基于數(shù)值模擬控制的貴州省某系桿拱橋施工監(jiān)控分析

李凡 厲佩佩

摘 要：系桿拱橋施工監(jiān)控量測不僅能夠保證整個施工過程按照設(shè)計意圖成橋，還能減小施工過程中的安全風(fēng)險，最大限度控制施工線形質(zhì)量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)。本文采用數(shù)值模擬方法對貴州省某系桿拱橋進(jìn)行控制分析，根據(jù)分析結(jié)果對拱橋線形、拱肋應(yīng)力（應(yīng)變）和吊桿索力進(jìn)行監(jiān)控量測和設(shè)計優(yōu)化，最終使橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和各項變形值符合設(shè)計要求，施工控制工作達(dá)到預(yù)期目的。研究方法和成果可供類似工程借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：系桿拱橋;監(jiān)控量測;變形;施工控制

中圖分類號：U445? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）08-0113-02

系桿拱橋作為一種梁拱組合體系，充分發(fā)揮了梁橋橋下凈空大、對基礎(chǔ)要求低和拱橋跨越能力強的特點。但是系桿拱橋內(nèi)部為高次超靜定結(jié)構(gòu)，施工過程內(nèi)力狀態(tài)復(fù)雜多變，施工環(huán)境因素等在設(shè)計過程中也不可能完全考慮到，需要通過監(jiān)測手段采集結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力信息，反饋到理論計算模型，并實時調(diào)整施工參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，優(yōu)化橋梁設(shè)計。數(shù)值模擬方法能夠模擬結(jié)構(gòu)在各個施工階段的內(nèi)力情況，可對施工階段的額應(yīng)力進(jìn)行有效控制。通過查看結(jié)構(gòu)變形，采用倒裝分析方法可以計算每一階段或每一施工過程的立模標(biāo)高。在施工過程中，監(jiān)控量測還可以及時糾正可能出現(xiàn)的施工偏差，防治因偏差累積過大而導(dǎo)致工程返工。通過數(shù)值模擬的計算結(jié)果指導(dǎo)系桿拱橋現(xiàn)場施工已經(jīng)成為一種常用的、有效的施工監(jiān)控量測方法。

1 研究工程概況

研究對象主跨為1～110m下承式系桿拱橋，系梁采用鋼箱梁，鋼箱梁翼緣板寬度為16.5m。拱肋采用箱型截面，拱軸線為二次拋物線。主跨計算跨徑為110m，矢高f=22m，矢跨比f/L=0.2。系桿采用扁平流線形栓焊鋼箱梁，箱梁寬8.5m，梁高1.24～1.30m。拱橋上下各設(shè)置一排吊桿，吊桿縱橋向間距均為4m，吊桿強度等級為1670MPa。橋梁設(shè)計荷載：城—A級，人群—3.5kN/m2。橋梁施工方法采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場吊裝焊接。如圖1所示。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 建立施工階段模型

本橋采用Midas Civil有限元軟件建立有限元分析模型（如圖2所示）。根據(jù)設(shè)計資料，模型中鋼材的抗壓彈性模量取用2.1×105MPa，剪切彈性模量取用8.1× 103MPa，鋼材的線膨脹系數(shù)取用1.1×10-5，鋼材容重按照78.5kN/m3考慮，吊桿采用防腐拉索，外部環(huán)氧噴涂，內(nèi)部鋼絲彈性模量1.90×105MPa。模型中拱肋、縱梁、橫梁均采用兩單元來模擬，吊桿采用只受拉的桁架單元來模擬。

2.2 施工階段分析

數(shù)值模擬施工過程可以劃分為以下施工階段：

（1）第1施工階段在支架上焊接鋼箱梁，加橫隔板荷載，焊接端橫梁。

（2）第2施工階段在鋼箱梁上搭設(shè)支墩拼裝拱肋，加拱肋之間橫向風(fēng)撐。

（3）第3施工階段在支架上安裝吊桿，加吊桿端頭荷載，并拆除拱肋支墩。

（4）第4～16施工階段為第一次索力張拉，縱向橫向依次對稱張拉吊桿。

（5）第17～29施工階段拆除支架，第二次索力調(diào)整。

（6）第30施工階段施工橋面二期恒載。

按照設(shè)計方案及施工組織設(shè)計所確定的施工工序，綜合考慮各種設(shè)計參數(shù)，對施工過程進(jìn)行詳細(xì)地施工階段分析，正裝計算得到各施工狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力（應(yīng)變）和變形等控制數(shù)據(jù)，與設(shè)計相互校對確認(rèn)無誤后可作為系桿拱橋施工監(jiān)控的理論控制指標(biāo)。為了確保大橋的安全性，還有必要對大橋端橫梁、拱肋與縱梁連接部位、吊桿與拱肋連接部位以及鋼箱梁翼緣板等進(jìn)行局部應(yīng)力分析。

3 施工監(jiān)控分析

施工監(jiān)控測量伴隨施工全部過程，由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜與設(shè)計理想狀態(tài)可能存在不一致以及施工的誤差，橋梁施工各階段控制參數(shù)與理想狀態(tài)計算值會有差異，施工過程中要對這些參數(shù)進(jìn)行識別。在關(guān)鍵施工工序關(guān)鍵截面處通過對影響結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的變量（線形、應(yīng)力、內(nèi)力等）實測值與理論值的比較，識別參數(shù)偏差，分析偏差原因，并進(jìn)行調(diào)整。對于比較重要的設(shè)計參數(shù)偏差，應(yīng)及時提供給各參建單位，提請是否組織專家論證并修改設(shè)計參數(shù)。對于一般的參數(shù)偏差，監(jiān)控單位可通過軟件計算優(yōu)化進(jìn)行調(diào)整。本橋主要施工監(jiān)控內(nèi)容包括：橋面鋼箱梁架設(shè)高程控制分析、拱肋拼裝線形控制分析、拱肋合攏應(yīng)力（應(yīng)變）控制分析、吊桿張拉索力[3]控制分析、成橋狀態(tài)應(yīng)力（應(yīng)變）和線形控制分析。

通過有線元數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場施工監(jiān)控量測，對比理論控制數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，成橋后鋼箱梁實測高程與理論高程的最大差值為25mm，拱肋實測高程與理論高程的最大差值為12mm，軸線偏位最大值為5mm，符合設(shè)計要求。

對跨中部分吊桿索力進(jìn)行抽檢，實測索力與理論索力的最大偏差為15.6%，考慮儀器測試誤差和人為因素影響，評定成橋后的吊桿索力基本滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過對系桿拱橋施工過程中和成橋后采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與設(shè)計的數(shù)據(jù)做了對比，該系桿拱橋?qū)崪y應(yīng)力結(jié)果、高程和撓度數(shù)據(jù)大部分小于理論計算值，極少數(shù)吊桿索力值略超過了理論控制值，但超出的比例較小，在可控范圍之內(nèi)，吊桿成橋索力基本滿足設(shè)計要求。橋梁在施工過程中鋼箱梁和拱肋變形穩(wěn)定，應(yīng)力數(shù)據(jù)合理，證明整個監(jiān)控過程安全、有效、可控。通過開展施工監(jiān)控量測工作，系桿拱橋施工過程較為順利，理論控制指標(biāo)與實測數(shù)據(jù)相互印證，充分說明結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。結(jié)構(gòu)內(nèi)力和各項變形指標(biāo)基本滿足設(shè)計要求，說明施工質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李凡.鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控與仿真分析[D].貴州大學(xué)，2015.

[2]曾劍.先簡支后連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)特性及施工研究[D].重慶交通大學(xué)，2007.

[3]黃永輝. 鋼管混凝土拱橋拱肋病害機理與影響分析及吊桿更換技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué)，2010.