許村特大橋施工計(jì)算分析和監(jiān)控

廖 毅

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，廣西省南寧市金凱路96號(hào) 530000)

1 工程概況

許村特大橋位于和順縣許村附近，跨越S318省道的連接線，橋梁的起訖里程為D2K029+105～D2K030+088.655，總長(zhǎng)983.655m。橋梁的橋跨布置形式為22-32m簡(jiǎn)支梁、1-88m簡(jiǎn)支系桿拱橋、1-32m+1-24m+3-32m簡(jiǎn)支T梁。其中，許村特大橋的主橋在D2K029+835.46～D2K029+923.87(22#～23#墩)處為1孔88m的簡(jiǎn)支系桿拱橋，跨越S318連接線，與S318連接線斜交36°(右前角)。拱橋上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支的鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨徑88m，系梁全長(zhǎng)為91.2m，為單線鐵路橋。

系桿拱橋的拱肋采用懸鏈線線型，兩平行拱肋的間距為8.6m，拱肋采用鋼管混凝土啞鈴狀結(jié)構(gòu)，按等截面布置，拱肋的截面高度h=2.8m，計(jì)算矢高17.6m。啞鈴型拱肋的拱管采用直徑1.0m，管壁厚度16mm鋼管，鋼管內(nèi)填充C50無(wú)收縮混凝土，拱肋的上下拱管之間設(shè)置腹腔(不填充混凝土)。

系梁截面采用單箱雙室截面，梁全寬為10.2m，高為2.5m，系梁采用C50混凝土。系梁底板厚度30cm，頂板厚度35cm，邊腹板厚度160cm，中腹板厚度30cm。

系桿拱橋的其他構(gòu)造如下。拱腳實(shí)體段：拱腳順橋向7.0m范圍內(nèi)設(shè)成實(shí)體段。吊桿構(gòu)造：吊桿采用整束擠壓的M.GL15-25高強(qiáng)低松弛鋼絞線，冷鑄鐓頭錨，并外包PE哈弗套管防護(hù)，全橋共13對(duì)吊桿，吊桿間距為5.5m。拱肋橫向連接：拱肋之間的橫撐采用φ850×14mm的鋼管，斜向風(fēng)撐采用φ700×14mm的鋼管；全橋共設(shè)置5道橫撐，中間設(shè)置3道一字撐，兩端各設(shè)置一道K型橫撐。拱橋的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系桿拱橋跨度大，為了施工安全，需要對(duì)系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工計(jì)算分析(建模計(jì)算)和施工過(guò)程監(jiān)控。其中，橋梁建模計(jì)算是施工監(jiān)控的基礎(chǔ)和依據(jù)，而建模計(jì)算離不開(kāi)采用的施工方案。

2 支架施工方案

該拱橋跨越正常通行的公路線S318連接線，且與公路斜交(斜交角為36°)，采用的是先梁(系梁)后拱的施工方案：先在支架上澆筑系梁，待系梁施工完成并張拉完成預(yù)應(yīng)力后，再在系梁上方搭設(shè)支架進(jìn)行主拱圈的施工。

系梁支架方案如下：兩邊墩橋孔一側(cè)各三角區(qū)域范圍(連接線路基范圍外)內(nèi)，采用碗扣式滿堂支架；中間跨越省道S318連接線部分，為確保S318連接線的暢通，采用貝雷梁支架，支架的立柱采用φ630×10mm的螺旋鋼管，鋼管上采用雙拼工字鋼作為橫梁，其上受力主體結(jié)構(gòu)采用加強(qiáng)型貝雷梁(共28片，間距45cm)，貝雷梁頂部鋪設(shè)模板體系，如圖2所示。

(a)正視圖 (a)Front view

(b)側(cè)視圖 (b)Side view圖1 拱橋構(gòu)造圖(單位：cm)Fig.1 Structural drawing of arch bridge (unit：cm)

建模計(jì)算需要支架的豎向剛度值，滿堂支架的豎向剛度根據(jù)支架立桿的長(zhǎng)度、截面、間距進(jìn)行計(jì)算，貝雷梁的豎向剛度則采用結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法，根據(jù)貝雷梁的跨度進(jìn)行計(jì)算。

3 建模計(jì)算分析

要進(jìn)行施工監(jiān)控，首先需要按照施工階段計(jì)算拱橋各個(gè)施工階段的應(yīng)力和變形，一方面可以保證橋梁在各個(gè)施工階段的施工安全，另一方面可以為橋梁的監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布設(shè)提供依據(jù)。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)按照施工階段進(jìn)行建模分析是非常重要的前期工作。

3.1 有限元模型的建立

對(duì)于該拱橋運(yùn)用MIDAS/CIVIL有限元軟件建立有限元仿真模型，根據(jù)許村特大橋的拱、梁段的長(zhǎng)度和構(gòu)造形式，全橋共劃分為246個(gè)單元。模型建立過(guò)程中，必須充分考慮橋梁的結(jié)構(gòu)布置、截面尺寸和施工具體過(guò)程。

(a)平面 (a)Plan

(b)中線縱剖面 (b)Midline longitudinal section圖2 許村特大橋支架布置圖(單位：cm)

在建立有限元仿真模型時(shí)，為了保證有限元模型與橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)相吻合，建模過(guò)程中考慮了以下幾個(gè)方面。

(1)主拱圈組合截面問(wèn)題。對(duì)主拱圈的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)采用鋼管-混凝土聯(lián)合截面的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，MIDAS軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性材料(鋼管)和非線性材料(內(nèi)充的混凝土)聯(lián)合截面進(jìn)行自動(dòng)處理，從而解決了組合截面的問(wèn)題。

(2)系梁?jiǎn)卧蛻?yīng)力集中問(wèn)題。系梁結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧瑖?yán)格按照設(shè)計(jì)院圖紙的系梁尺寸進(jìn)行建模，充分考慮系梁的截面尺寸沿縱橋向的尺寸變化情況，確保模型的精確度。此外，對(duì)于吊桿和系梁聯(lián)系處存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得部分施工階段的計(jì)算結(jié)果超限，然而在實(shí)際結(jié)構(gòu)上，吊桿和系梁之間的連接是有一個(gè)接觸面(錨墊板)的，不是一個(gè)理想的點(diǎn)接觸。為了解決該問(wèn)題，在系梁模型的吊桿位置，梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐旨用?，并且將吊桿下節(jié)點(diǎn)與鄰近的4個(gè)節(jié)點(diǎn)建立剛性連接，這樣吊桿與系梁連接處的應(yīng)力就會(huì)由臨近的系梁?jiǎn)卧餐謸?dān)，從而保證吊桿與系梁的連接與實(shí)際情況相一致，避免了吊點(diǎn)位置的系梁由于應(yīng)力集中而超限，與工程實(shí)際不符的問(wèn)題。

(3)支架的剛度問(wèn)題。由于施工監(jiān)控需要控制標(biāo)高，而施工系梁的支架形式不同，橋墩附近為滿堂碗扣支架，中間區(qū)域?yàn)樨惱琢菏街Ъ?，滿堂支架和貝雷梁支架的剛度具有明顯的差距，尤其是貝雷梁的跨中區(qū)域，支架的剛度明顯要小一些。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在建模之前對(duì)支架的豎向剛度進(jìn)行了計(jì)算，得到系梁梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)的豎向剛度值，然后在支架和對(duì)應(yīng)的系梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)之間建立彈性連接，并輸入相應(yīng)的豎向剛度。

(4)吊桿模擬。由于吊桿采用的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，因此吊桿只能受拉，模型中吊桿結(jié)構(gòu)采用了只受拉的桁架單元進(jìn)行模擬。

(5)施工階段問(wèn)題。由于施工過(guò)程中各個(gè)施工階段的施工時(shí)長(zhǎng)、溫度等因素會(huì)影響混凝土的徐變，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在橋梁建模之前與施工單位充分溝通，得到了準(zhǔn)確的施工過(guò)程中的主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并在模型中充分考慮，從而保證有限元模型能準(zhǔn)確反映實(shí)際的施工過(guò)程。

通過(guò)以上建模過(guò)程的科學(xué)處理，最終得到的88m跨度鋼管混凝土系桿拱橋的仿真計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 許村特大橋結(jié)構(gòu)離散圖Fig.3 Structural discrete diagram of Xucun super bridge

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)該系桿拱橋的主要施工階段，計(jì)算出了各個(gè)施工節(jié)段的最大應(yīng)力和變形，以及吊桿的拉力。篇幅所限，以下只給出了施工階段過(guò)程中數(shù)值最大的計(jì)算結(jié)果，如圖4和圖5所示。

從圖中可以看出：整個(gè)施工過(guò)程中，系梁混凝土的最大壓應(yīng)力為9.36MPa，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力；最大豎向位移為支架拆除完成工況下，數(shù)值為20.94mm，相比該橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算跨度88m來(lái)說(shuō)，最大豎向位移與跨度的比值為1/2380，該數(shù)值很小，滿足要求；最大索力為支架拆除工況下，最大值為949.49kN，遠(yuǎn)小于單索拉力設(shè)計(jì)值1810kN，亦滿足要求，這表明施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的強(qiáng)度和位移均滿足要求，施工過(guò)程安全。

4 施工監(jiān)控

4.1 施工監(jiān)控內(nèi)容

該系桿拱橋施工控制可分為4個(gè)主要階段：混凝土系梁施工、拱肋施工、吊桿張拉和支架拆除，根據(jù)每個(gè)施工階段的特點(diǎn)，明確相應(yīng)的施工重點(diǎn)。

混凝土系梁的澆筑是在支架上現(xiàn)澆，支架安全可靠，因此監(jiān)控內(nèi)容應(yīng)以線形控制為主，應(yīng)力控制為輔。拱肋的吊裝架設(shè)重點(diǎn)是對(duì)鋼管拱肋的軸線和坐標(biāo)進(jìn)行控制，即變形控制為主，應(yīng)力控制為輔。拱肋管內(nèi)混凝土灌注階段，拱肋截面特性隨施工進(jìn)程不斷變化，早期澆筑的混凝土與鋼管拱肋一起參與后期的荷載，在澆筑過(guò)程中拱肋截面的應(yīng)力和線形都在變化，該階段以應(yīng)力控制為主，變形為輔。吊桿張拉階段是系梁拱橋最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通過(guò)吊桿的分次張拉，現(xiàn)澆支架上系梁等的重量通過(guò)吊桿傳遞給鋼管混凝土拱肋，系梁逐步脫離支架，完成結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換，該階段的控制重點(diǎn)在于吊桿的拉力控制，同時(shí)兼顧全橋的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)與線形形態(tài)。

(b)系梁最大變形(支架拆除后)(b)Maximum deformation of tie beam(after support removal)圖4 施工過(guò)程中最大應(yīng)力和變形Fig.4 Maximum stress and deformation during construction

圖5 施工過(guò)程中吊桿最大拉力(支架拆除后)Fig.5 Maximum cable tension during construction(after support removal)

4.2 施工監(jiān)控方案

該簡(jiǎn)支拱橋跨度大，且用了兩種支架：滿堂支架和貝雷梁式支架，兩種支架的剛度差異比較大，此外還要對(duì)吊桿進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)，因此，需要合理布置測(cè)點(diǎn)、科學(xué)設(shè)計(jì)監(jiān)控方案。

測(cè)點(diǎn)布置需要根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的需要進(jìn)行科學(xué)布置。根據(jù)建模的計(jì)算結(jié)果最大值所在位置，并參考了相似工程的施工監(jiān)測(cè)實(shí)例，最終的測(cè)點(diǎn)布置如下。縱橋向布置：在兩個(gè)主拱肋的拱腳、1/4截面、跨中位置布置位移和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)(A～E、R1～R5測(cè)點(diǎn))。橫橋向布置：在距離系梁兩側(cè)0.8m位置、中線位置的上表面布設(shè)3個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，在相應(yīng)位置的系梁體內(nèi)(距離混凝土表面0.25m深度)，布置6個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。拱肋啞鈴形鋼管橫斷面的上下弧頂位置分別布置應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

(a)縱橋向位移測(cè)點(diǎn)布置(a)Placement of longitudinal bridge displacement measurement points

(b)系梁和拱肋橫斷面位移和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置(b)Layout of displacement and stress measuring points of tie beam and arch rib cross section (unit：cm)圖6 許村特大橋測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)Fig.6 Measuring point arrangement of Xucun super bridge

此外，在橋梁外堅(jiān)固穩(wěn)定的路基或者巖石上設(shè)置了基準(zhǔn)點(diǎn)，用于測(cè)量每一施工階段各個(gè)截面處測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高與成橋后的線形。

主拱圈拱腳變位、拱肋線形及位移監(jiān)測(cè)采用全站儀測(cè)量，系梁標(biāo)高采用水準(zhǔn)儀測(cè)量。此外，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，部分測(cè)距還輔以鋼卷尺進(jìn)行復(fù)測(cè)。吊桿張拉力采用索力動(dòng)測(cè)儀(儀器型號(hào)：JMM-268)在各個(gè)不同的施工工況條件對(duì)吊桿索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保正橋后吊桿張拉力滿足設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)力測(cè)量則采用振弦式應(yīng)變計(jì)。鋼管拱肋的應(yīng)變計(jì)牢固緊貼于應(yīng)力測(cè)點(diǎn)截面所在位置的上下表面。系梁的應(yīng)變計(jì)是在澆筑前固定在鋼筋骨架的相應(yīng)位置上，并將導(dǎo)線引至橋面以便于后續(xù)數(shù)據(jù)采集。在測(cè)量頻率方面，在每個(gè)施工工況前后均應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每次數(shù)據(jù)的采集均選在清晨同一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行，在重要施工階段應(yīng)適當(dāng)增加觀測(cè)頻率。

4.3 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)所建模型，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段分析，得到各個(gè)施工階段的位移和應(yīng)力，并與施工測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果修正下一階段的施工參數(shù)，直至橋梁施工完成。其中的施工階段包括：系梁施工、拱肋施工并拆除拱肋支架、吊桿安裝、拆除系梁支架等。由于各個(gè)施工階段測(cè)量的數(shù)據(jù)量龐大，篇幅所限，以下只列出了應(yīng)力和變形比較大的部分施工階段數(shù)據(jù)，并與相應(yīng)施工階段的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

從表1可以看出，主要施工階段的應(yīng)力和變形，與實(shí)測(cè)值高度吻合，這表明所建仿真模型與橋梁的工作狀態(tài)一致性較好，有限元模型能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)橋梁各個(gè)施工階段的工作狀態(tài)。

表1 主要施工階段監(jiān)控計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

5 結(jié)論

許村特大橋做為系桿拱橋，其跨度達(dá)到了88m，且跨越既有公路線，結(jié)合地質(zhì)、地形條件，采用了先系梁后拱肋的支架施工方案。根據(jù)大跨系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)支架方案和施工過(guò)程，采用MIDAS軟件對(duì)橋梁進(jìn)行了三維仿真分析，并且建模過(guò)程中對(duì)一些環(huán)節(jié)進(jìn)行了科學(xué)處理，計(jì)算結(jié)果表明施工過(guò)程中橋梁的位移和強(qiáng)度均滿足要求。此外，根據(jù)對(duì)該橋計(jì)算結(jié)果的分析，確定了不同施工階段的監(jiān)控重點(diǎn)，并且結(jié)合建模計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的橋梁施工監(jiān)測(cè)方案，包括布置測(cè)點(diǎn)，選擇傳感器，確定測(cè)量方法和頻次等，對(duì)橋梁施工進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控。

將橋梁建模理論計(jì)算結(jié)果與施工實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：施工監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)有限元理論計(jì)算數(shù)據(jù)吻合度很高，表明有限元模型能夠反應(yīng)橋梁的實(shí)際受力狀態(tài)，所建立的有限元模型準(zhǔn)確可靠，理論仿真計(jì)算的精度很高。

目前，許村特大橋已經(jīng)進(jìn)行了竣工驗(yàn)收，即將通車。該系桿拱橋的有限元建模計(jì)算分析、施工監(jiān)控可為相似橋梁工程提供有益的借鑒。