產(chǎn)生的位移值11.8 mm達到了總位移值的35.12%，因此收縮徐變產(chǎn)生的位移不能忽略。

梁上各點的向上的位移由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的向上的位移不足以抵消由恒載和收縮徐變產(chǎn)生的向下的位移，抵消之后的位移絕對值沿橋墩向兩端逐漸增大，位移最大值發(fā)生在13號塊，隨后逐漸縮小。主梁在不同荷載組合的作用下梁段的最大位移值較小，符合設(shè)計要求。

圖5為施工階段各梁段在澆筑前直至預(yù)應(yīng)力張拉后的高程變化值，由圖可知各梁段在澆筑前至張拉后的總位移是向下的，在5至12號梁段所產(chǎn)生的位移較大，在靠近橋墩處位移較小，這符合理論分析結(jié)果，同時與圖6中實測位移可知懸臂施工階段梁跨中心附近處位移所受后續(xù)懸臂施工影響較大。

由圖4可知，須在施工過程中需要給橋梁立模標(biāo)高設(shè)置一個預(yù)拱度，圖6可知在各梁段上設(shè)置的預(yù)拱度隨之距離中心橋墩的距離增大而增大直到13號塊，然后隨之逐漸減小，實測梁段位移值與所設(shè)預(yù)拱度的和值如圖6所示。實測位移值與預(yù)拱度值大致相當(dāng)，誤差比較小，滿足后期要求。也印證了預(yù)拱度的預(yù)測合理性以及立模標(biāo)高設(shè)置的正確性。

圖4全橋模型各節(jié)點理論位移

圖5各梁段澆筑前至張拉后控制高程變化

圖6梁段的實際位移情況

4.2應(yīng)力控制

在轉(zhuǎn)體橋連續(xù)懸臂施工階段的過程中，需要進行應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)控以保證施工過程中的梁體變形和受力安全。在施工過程中所獲得的應(yīng)力的監(jiān)測數(shù)據(jù)實際受到多種因素的影響，例如混凝土收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)力，混凝土水化熱產(chǎn)生的應(yīng)力，環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，以及懸臂掛籃施工機械施工荷載等。按照規(guī)范要求，可將混凝土收縮徐變荷載予以排除。通過測量混凝土澆筑后和養(yǎng)護后的應(yīng)力對比排除收縮徐變水化熱的影響，實施橋梁應(yīng)力測量的時間應(yīng)在夜22∶00到早上日出的時段內(nèi)，此時段內(nèi)全橋的溫度最為均勻，每次測量均在相對固定的時間段內(nèi)以此排除環(huán)境溫度的影響。表1為梁段施工階段各控制截面處的應(yīng)力變化值與計算值的對比表[8-9]。

表1　混凝土梁控制截面應(yīng)力變化值表　MPa

從表1可知，在施工階段各工況下截面頂部應(yīng)力值在澆筑前后應(yīng)力差值為正，張拉前后應(yīng)力差值為負(fù)，代表著由結(jié)構(gòu)自重荷載在截面頂部產(chǎn)生了拉應(yīng)力，由預(yù)應(yīng)力荷載在截面頂部產(chǎn)生了壓應(yīng)力；在施工階段各工況狀態(tài)下截面底部應(yīng)力值在澆筑前后應(yīng)力差值為負(fù)，張拉前后應(yīng)力差值為正，代表著由結(jié)構(gòu)自重荷載在截面底部產(chǎn)生了壓應(yīng)力，由預(yù)應(yīng)力荷載在截面底部產(chǎn)生了拉應(yīng)力。在施工階段實測應(yīng)力差值與計算應(yīng)力差值的誤差較小，符合設(shè)計要求時施工的安全性設(shè)計。

梁段靠近橋墩處、1/4橋跨處以及1/2橋跨處在懸臂施工結(jié)束時截面處監(jiān)測點的實測應(yīng)力值與理論應(yīng)力值對比表明，截面頂板應(yīng)力值較截面底板應(yīng)力值小，截面底板以及各頂板之間的應(yīng)力差值較小，大小里程方向各控制截面的應(yīng)力實測值與理論值誤差很小，且應(yīng)力值均在規(guī)范要求之內(nèi)，實測應(yīng)力值符合軟件模擬結(jié)果，有限元軟件分析較好地反映橋梁的實際施工情況。

圖7、8、9反映控制截面內(nèi)的應(yīng)力變化趨勢，后續(xù)施工對此截面的應(yīng)力影響，圖7可看出在澆筑階段截面應(yīng)力很小，然后再進行下一梁塊施工前進行了預(yù)應(yīng)力張拉，導(dǎo)致截面頂部應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.45 MPa，隨著下一施工梁段的進行，截面頂拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，并且隨之增大，在11號塊施工時截面頂部應(yīng)力增大趨勢減緩并隨之減小，進行到13號塊施工時又進一步增大，直至施工結(jié)束。圖8、9在澆筑完該梁段的控制截面時應(yīng)力都很小，隨后面各懸臂梁段的施工進行，該截面板頂以及板底應(yīng)力逐漸增大，截面底的應(yīng)力增大大致成線性關(guān)系，截面頂?shù)膽?yīng)力剛開始和截面底的應(yīng)力增大趨勢大致相同，但是隨著施工的進行，截面頂?shù)膽?yīng)力增大逐漸變緩，張拉預(yù)應(yīng)力荷載以及后續(xù)梁段的自重荷載對截面頂?shù)挠绊戨S之距離截面的距離增大而逐漸減小。

圖7　1號塊控制截面實測應(yīng)力

圖8　1/4跨控制截面實測應(yīng)力

圖9　1/2跨控制截面實測應(yīng)力

整個懸臂施工過程中，最大壓應(yīng)力計算值為13.25 MPa，實測值為11.91 MPa，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，說明橋梁在施工過程中結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，并有一定的安全儲備。

5結(jié)論和展望

(1) 本文通過建立有限元模型對橋梁施工階段進行分析計算，指導(dǎo)橋梁施工的有效進行，同時施工階段得到的高程、應(yīng)力監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)進一步修正了計算模型的精確性，保證了橋梁的順利安全施工。

(2) 通過實測位移高程值的變化，可以看出理論值與實測值誤差比較小，說明施工預(yù)拱度的設(shè)計合理，懸臂階段立模標(biāo)高符合設(shè)計要求，橋梁T構(gòu)模型的建立以及參數(shù)的選取能夠基本上反映該橋的線形實際變化。

(3) 通過實測各截面應(yīng)力值以及應(yīng)力值的變化情況，對比有限元設(shè)計模型處理結(jié)果，說明施工期的各應(yīng)力符合設(shè)計要求，有限元計算模型對于實際施工的安全性以及可靠性起到了很大的保障作用。實測應(yīng)力值與理論應(yīng)力值相差不大，應(yīng)力值均在規(guī)范要求之內(nèi)。

(4) 通過現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)控，采集到了大量的施工監(jiān)控數(shù)據(jù)，主梁關(guān)鍵截面的受力和變形規(guī)律均符合實際工程情況，說明有限元軟件能夠較好地反映橋梁的實際施工情況，為同類型的橋梁施工起到了借鑒作用。

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收稿日期：2016-03-18；修改日期：2016-03-23

作者簡介：費家林(1990-)，男，安徽淮北人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生； 柳炳康(1952-)，男，安徽鳳陽人，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)教授．

中圖分類號：U445.466

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0250-04