三維信息建模在練江1號(hào)橋施工中的應(yīng)用

王一漢

摘要：文章結(jié)合練江1號(hào)橋梁施工實(shí)例，通過(guò)應(yīng)用有限元等軟件，針對(duì)施工期間的具體情況建立完善的三維信息模型，對(duì)施工期間的應(yīng)力、撓度等重要參數(shù)進(jìn)行模擬，并以此對(duì)施工工作提供指導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)：將整個(gè)施工周期劃分為19個(gè)不同的階段，在承載力以及正常使用極限狀態(tài)下，均能夠滿足規(guī)范條款與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求;具體施工期間通過(guò)控制主梁、接頭以及0#塊等重要位置的施工技術(shù)與工藝，能夠全面提高整個(gè)橋梁工程的施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;三維信息建模;施工應(yīng)用;有限元軟件

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

橋梁事業(yè)的迅猛發(fā)展，極大地加快了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展速度與進(jìn)程。雖然前人在橋梁設(shè)計(jì)與施工領(lǐng)域中做出了深入的研究，但是在實(shí)際工程與軟件應(yīng)用的結(jié)合方面存在一定的問(wèn)題。因此，當(dāng)前在開(kāi)展橋梁工程的設(shè)計(jì)、施工中，要加強(qiáng)對(duì)信息化軟件的應(yīng)用，不斷提高設(shè)計(jì)工作的合理性，對(duì)施工方案進(jìn)行有效的優(yōu)化。

1 工程概況

在本工程中，擬建大橋?yàn)榫毥?號(hào)橋，其中心樁號(hào)是K62+793，起迄里程樁號(hào)是K62+327.5～K63+258.5，于前溪船閘上游約2 km處跨越練江。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家論證與比選后，最終決定主橋使用（37.5+68+68+37.5） m連續(xù)剛構(gòu)橋形式。具體施工期間，主要使用的是掛籃懸臂澆筑工藝與技術(shù)。另外，對(duì)于主橋箱梁結(jié)構(gòu)而言，施工時(shí)使用的是預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。其中，單箱單室截面的頂部寬度設(shè)計(jì)為12.5 m，單箱的底部寬度設(shè)計(jì)為6.2 m。在主墩位置處，將截面的高度設(shè)定為4.2 m，跨中的高度達(dá)到了2 m。圖1是主橋橋型布置圖。

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算有限元模型

在進(jìn)行三維模型的建立環(huán)節(jié)中，主要應(yīng)用的是有限元軟件Midas Civil 2013等先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)軟件。通過(guò)建立分析模型，可以發(fā)現(xiàn)在本工程中，全橋共設(shè)置了613個(gè)節(jié)點(diǎn)，由574個(gè)單元共同組成。圖2是利用軟件建立起來(lái)的全橋整體模型圖。

2.1.2 施工階段的劃分

根據(jù)本工程的實(shí)際狀況，并綜合施工期間的各項(xiàng)影響因素，將整個(gè)施工過(guò)程劃分為19個(gè)不同的施工階段：

（1）在第一施工階段中，主要開(kāi)展下部結(jié)構(gòu)的施工。

（2）在第二施工階段中，主要進(jìn)行墩頂0#塊的澆筑工作，施工期間要對(duì)混凝土質(zhì)量以及振搗工作進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

（3）在第3～10施工階段中，主要開(kāi)展上掛籃以及塊件1到塊件8的懸澆工作。

（4）當(dāng)工程進(jìn)入到第11～14施工階段時(shí)，主要進(jìn)行邊跨滿堂支架施工以及上邊跨合龍吊架施工，并完成合龍壓重。之后，還要做好邊跨合龍、邊跨滿堂支架的拆除以及上中跨吊架的合龍、壓重等工作。對(duì)于中跨合龍段而言，其預(yù)頂力應(yīng)控制在2 500 kN左右。

（5）當(dāng)工程進(jìn)入到第17～19施工階段時(shí)，工程已經(jīng)接近尾聲，主要進(jìn)行的是中跨合龍等工作。

2.2 計(jì)算內(nèi)容

2.2.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

圖3為正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果曲線。從圖中信息能夠看出，該構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值能夠達(dá)到規(guī)范規(guī)定的承載要求。

圖4所驗(yàn)算的是斜截面抗剪承載力。通過(guò)圖中信息能夠看出，該結(jié)構(gòu)的斜截面抗剪承載能力可以達(dá)到規(guī)范規(guī)定的承載要求。

2.2.2 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算結(jié)果

（1）通過(guò)有限元軟件建立三維信息模型，并對(duì)其進(jìn)行模擬之后，發(fā)現(xiàn)梁端局部單元應(yīng)力存在失真問(wèn)題。但是，在進(jìn)行主梁正截面抗裂性能的驗(yàn)算過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件能夠滿足性能方面的具體要求。（2）對(duì)于梁端單元的驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，正截面的抗裂性能可以滿足A類(lèi)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的相關(guān)要求。（3）借助于有限元等軟件進(jìn)行模擬之后，得出了主梁最大主拉應(yīng)力的具體計(jì)算值：0.47 MPa<0.4 ftk=1.1 MPa，從這一數(shù)值能夠看出結(jié)構(gòu)可以滿足應(yīng)力要求。圖5所展示的是斜截面抗裂驗(yàn)算狀況。

2.2.3 持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

（1）在進(jìn)行正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，通過(guò)建模能夠看出，在主梁截面的上緣位置處，受壓區(qū)混凝土受到的壓應(yīng)力是最大的，通過(guò)計(jì)算結(jié)果16.3 MPa<0.5 fck=17.75 MPa可以看出，應(yīng)力狀況可以滿足設(shè)計(jì)要求。（2）在進(jìn)行斜截面主壓應(yīng)力的具體驗(yàn)算工作時(shí)，計(jì)算結(jié)果為16.3 MPa<0.6 fck=21.3 MPa，因此對(duì)于主梁來(lái)說(shuō)也能滿足應(yīng)力方面的要求。

2.2.4 正常使用極限狀態(tài)下的主梁撓度驗(yàn)算

借助于所建立的三維信息模型，在進(jìn)行長(zhǎng)期撓度（主要由自身重力產(chǎn)生）的消除之后，該橋梁工程的主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大撓度是4÷0.95×1.412 5=6 mm

2.2.5 預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力的驗(yàn)算分析

在結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)域內(nèi)，鋼筋的拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

通過(guò)計(jì)算可得：σpe+σp=1 193 MPa≤0.65 fpk=1 209.00 MPa，表明最大拉應(yīng)力值能夠滿足規(guī)范的要求。

2.3 施工期間應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果的分析

在本次的模型建立過(guò)程中，對(duì)于短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如圖7所示。通過(guò)分析表明，因?yàn)棣襱cc=13.89 MPa≤0.70 f′ck=19.88 MPa，所以能夠滿足規(guī)范的要求。

2.4 支座反力計(jì)算結(jié)果的分析

本橋過(guò)渡墩支座在各工況下的反力狀況如表2所示。

由表2能夠看出，過(guò)渡墩采用抗拉抗震球形支座，垂直承載力為5 000 kN，滿足要求。

2.5 施工注意事項(xiàng)與三維信息建模的具體應(yīng)用

2.5.1 預(yù)制梁施工

在本次的設(shè)計(jì)與建模期間，對(duì)于預(yù)制小箱梁以及T梁的使用，均采用通用設(shè)計(jì)圖。預(yù)制梁具體施工期間，需要注意以下幾點(diǎn)問(wèn)題：（1）由于預(yù)制工作完成后需要經(jīng)過(guò)堆放、運(yùn)輸以及安裝等眾多環(huán)節(jié)，因此應(yīng)該根據(jù)梁片的架設(shè)順序以及具體孔號(hào)等做好編號(hào)與管理工作;（2）為避免施工前混凝土發(fā)生收縮裂縫或者是邊棱破損等一系列問(wèn)題，需做好相關(guān)的養(yǎng)護(hù)工作;（3）具體施工期間要做好上部構(gòu)造預(yù)埋件的施工與埋設(shè)，確保后續(xù)施工的順利開(kāi)展;（4）預(yù)制梁架設(shè)應(yīng)根據(jù)工期安排，控制好每一聯(lián)的安裝時(shí)間，每一聯(lián)各孔宜連續(xù)架設(shè)，不宜出現(xiàn)間斷架設(shè)等問(wèn)題。

2.5.2 主橋箱梁施工

本工程中主橋箱梁橋采用的是懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁橋，施工過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)施工控制。（1）圖紙中提供的設(shè)計(jì)施工步驟為基本工序要求，所有梁段施工均應(yīng)按照該步驟進(jìn)行，如確有必要進(jìn)行個(gè)別調(diào)整，應(yīng)自行驗(yàn)算對(duì)施工及成橋階段結(jié)構(gòu)的影響，并報(bào)設(shè)計(jì)人員審核。需要注意的是，主橋箱梁上部懸澆施工懸臂較大，應(yīng)有切實(shí)可行的防范臺(tái)風(fēng)的應(yīng)急措施。結(jié)構(gòu)受力分析表明，主橋箱梁施工中不允許發(fā)生掉塊、掉掛籃及掉水箱等導(dǎo)致大的懸臂施工不平衡荷載的情況，特別是在大風(fēng)、洪水及大懸臂時(shí)，應(yīng)做到萬(wàn)無(wú)一失。（2）應(yīng)注意采取措施嚴(yán)格控制懸臂尺寸及混凝土容重差，以防給后期施工造成不便。此外，主橋箱梁應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，依據(jù)計(jì)算的最大預(yù)拱度值擬合成平順的預(yù)拱度曲線。成橋主跨跨中預(yù)拱度為35 mm，邊跨為14 mm。施工階段立模預(yù)抬量由施工監(jiān)控單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行控制。

2.5.3 0#塊施工

由于本工程中的0#塊混凝土方量相對(duì)較大，而且內(nèi)部的鋼筋較密，因此在開(kāi)展施工工作時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行施工質(zhì)量的把控，以防出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題。（1）在進(jìn)行0#塊的澆筑期間，要確保做到一次澆筑完成。（2）在具體施工期間，要有效降低水化熱溫的升高現(xiàn)象。這一過(guò)程中，可以預(yù)先進(jìn)行相關(guān)的混凝土配合比試驗(yàn)，以確定出最佳的配合比參數(shù)。（3）在進(jìn)行0#塊水泥品種的選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)選水化熱相對(duì)較低的水泥，并且要確保水泥的凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，以提高混凝土工程的施工質(zhì)量。

2.5.4 預(yù)應(yīng)力管道施工

（1）在開(kāi)展預(yù)應(yīng)力管道的施工時(shí)，首先要控制好管材的質(zhì)量，并根據(jù)工程實(shí)際需求選擇管材的種類(lèi)。（2）具體施工期間，要確保管道軸線與墊板保持高度的垂直，以防對(duì)后期施工產(chǎn)生不利影響。（3）參考規(guī)范要求，應(yīng)適當(dāng)截取2～3 m長(zhǎng)的波紋管，并嚴(yán)格做好相關(guān)的漏水檢查，以提高波紋管的密封性。

2.5.5 下部結(jié)構(gòu)

（1）施工前應(yīng)做好放樣工作，在這一過(guò)程中要對(duì)設(shè)計(jì)文件中的重點(diǎn)樁號(hào)、坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核，并對(duì)不同控制點(diǎn)的高程狀況進(jìn)行檢查與復(fù)核，嚴(yán)格做好凈空要求的復(fù)查。（2）具體檢查工作中，一旦發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)圖中的相關(guān)數(shù)據(jù)不一致，要與設(shè)計(jì)單位及時(shí)進(jìn)行溝通并做好復(fù)查等工作。（3）由于本標(biāo)段設(shè)計(jì)階段鉆孔資料較少，施工樁基前應(yīng)對(duì)沒(méi)有地質(zhì)資料的樁位進(jìn)行補(bǔ)鉆。

2.5.6 主橋鋼管復(fù)合樁的制造與施工分析

（1）對(duì)于鋼管的制造而言，樁基主要使用的鋼管鋼材是Q345c號(hào)鋼，這也是經(jīng)過(guò)多方考慮之后最終確定下來(lái)的。工程所用鋼材應(yīng)確保滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還應(yīng)要求供應(yīng)商或生產(chǎn)商提供相應(yīng)的出廠合格證以及檢驗(yàn)報(bào)告等重要證明。在進(jìn)行鋼管的制作、焊接以及后期的拼裝、接長(zhǎng)等工作時(shí)，要嚴(yán)格按樁基規(guī)范開(kāi)展。（2）鋼管樁制作檢驗(yàn)合格后將其吊運(yùn)至防腐涂裝車(chē)間進(jìn)行內(nèi)外表面防腐。外防腐完成后直接進(jìn)行內(nèi)防腐，涂裝前應(yīng)采取措施保護(hù)預(yù)留吊耳安裝位置。吊耳采用提前預(yù)制、整體安裝的方法進(jìn)行。吊耳安裝在鋼管樁防腐完成后進(jìn)行。設(shè)計(jì)文件中吊耳形狀尺寸和位置可供參考，施工單位可根據(jù)鋼管吊裝、運(yùn)輸和打樁工藝確定吊耳的形狀、尺寸和吊點(diǎn)的位置，實(shí)施前需征得設(shè)計(jì)單位許可。（3）防腐涂裝后用砂輪機(jī)磨出吊耳安裝位置，吊耳焊接完成后，對(duì)需要補(bǔ)涂的部位打磨清除鐵銹后補(bǔ)涂，再進(jìn)行液體環(huán)氧防腐涂裝。（4）為便于鋼管插打施工時(shí)測(cè)量觀察其下沉情況，需在鋼管上標(biāo)注刻度標(biāo)線。刻度標(biāo)線對(duì)稱(chēng)布置在鋼管的兩側(cè)，與兩組吊耳面垂直，標(biāo)線刻度顏色需與鋼管的外表面顏色對(duì)比鮮明，便于觀測(cè)讀數(shù)。根據(jù)施工要求，鋼管的上端9 m按0.1 m間距刻度，9 m以下按1 m間距刻度。

在進(jìn)行鋼管樁現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，主要采用平臺(tái)打樁船進(jìn)行沉樁施工。具體施工時(shí)，要確保鋼管打到設(shè)計(jì)高程。鋼管下沉應(yīng)選擇平潮或流速較小的時(shí)段，確保鋼管在水流作用下的穩(wěn)定性。鋼管的插打宜在施工平臺(tái)完全形成后進(jìn)行，若使鋼管與平臺(tái)鋼管樁共同形成施工平臺(tái)，則必須保證鋼管定位準(zhǔn)確、受力牢靠。需要注意的是，鋼管水上接長(zhǎng)不宜超過(guò)一次。此外，鋼管宜按照以道路中心線向四周對(duì)稱(chēng)施工的順序進(jìn)行插打，也可根據(jù)施工需要合理安排插打順序和分區(qū)。鋼管插打順序和分區(qū)安排應(yīng)考慮減小鋼管之間的相互影響和盡量減小施工過(guò)程引起的沖刷。另外，應(yīng)設(shè)置臨時(shí)護(hù)筒段，施工中應(yīng)根據(jù)潮汐水位確定鋼管頂部高程，應(yīng)至少高于施工期間最高水位2.0 m以上。鋼管上部的板條段，其具體切割位置應(yīng)根據(jù)便于承臺(tái)底部主筋通過(guò)來(lái)確定，必要時(shí)可對(duì)承臺(tái)主筋進(jìn)行微調(diào)。伸入承臺(tái)的鋼管及板條表面應(yīng)進(jìn)行精細(xì)的清理，不得有泥沙、油污。具體施工時(shí)，鋼管的切割應(yīng)分次進(jìn)行，按設(shè)計(jì)圖紙形式切割。在進(jìn)行吊放鋼筋籠前，需要在鉆頭處安裝鋼刷，利用鉆錐對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行全面反復(fù)的清掃，以清除附著在鋼管內(nèi)壁上的泥沙。

2.5.7 主橋承臺(tái)施工

（1）承臺(tái)套箱采用雙壁鋼箱結(jié)構(gòu)，分段制作，現(xiàn)場(chǎng)拼裝就位。施工單位應(yīng)根據(jù)套箱設(shè)計(jì)和施工實(shí)際工況，對(duì)封底混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。（2）在開(kāi)展封底混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)采取有效措施確保其強(qiáng)度、密實(shí)度、整體性和水密性。建議在整個(gè)承臺(tái)范圍內(nèi)一次澆筑完成。（3）承臺(tái)混凝土在平面內(nèi)盡量整體連續(xù)澆筑，若施工能力有限，也可劃分為2個(gè)部分進(jìn)行施工。在厚度方面，承臺(tái)分2層澆筑，每層層厚1.5 m，應(yīng)保證層間的可靠連接，要求前后兩次澆筑分界面鑿毛，沖洗干凈，沒(méi)有油污，嚴(yán)格滿足施工規(guī)范要求。（4）由于承臺(tái)底部鋼筋網(wǎng)較密，并與樁身錨固鋼筋交錯(cuò)布置，因而不同種類(lèi)的鋼筋位置難免會(huì)發(fā)生沖突，在這一過(guò)程中可采用調(diào)整樁身錨固鋼筋位置的方式進(jìn)行處理。（5）本橋承臺(tái)鋼筋布置較為復(fù)雜，鑒于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，可以采用勁性骨架作為鋼筋精確定位的手段。對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位，應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的施工工藝設(shè)計(jì)。

2.5.8 引橋下構(gòu)施工

（1）基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)本著“先已知，后未知”的原則，從有鉆孔資料的樁位先行施工，對(duì)于巖層變化比較大、巖層性質(zhì)難以判斷的樁位，需進(jìn)行補(bǔ)鉆地質(zhì)鉆孔，待確定巖層性質(zhì)后再施工附近樁基。在進(jìn)行系梁頂高程確定時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：系梁采用樁頂系梁，頂面標(biāo)高定位于地面線之下約20～50 cm處;樁頂系梁高程可根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整。（2）施工期間應(yīng)對(duì)樁基施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，依據(jù)要求按實(shí)際地質(zhì)情況調(diào)整樁基終孔高程，并相應(yīng)調(diào)整鋼筋籠。橋型圖中地質(zhì)縱斷面圖僅反映橋位處地質(zhì)的總體分布情況，樁位處的詳細(xì)地質(zhì)情況應(yīng)以對(duì)應(yīng)鉆孔的地質(zhì)描述為準(zhǔn)。對(duì)巖面傾角>30°的基礎(chǔ)樁基，在施工中如發(fā)現(xiàn)特別情況應(yīng)及時(shí)與業(yè)主、監(jiān)理聯(lián)系，要特別注意樁基的垂直度。（3）樁基終孔時(shí)，如有參考地質(zhì)鉆孔，且樁底基巖標(biāo)高及巖性與原鉆孔資料相符，則按設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高終孔;對(duì)樁底巖面傾斜的樁基礎(chǔ)，樁基嵌巖深度為樁基礎(chǔ)邊緣最小入巖深度。本工程中，由于部分路段橋位區(qū)存在著孤石揭露的問(wèn)題，因而施工期間不能把孤石當(dāng)作樁端的持力層，而是應(yīng)穿透孤石，將樁端落在底部完整的基巖上。在出現(xiàn)孤石或巖面傾斜較大的情況，而又無(wú)法滿足嵌巖要求或承載能力的要求時(shí)，要求施工單位采用沖擊鉆施工。

2.5.9 其他注意事項(xiàng)

（1）主墩承臺(tái)部分出露河床，可能引起橋位局部河床沖刷加強(qiáng)的問(wèn)題。因此，要求對(duì)主河槽內(nèi)橋墩周邊5 m范圍拋石籠防護(hù)，拋石厚度≥2 m，拋石粒徑≥0.3 m。拋石前先清除垃圾及河堤淤泥，拋石面應(yīng)不高于清淤后的河床面高程，以減小橋梁建設(shè)引起的河道沖刷。（2）在橋梁基礎(chǔ)施工前應(yīng)對(duì)橋位附近堤防岸坡采取防護(hù)措施，可以對(duì)水流的沖刷破壞與影響進(jìn)行有效的消解，同時(shí)顯著提高堤防的安全效果。具體施工時(shí)，可以對(duì)橋位左岸上游七里港水閘至下游80 m、右岸上游50 m至下游80 m范圍內(nèi)兩岸堤防迎水坡采用生態(tài)混凝土護(hù)坡。橋墩基礎(chǔ)施工結(jié)束后，對(duì)橋位左右岸上下游各80 m堤腳外10 m范圍增加拋石防護(hù)，拋石上覆蓋一層模袋混凝土。拋石前先清除表層垃圾。需要注意的是，拋石厚度應(yīng)≥2 m，粒徑要控制在0.3 m以上。

3 結(jié)語(yǔ)

Midas Civil等軟件的廣泛應(yīng)用，為橋梁工程的設(shè)計(jì)、施工提供了重要便利，其模擬功能還可以為施工提供引導(dǎo)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工期間可能存在的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)前應(yīng)加強(qiáng)對(duì)三維信息建模技術(shù)與軟件的工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張正龍.有限元分析軟件Midas/Civil在橋梁臨時(shí)支架施工中的應(yīng)用[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（9）：74-78.

[2]唐 紅.建筑信息建模技術(shù)在武漢某超大型深基坑工程中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2016（46）：97-99.

[3]胡帥軍，李澤棟，石安寧，等.基于MIDAS/CIVI的橋梁加固結(jié)構(gòu)分析[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（5）：42-44.

[4]姚昌榮.橋梁工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-Midas建模[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（9）：23-26.