波形鋼腹板PC組合箱梁橋施工仿真及監(jiān)控分析

摘" 要：波形鋼腹板PC組合箱梁橋在施工階段結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較為復(fù)雜，為確保在施工過程中安全可靠，建立橋梁結(jié)構(gòu)施工仿真計(jì)算模型，模擬主梁在不同施工階段的施工過程，結(jié)合橋梁懸臂施工位移監(jiān)測(cè)方法及混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量原理，對(duì)比分析有限元仿真結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，理論數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較高，建立的施工仿真模型能夠較好地反映實(shí)際橋梁的受力狀態(tài)，主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形均滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：波形鋼腹板;PC組合箱梁;施工仿真分析;施工監(jiān)控;仿真計(jì)算模型

中圖分類號(hào)：U448" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）26-0076-04

Abstract： The structural stress state of PC composite box girder bridge with corrugated steel web is relatively complicated in the construction stage. In order to ensure the safety and reliability in the construction process， a simulation calculation model of bridge structure construction is established to simulate the construction process of main beam in different construction stages. Based on the displacement monitoring method of bridge cantilever construction and the stress measurement principle of concrete structure， the finite element simulation results and actual monitoring data are compared and analyzed. The results show that the theoretical values are in good agreement with the measured data， the construction simulation model can better reflect the stress state of the actual bridge， and the structural stress and alignment of the main beam meet the design requirements.

Keywords： corrugated steel web; PC composite box girder; construction simulation analysis; construction monitoring; simulation calculation model

波形鋼腹板PC組合箱梁橋作為典型的鋼-混組合結(jié)構(gòu)，充分利用了鋼板和混凝土材料各自的材料性能，較好地發(fā)揮了體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和鋼板材料的高承載能力[1-2];相比于傳統(tǒng)的箱梁橋，波形鋼腹板PC組合箱梁橋具有良好的抗震性、耐久性和美觀性，能夠增加橋梁結(jié)構(gòu)的壽命，具有良好的社會(huì)效益，在我國的橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，不僅要確保成橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的安全，還要保證在施工過程中具有足夠的安全性和可靠性[4]。以某波形鋼腹板PC組合箱梁橋建設(shè)工程為背景，采用掛籃懸臂法施工工藝，橋梁結(jié)構(gòu)是逐步完成的;在施工過程中，施工荷載不斷地變化，而且要經(jīng)歷結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換，箱梁結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化較復(fù)雜。

橋梁施工仿真技術(shù)，是橋梁施工控制中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，可以明確在各個(gè)施工階段下橋梁主要構(gòu)件的受力狀態(tài)，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形成互補(bǔ)，確保預(yù)先設(shè)定的橋梁施工過程是否合理、安全[5]。施工過程仿真分析的目的即是通過建立仿真計(jì)算模型，對(duì)施工過程中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析，得到橋梁施工中現(xiàn)實(shí)有效的控制參數(shù)，并且預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的受力行為，指導(dǎo)橋梁施工;同時(shí)，通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證和修正仿真計(jì)算模型的數(shù)值結(jié)果。所以，對(duì)全橋進(jìn)行施工受力分析和施工監(jiān)控具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1" 工程背景

1.1" 工程概況

某橋采用主跨96.0 m的波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋，全橋分幅設(shè)計(jì)，左、右幅構(gòu)造相同，上部結(jié)構(gòu)跨徑總長202.0 m，跨徑布置為53 m+96 m+53 m。該橋單幅箱梁采用單箱單室變截面形式，箱梁梁高和底板厚度均按1.6次的拋物線形式變化。該橋采用掛籃懸臂對(duì)稱澆筑施工工藝，節(jié)段間波形鋼腹板采用搭接焊接的形式永久連接，波形鋼腹板與內(nèi)襯混凝土、隔板轉(zhuǎn)向塊等采用焊釘連接，波形鋼腹板與箱梁頂?shù)装濉⑦吙缍瞬繖M隔板、0號(hào)塊橫隔板采用鋼筋混凝土榫和貫穿鋼筋組合連接。現(xiàn)澆箱梁采用C50混凝土，波形鋼腹板采用Q345C低碳鋼，箱梁預(yù)應(yīng)力體系采用體內(nèi)束和體外束相結(jié)合的方式。橋梁總體立面布置如圖1所示。

1.2" 施工仿真模型的建立

根據(jù)施工便利性和可實(shí)現(xiàn)程度，對(duì)波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋進(jìn)行施工節(jié)段劃分，在保證施工安全可靠的情況下，合理考慮施工效率。本次按照橋梁懸臂施工時(shí)，懸臂澆筑節(jié)段的實(shí)際長度來劃分單元并建立有限元模型。根據(jù)現(xiàn)有研究成果可知[6]，波形鋼腹板PC組合箱梁的混凝土頂?shù)装逡砭壗茲M足平截面假定，對(duì)箱梁截面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，可以采用普通PC箱梁計(jì)算理論進(jìn)行計(jì)算?？紤]到計(jì)算效率和仿真分析的目的，按照節(jié)段劃分，主梁與橋墩均選用空間梁單元建立全橋結(jié)構(gòu)有限元模型，三維模型如圖2所示。全橋結(jié)構(gòu)有限元模型只考慮縱向預(yù)應(yīng)力體系的作用，并考慮體內(nèi)預(yù)應(yīng)力孔道對(duì)箱梁截面的影響，忽略橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的影響，并且只考慮了主墩墩頂0號(hào)塊橫隔板的作用。

2" 施工監(jiān)控技術(shù)

橋梁施工監(jiān)控中的位移（變形）控制和應(yīng)力控制是橋梁安全施工的基礎(chǔ)，本項(xiàng)目選擇在施工監(jiān)控過程中橋梁關(guān)鍵控制斷面，以及在控制斷面上受力較大的部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置。

2.1" 橋梁位移的監(jiān)測(cè)

懸臂施工過程中，箱梁節(jié)段的變形觀測(cè)主要包括掛籃的立模標(biāo)高、波形鋼腹板的定位標(biāo)高及其在空間位置中確定。

變形監(jiān)測(cè)要求施工現(xiàn)場(chǎng)有穩(wěn)定的高程基準(zhǔn)點(diǎn)，高程基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)通常設(shè)置在梁頂?shù)念A(yù)埋鋼筋頭上，鋼筋頭露出混凝土頂板1～2 cm，并打磨光滑涂上紅色油漆。測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的埋設(shè)不僅要保證自身的穩(wěn)固性，同時(shí)還應(yīng)該注意不能與施工設(shè)施，如三角掛籃等相互沖突，位移基準(zhǔn)點(diǎn)不應(yīng)該布置在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉端的附近。每個(gè)懸臂梁段前端的位移測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

對(duì)于懸臂施工的每個(gè)箱梁節(jié)段均采用循環(huán)監(jiān)測(cè)方法，主要的監(jiān)測(cè)循環(huán)點(diǎn)：立模結(jié)束時(shí)刻和節(jié)段混凝土澆筑前→節(jié)段混凝土澆筑后→預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉前→預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后→掛籃移動(dòng)后。根據(jù)全橋施工仿真計(jì)算結(jié)果得到本梁段混凝土澆筑前需要的立模標(biāo)高值，表示為

H=H0+f0+fg ， （1）

f0=Σf1+Σf2+f3+f4+f5 ， （2）

式中：H為第i懸臂梁段的理論立模標(biāo)高值;H0為第i懸臂梁段底面（或頂面）的設(shè)計(jì)高程;f0為第i梁段的預(yù)拱度值;f1為澆筑完成的混凝土梁段自重在第i梁段引起的撓度和;f2為各個(gè)梁段的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)在第i梁段引起的撓度和;f3為混凝土收縮徐變效應(yīng)在第i梁段引起的撓度值;f4為臨時(shí)施工荷載（掛籃、模板等）在第i梁段產(chǎn)生的撓度值;f5為施工荷載在第i梁段產(chǎn)生的撓度值;fg為第i梁段施工過程中掛籃的彈性變形值。

2.2" 橋梁應(yīng)力的監(jiān)測(cè)

施工過程中的應(yīng)力監(jiān)控采用振弦氏應(yīng)變測(cè)量傳感器和配套的數(shù)據(jù)采集儀器，該傳感器穩(wěn)定性較好、測(cè)量精度較高，同時(shí)具有測(cè)量結(jié)構(gòu)溫度的功能、應(yīng)變累計(jì)功能以及數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)點(diǎn)。

在橋梁受力最不利的關(guān)鍵截面布置應(yīng)力測(cè)量傳感器，對(duì)施工過程中的截面應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別在中跨橋墩根部箱梁、邊跨1/4截面箱梁、中跨1/4和1/2截面箱梁埋設(shè)混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)傳感器。應(yīng)變傳感器埋設(shè)在指定箱梁截面的頂板上層及底板下層的鋼筋附近，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)量主要是指沿橋梁縱向的正應(yīng)力，因此，應(yīng)變傳感器的固定方向?yàn)檠貥蛄嚎v向。每個(gè)測(cè)量截面共埋設(shè)6個(gè)混凝土應(yīng)變傳感器，2個(gè)鋼腹板應(yīng)變花傳感器。應(yīng)變傳感器的布置位置如圖4所示。

2.3" 施工監(jiān)測(cè)工況的選取

在主梁掛籃懸臂澆筑施工過程中，按照掛籃前移就位→鋼腹板定位安裝、立模板和綁扎鋼筋→澆筑懸臂端混凝土、混凝土養(yǎng)生→張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線等施工工序進(jìn)行循環(huán)施工。橋梁的變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)也按上述工況進(jìn)行;另外，在掛籃卸載、邊跨合龍、中跨合龍和體外預(yù)應(yīng)力張拉等施工階段均要進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀測(cè)。由于混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變的滯后特性，混凝土應(yīng)變的測(cè)量工作一般在每個(gè)施工工況結(jié)束后的8 h左右進(jìn)行測(cè)量;另外，為了避免溫差較大對(duì)應(yīng)變測(cè)量穩(wěn)定性的影響，應(yīng)變測(cè)量工作也應(yīng)該選擇在早晨5：00—6：00或者日落后[7]。

3" 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1" 位移結(jié)果對(duì)比分析

采用位移增量的表示方法，對(duì)混凝土梁段澆筑前后懸臂端的位移增量進(jìn)行分析。選擇左幅橋梁，位移實(shí)測(cè)值取斷面各位移測(cè)點(diǎn)的平均值。在懸臂施工階段，主梁懸臂端在箱梁節(jié)段混凝土澆筑前后的位移增量與有限元模型計(jì)算得到的理論結(jié)果對(duì)比如圖5和圖6所示（主梁中跨分別對(duì)應(yīng)14、15號(hào)橋墩）。

由圖5、6對(duì)比結(jié)果可知，14、15號(hào)墩懸臂端在梁段混凝土澆筑前后的位移增量與有限元計(jì)算的位移增量具有相同的變化趨勢(shì)，豎向位移增量隨著懸臂端的伸長逐漸增大，即懸臂端的豎向位移逐漸增大。在11號(hào)梁段混凝土澆筑前，橋墩兩側(cè)懸臂梁段的位移增量普遍較有限元計(jì)算出的位移增量大，說明橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)實(shí)際懸臂施工過程中的施工荷載作用較為敏感，在實(shí)際的施工過程中應(yīng)加以重視。

3.2" 應(yīng)力結(jié)果對(duì)比分析

混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)應(yīng)力值取頂板和底板各自3個(gè)測(cè)點(diǎn)（左側(cè)、中間、右側(cè)）的平均值，不同截面位置的實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力時(shí)程對(duì)比結(jié)果如圖7—圖10所示。

由圖7和圖8可知，左幅箱梁監(jiān)測(cè)截面底、頂板在不同梁段混凝土澆筑后，均呈現(xiàn)出了壓應(yīng)力逐漸增大的趨勢(shì)，實(shí)測(cè)應(yīng)力值與有限元分析結(jié)果具有較好的吻合度。中跨根部箱梁底板在1—5號(hào)梁段混凝土澆筑后出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.63 MPa，說明在1—5號(hào)梁段澆筑前的預(yù)應(yīng)力作用較為明顯。每個(gè)梁段混凝土澆筑前后頂板壓應(yīng)力會(huì)因主梁根部負(fù)彎矩的增加而減小，待梁段預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后，頂板壓應(yīng)力便會(huì)增大。由于每個(gè)梁段施工過程中的荷載誤差、測(cè)量誤差等因素的影響，使得每個(gè)梁段的應(yīng)力時(shí)程不盡相同，但基本上符合上述的壓應(yīng)力波動(dòng)特征。

由圖9可知，每個(gè)施工梁段在吊裝固定鋼腹板、綁扎鋼筋和澆筑梁段混凝土后，1/4跨底板的應(yīng)力均會(huì)增大，由于施工梁段在沒有產(chǎn)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前，相當(dāng)于在橋梁懸臂端增加了豎向荷載，因而增大底板的壓應(yīng)力。而在施工梁段混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%以上并張拉頂板體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋后，1/4跨底板的壓應(yīng)力會(huì)有小幅度的減小，但在梁段自重和預(yù)應(yīng)力的綜合作用下，其壓應(yīng)力總體上呈增大趨勢(shì)。

由圖10可知，隨著懸臂段預(yù)應(yīng)力張拉施工的進(jìn)行，主跨1/4截面頂板壓應(yīng)力有所增加，在進(jìn)行邊跨合龍段和中跨合龍段施工時(shí)，頂板壓應(yīng)力沒有太大的變化，但是在體外預(yù)應(yīng)力張拉施工結(jié)束后，壓應(yīng)力值具有較大幅度的增加。在體外預(yù)應(yīng)力施工之前，截面實(shí)測(cè)應(yīng)力值和有限元計(jì)算值吻合較好，但是在體外預(yù)應(yīng)力施工結(jié)束后，實(shí)測(cè)壓應(yīng)力增加的數(shù)值要大于理論計(jì)算壓應(yīng)力的增加值，說明了實(shí)際體外預(yù)應(yīng)力的作用效果明顯。

4" 結(jié)論

通過建立波形鋼腹板PC組合箱梁橋施工仿真計(jì)算模型，模擬主梁在不同施工階段下的施工過程，并通過設(shè)置施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1）理論數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了有限元模型的正確性，說明施工仿真模型能夠較好地反映波形鋼腹板PC組合箱梁橋在懸臂施工中的靜力性能以及結(jié)構(gòu)受力狀態(tài);另外，可以通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析計(jì)算，預(yù)測(cè)橋梁在施工過程中可能的受力行為。

2）隨著懸臂施工的進(jìn)行、懸臂長度的增大，監(jiān)測(cè)截面實(shí)測(cè)應(yīng)力值比施工仿真模型計(jì)算得到的應(yīng)力值稍大，而且隨長度增加，應(yīng)力差值越大。原因是頂、底板的3個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)中，有2個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)處于腹板和頂、底板交界的位置，這個(gè)位置由于存在剪力滯效應(yīng)，使得平均測(cè)量得到的正應(yīng)力較大。

3）不確定的施工機(jī)具等荷載誤差、環(huán)境影響導(dǎo)致的誤差、儀器測(cè)量誤差等會(huì)使得實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果存在一定的誤差。但總體上較為穩(wěn)定，變化趨勢(shì)與理論值一致，施工過程中混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值不超過規(guī)范要求的容許值，說明在懸臂施工階段中結(jié)構(gòu)安全可靠。

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作者簡介：徐富強(qiáng)（1990-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)闃蛄吼B(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)。