預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋線形監(jiān)控及施工質(zhì)量控制研究

李鹍鵬 （中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710016）

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋最常用的施工方法是對稱懸臂法澆注施工[1]，釆用懸臂澆筑法施工的連續(xù)梁橋施工工序復(fù)雜，不但需要安裝掛籃、澆筑混凝土和張拉預(yù)應(yīng)力束，而且橋梁施工還要經(jīng)歷一個復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換過程，這會給橋梁結(jié)構(gòu)帶來較為復(fù)雜的內(nèi)力和位移變化，為確保達(dá)到最優(yōu)的橋梁施工線形監(jiān)控及施工質(zhì)量控制目標(biāo)，可采用MIDAS有限元軟件計算橋梁各施工階段的預(yù)拱度，從而確定施工立模標(biāo)高。此外，BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點[2]，可針對復(fù)雜的懸臂澆筑法連續(xù)梁橋施工進(jìn)行工程量統(tǒng)計、虛擬施工、仿真漫游等，對于指導(dǎo)連續(xù)梁橋懸臂法施工具有重大意義。

1 工程概況

圖1 連續(xù)梁橋立面布置示意圖（單位：cm）

以南彭三線道岔特大橋第二聯(lián)為例來進(jìn)行施工線形監(jiān)控。該聯(lián)（36m+64m+36m）為三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，主梁為單箱雙室箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁頂板寬17.6m，底寬11.7m。箱梁跨中高度為3.2m，墩頂高5.6m，跨中底板厚0.42m，墩頂?shù)装搴?m，變高梁段梁底曲線為二次拋物線，拋物線方程為：y=2.4×x2/242+2.9(x=0～24m)，。該聯(lián)共設(shè) 11 種梁段，即 0～7 號梁段、邊跨段（9號段）、邊跨合龍段及中跨合龍段，共35個梁段。其總體布置如圖1所示。

2 施工線形監(jiān)控與結(jié)果分析

2.1 有限元分析模型的建立

采用MIDAS/Civil 2017軟件，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程的模擬分析計算，選用平面桿系單元建立施工線形監(jiān)控計算所需的有限元分析模型。全橋主梁共劃53個單元，78個節(jié)點。全橋可細(xì)分41個施工階段。每一個預(yù)應(yīng)力張拉施工階段都應(yīng)待澆筑混凝土強度達(dá)到混凝土實際強度的95%，彈性模量達(dá)到設(shè)計值的100%后（不少于5天齡期）方可張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，二期恒載250kN/m。最后一個施工階段為：成橋收縮徐變十年。施工合龍順序：先邊跨合龍，后中跨合龍。有限元模型單元劃分示意圖如圖2所示。

圖2 連續(xù)梁節(jié)點號、單元號、節(jié)段號示意圖（單元：cm）

2.2 立模標(biāo)高的確定

線形監(jiān)控的關(guān)鍵是控制各個梁段的立模標(biāo)高，通過將各個梁段的實測竣工標(biāo)高與理論竣工標(biāo)高進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)誤差，分析誤差并進(jìn)行糾偏，指導(dǎo)下個梁段的澆筑作業(yè)。立模標(biāo)高的計算式如下：

式中：H為待澆梁段底板前端立模標(biāo)高；H0為待澆梁段底板前端設(shè)計標(biāo)高；f為預(yù)拱度；δ為掛籃變形值；Δ為施工調(diào)整值。

由上式可知，因為待澆梁段底板前端的設(shè)計標(biāo)高在設(shè)計文件或設(shè)計圖紙中已經(jīng)給出，要想求得待澆梁段底板前端的立模標(biāo)高，就必須知道另外三個因數(shù)：預(yù)拱度f、掛籃變形值δ和施工調(diào)整值Δ。

①對于預(yù)拱度，在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋中，由施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度兩部分組成，即：

式中：fs為施工預(yù)拱度；fc為成橋預(yù)拱度。

橋梁的立模標(biāo)高并不一定是橋梁竣工后的設(shè)計值標(biāo)高，通常會設(shè)定一定的預(yù)拱度數(shù)值，用以消除施工過程中產(chǎn)生的橋梁撓度變形值[3]。使用成橋預(yù)拱度來抵消后期運營階段收縮徐變、溫度變化、支座沉降、活載作用對梁體線形的影響?？紤]施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度的組成因素，兩者的定義式如式（3）和式（4）：

式中：fsi為第i節(jié)段施工預(yù)拱度；∑fti為現(xiàn)有階段和以后階段梁體自重產(chǎn)生的預(yù)拱度和；∑fyi為本節(jié)段和后續(xù)施工節(jié)段張拉預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的預(yù)拱度和；fl為施工臨時荷載在第i節(jié)段產(chǎn)生的預(yù)拱度；fb為前期收縮徐變影響在第i節(jié)段產(chǎn)生的預(yù)拱度；fw為前期溫度變化影響在第i節(jié)段產(chǎn)生的預(yù)拱度；fg為施工時掛籃變形影響在第i節(jié)段產(chǎn)生的預(yù)拱度；fh為體系轉(zhuǎn)換和二期荷載在第i節(jié)段產(chǎn)生的預(yù)拱度。

式中：f1為成橋后考慮后期收縮徐變影響的預(yù)拱度；f2為成橋后考慮活載作用影響的預(yù)拱度；f3為成橋后考慮后期溫度變化影響的預(yù)拱度；f4為成橋后考慮后期支座沉降影響的預(yù)拱度。

②掛籃變形值δ

根據(jù)現(xiàn)場掛籃預(yù)壓試驗得到的實測數(shù)據(jù)，取掛籃變形值為20mm。

③對于施工調(diào)整值Δ，針對施工過程中的一些關(guān)鍵參數(shù)，例如完成后梁段的竣工標(biāo)高，需要有實測數(shù)據(jù)，將實測數(shù)據(jù)與計算得到的理論竣工標(biāo)高進(jìn)行對比，對得出的誤差進(jìn)行識別和糾偏，用來指導(dǎo)下個梁段的立模標(biāo)高。

計算出以上三個計算參數(shù)，即可得出每個梁段立模標(biāo)高，這些數(shù)據(jù)可以用來指導(dǎo)連續(xù)梁施工線形監(jiān)控的整個過程。

通過數(shù)值計算分析后，南彭三線道岔特大橋連續(xù)梁橋的預(yù)拱度設(shè)計值如表1所示。

根據(jù)施工圖紙信息和MIDAS模型分析計算結(jié)果可得施工過程中線形控制參數(shù)預(yù)測值，篇幅所限，本文僅提供橋梁部分關(guān)鍵節(jié)點的監(jiān)控數(shù)據(jù)如表2所示。該模型計算分析數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，為實際立模標(biāo)高提供參考，對連續(xù)梁橋施工線性控制具有重要意義。

全橋最終各節(jié)點預(yù)拱度明細(xì)表(單位：mm) 表1

立模標(biāo)高預(yù)測（單位：m）表2

3 BIM在連續(xù)梁橋施工過程中的應(yīng)用

BIM全稱為Building Information Modeling，其中文含義為“建筑信息模型”，此概念于21世紀(jì)初期被提出。BIM技術(shù)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，可以為設(shè)計、施工和運營提供相協(xié)調(diào)的、內(nèi)部保持一致的并可進(jìn)行運算的信息[4]。

3.1 基于“族”的三維參數(shù)化建模

利用Autodesk公司開發(fā)的Revit系列軟件，根據(jù)南彭三線道岔特大橋的結(jié)構(gòu)特點，細(xì)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分別建立參數(shù)化構(gòu)件—“族”。Revit中零號塊族如圖3所示。

圖3 Revit中的零號塊族

橋梁構(gòu)件“族”建好以后橋梁整體模型的建立就是一個簡單的搭“積木”的過程：將橋梁各構(gòu)件“族”導(dǎo)入項目，通過調(diào)整相對標(biāo)高確定各族之間的位置，完成橋梁整體模型的創(chuàng)建。橋梁BIM模型包含尺寸、形狀、材質(zhì)等參數(shù)化信息，是后續(xù)BIM工作的基礎(chǔ)。橋梁整體模型如圖4所示。同時族的建立和整理可形成有效的族庫系統(tǒng)，日后類似工程的建?？蓮淖鍘熘兄苯诱{(diào)用，然后進(jìn)行參數(shù)控制以滿足項目所需。

圖4 橋梁整體模型三維視圖

3.2 施工工序模擬

本連續(xù)梁橋采用掛籃施工，施工工序復(fù)雜，因此對該橋進(jìn)行施工工序的模擬就顯得十分有必要。本項目按項目工期計劃表和具體施工方案制作了施工工序模擬動畫，近似地模擬施工工藝及進(jìn)度，可以作為實際施工的參考，同時也為連續(xù)梁橋施工進(jìn)度管理和施工組織計劃的制定提供依據(jù)。施工工序模擬動畫如圖5所示。

3.3 可視化交底

圖5 施工工序模擬動畫截圖

圖6 零號塊模型的三視圖和剖面圖

圖7 鋼筋模型局部

圖8 “項目明細(xì)表”統(tǒng)計的部分工程量

BIM模型可任意旋轉(zhuǎn)、放大縮小、剖切出圖，再加上重難點工序的施工模擬動畫，可輕松實現(xiàn)可視化交底。有利于打破一線施工人員與技術(shù)員之間的溝通障礙，提高橋梁施工的工作效率。以零號塊為例，將BIM模型在指定的平面上進(jìn)行投影、剖切，即可自動生成所需平面視圖及構(gòu)件詳圖，快速生成二維工程圖，實現(xiàn)三維模型向二維圖紙的轉(zhuǎn)化。

3.4 工程量統(tǒng)計

除混凝土BIM模型外，本項目亦采用建“族”和Dynamo插件項目內(nèi)建模型兩種方式實現(xiàn)鋼筋模型的創(chuàng)建，如圖7所示。然后利用Revit中自帶的“項目明細(xì)表”功能準(zhǔn)確的統(tǒng)計各個構(gòu)件的工程量信息。對于連續(xù)梁橋施工過程中實現(xiàn)精確下料、節(jié)省資源和降低成本有重大意義。圖8為利用“項目明細(xì)表”統(tǒng)計的橋梁各墩和連續(xù)梁各節(jié)段混凝土算量。

3.5 BIM+GIS的融合與應(yīng)用

BIM是用來整合和管理建筑物全生命周期的信息，GIS則是用來整合及管理建筑外部環(huán)境信息。BIM全生命周期的管理需要GIS的參與，BIM也將開拓三維GIS的應(yīng)用領(lǐng)域，把GIS從宏觀領(lǐng)域帶入微觀領(lǐng)域。本項目利用BIM軟件Revit建立了整橋的三維模型，利用GIS軟件建立了地形模型。最后將兩個模型融合在一起，模擬真實地形環(huán)境下的橋梁模型。

圖9 BIM+GIS的融合的模型

4 結(jié)論

①筆者利用有限元軟件MIDAS/Civil 2017建立計算模型，通過數(shù)值計算分析得到全橋最終各節(jié)點預(yù)拱度和施工過程中的立模標(biāo)高。立模標(biāo)高的確定為整個橋梁的施工監(jiān)測提供了一個可靠的系統(tǒng)的依據(jù)。

②本文詳細(xì)介紹了BIM在連續(xù)梁橋施工過程中的應(yīng)用：三維參數(shù)化建模，施工工序模擬，可視化交底，工程量統(tǒng)計。以上應(yīng)用在本工程中的實現(xiàn)有利于大幅度提高橋梁施工的工作效率。

③南彭三線道岔特大橋在BIM技術(shù)應(yīng)用方面做了有益的嘗試，但如何將連續(xù)梁橋施工過程的線形監(jiān)控數(shù)據(jù)融入到BIM模型中，仍然是一個難題。筆者認(rèn)為這一難題的解決有賴于國產(chǎn)輕量化BIM平臺的研發(fā)。我們應(yīng)該在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)的同時結(jié)合我國橋梁工程的特點，開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權(quán)的集BIM展示和有限元分析于一體的輕量化BIM平臺，形成中國交通人自己的核心技術(shù)和核心產(chǎn)品。