楊 浩

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院 重慶 400074）

基于數(shù)值仿真的拱橋施工監(jiān)控技術(shù)

楊 浩

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院 重慶 400074）

橋梁施工難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證橋梁施工安全，成橋后線形符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)全橋施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控是很有必要的。以某1-100米渡水拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，選擇5個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)面，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為實(shí)際施工提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐，利于施工方案的調(diào)整或修改，提高橋梁施工質(zhì)量。

拱橋；施工監(jiān)控；數(shù)值仿真

0 ．前言

橋梁施工監(jiān)控的目的和意義就是保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全性、橋梁分段順利合攏。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行施工階段計(jì)算，并在施工過(guò)程中根據(jù)施工監(jiān)測(cè)的成果對(duì)誤差進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，從而通過(guò)施工方案進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)保證施工沿著預(yù)定軌道進(jìn)行。無(wú)論是撓度觀測(cè)值還是截面應(yīng)變觀測(cè)值中都包含溫度不均勻產(chǎn)生的影響。采用撓度和應(yīng)力雙控參數(shù)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)施工控制，使結(jié)構(gòu)的外觀形狀和內(nèi)力均符合設(shè)計(jì)、施工規(guī)程的要求，保證大橋順利建成及運(yùn)營(yíng)后結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形良好。

1 ．工程概況

渡水橋設(shè)計(jì)為1-100m箱形板拱橋，主拱圈為等截面懸鏈線無(wú)鉸拱，凈跨100米，矢跨比1/6，拱軸系數(shù)m=1.756，由于橋址區(qū)場(chǎng)地限制，主拱圈采用搭設(shè)鋼拱架現(xiàn)澆施工。兩岸引橋橋墩基礎(chǔ)及橋臺(tái)基礎(chǔ)均采用雙柱式基礎(chǔ)，且?guī)r層飽和極限抗壓強(qiáng)度不小于6MPa。兩岸主拱拱座均為砼圬工結(jié)構(gòu)，嵌入除去強(qiáng)風(fēng)化破碎層后的新鮮完整基巖內(nèi)，拱座砼采用不立模澆筑，使拱座砼與巖體成一整體。

2 ．施工監(jiān)控原則

拱橋的理想幾何線形與合理內(nèi)力狀態(tài)不僅與設(shè)計(jì)有關(guān)，而且還依賴于科學(xué)合理的施工方法。如何通過(guò)對(duì)施工過(guò)程的控制，在成橋時(shí)得到預(yù)先設(shè)計(jì)的受力狀態(tài)和幾何線形，是橋梁施工中非常困難和關(guān)鍵的問(wèn)題。同時(shí)，施工控制的結(jié)果為橋梁實(shí)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供原始依據(jù)，是橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的起點(diǎn)。

根據(jù)以往鋼筋混凝土箱拱橋施工控制經(jīng)驗(yàn)，影響施工過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的因素主要有以下幾方面：（1）橋梁施工臨時(shí)荷載，（2）拱架剛度和穩(wěn)定性，（3）主拱合攏時(shí)溫度影響，（4）混凝土徐變及收縮，（5）混凝土彈性模量。

橋梁施工監(jiān)控的目標(biāo)，就是根據(jù)施工監(jiān)測(cè)所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行施工階段計(jì)算，根據(jù)施工監(jiān)測(cè)的成果對(duì)誤差進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，以此來(lái)保證施工沿著預(yù)定軌道進(jìn)行，從而保證主梁合攏后橋面線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求，保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全性、橋梁順利合攏、橋梁成橋受力狀態(tài)及合攏后橋面線形良好。然而，由于實(shí)際施工過(guò)程中各種條件的變化，結(jié)構(gòu)在成橋時(shí)橋梁的內(nèi)力和線形與設(shè)計(jì)總存在一定的誤差，根據(jù)以往的該類橋型施工監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)，在保證結(jié)構(gòu)施工和營(yíng)運(yùn)內(nèi)力安全的前提下，結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)的線形與設(shè)計(jì)相比，高程線型最大偏差一般不超過(guò)20mm；橋軸線偏差一般不超過(guò)10mm；橫向扭轉(zhuǎn)一般不超過(guò)10mm。

渡水橋施工監(jiān)控目標(biāo)的選擇應(yīng)考慮兩個(gè)方面的因素，一方面要選擇用現(xiàn)有技術(shù)條件能實(shí)施的控制目標(biāo)，另一方面要選擇對(duì)主橋結(jié)構(gòu)有重要影響的關(guān)鍵控制目標(biāo)，并且量測(cè)到的控制目標(biāo)能反映主橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，對(duì)施工過(guò)程的安全能起到指導(dǎo)意義。

3.結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

結(jié)構(gòu)分析是結(jié)構(gòu)施工控制的主要工作內(nèi)容之一，該項(xiàng)工作根據(jù)施工過(guò)程與成橋運(yùn)營(yíng)情況來(lái)完成各施工狀態(tài)及成橋后的內(nèi)力與位移計(jì)算，進(jìn)而確定出結(jié)構(gòu)各施工階段的內(nèi)力與位移理論值。計(jì)算可考慮施工的進(jìn)程、時(shí)間、相應(yīng)狀態(tài)臨時(shí)荷載、環(huán)境溫度、截面的變化、結(jié)構(gòu)變化、混凝土的收縮與徐變、預(yù)加應(yīng)力等因素?？纱_定預(yù)測(cè)下一施工狀態(tài)及施工成橋狀態(tài)的內(nèi)力與位移。結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)分析采用倒退分析與前進(jìn)分析兩種方法。結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)行為分析采用非線性有限元法。該項(xiàng)分析包括如下幾項(xiàng)內(nèi)容：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)的檢算復(fù)核：復(fù)核結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的預(yù)拱度；確定各施工理想狀態(tài)的內(nèi)力與位移。

（2）通過(guò)比較確定出結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力與位移的相應(yīng)狀態(tài)。

（3）施工過(guò)程中的穩(wěn)定性計(jì)算：確定最不利狀態(tài)，提出相應(yīng)的抗失穩(wěn)措施。

（4）給出有關(guān)施工的建議。

按照設(shè)計(jì)圖運(yùn)用大型通用有限元分析軟件Midas建立有限元分析。

根據(jù)橋梁的實(shí)際施工以及監(jiān)測(cè)情況，將橋梁分成如下階段（主拱圈頂板底板各分三個(gè)施工階段階段）：1、安裝鋼拱架；2、鋼拱架進(jìn)行試壓；3、卸掉鋼拱架試壓荷載；4、安裝腹板橫隔板5、澆筑拱腳實(shí)腹段；6、主拱圈底板第一段（拱腳到跨中一段區(qū)域）；7、主拱圈底板第二段（拱頂?shù)装鍧仓?、主拱圈底板第三段（底板合龍）；9、主拱圈頂板第一段（拱腳到跨中一段區(qū)域）；10、主拱圈頂板第二段（拱頂頂板澆筑）；11、主拱圈頂板第三段（頂板合龍）12、拆鋼拱架；13、澆筑5、6、7號(hào)墩立柱14、澆筑部分立柱和蓋梁；15、立柱和蓋梁澆筑完；16、主拱圈上澆筑部分橋面板；17、主拱圈上橋面板澆筑完。

根據(jù)不同的施工階段得到監(jiān)測(cè)截面的應(yīng)力值、位移值的大小。

4.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取

渡水橋施工監(jiān)控的主要內(nèi)容包括：施工階段鋼拱架與主拱圈的應(yīng)力、應(yīng)變、位移（主要是沉降）、拱軸線偏位。

考慮要適合長(zhǎng)期施工過(guò)程觀測(cè)并能保證足夠的精度，對(duì)鋼拱架和主拱圈分別選用長(zhǎng)期性、穩(wěn)定性較好，精度較高的 JMZX-212 型表面智能數(shù)碼弦式應(yīng)變計(jì)和JMZX-215型埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)，以及配套的數(shù)字頻率接收儀進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。通過(guò)測(cè)定應(yīng)變計(jì)的頻率，從而換算得到應(yīng)力值。

根據(jù)渡水橋施工時(shí)的方法、受力特點(diǎn)和施工控制的主要目的，確定鋼拱架和主拱圈正應(yīng)力截面各5個(gè)，分別為拱腳截面（2個(gè)），1/4截面（2個(gè)）和拱頂截面（1個(gè)）。

對(duì)于鋼拱架，應(yīng)變計(jì)采用 JMZX-212型表面智能數(shù)碼弦式應(yīng)變計(jì)，其安裝點(diǎn)具體位置如圖2；

對(duì)于主拱圈，應(yīng)變計(jì)采用JMZX-215型埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境情況，由于施工環(huán)境在發(fā)生變化，所以鋼拱架和主拱圈均采用自由設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)的方法，在靠近施工現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域選擇一點(diǎn)作為儀器點(diǎn)，一點(diǎn)為后視點(diǎn)，標(biāo)記完成后，用這些點(diǎn)作為固定點(diǎn)設(shè)立坐標(biāo)系，觀測(cè)橋上設(shè)立的觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)試每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的 X、Y、Z坐標(biāo)值，每次測(cè)試值與最初值和上一次的值進(jìn)行比對(duì)，控制差值在合理范圍以內(nèi)。測(cè)試儀器選用進(jìn)口的GPS全站儀，對(duì)于坐標(biāo)值測(cè)試更加精準(zhǔn)。

為消除日照溫差引起的拱圈的不規(guī)則變化，線形測(cè)量選擇在溫度變化小、氣溫穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行，并應(yīng)縮短測(cè)量工作持續(xù)的時(shí)間。

根據(jù)施工進(jìn)度，及時(shí)獲取不同施工階段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，保留原始數(shù)據(jù)。如果測(cè)量中發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有較大的偏差，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的頻率，分析可能造成偏差的原因。

5 結(jié)論

運(yùn)用橋梁專業(yè)有限元軟件midas civil，通過(guò)建立符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的有限元仿真分析模型，對(duì)橋梁各施工階段以及關(guān)鍵部位應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)分析，并輔以控制截面關(guān)鍵部位應(yīng)力的實(shí)時(shí)測(cè)量分析。實(shí)時(shí)調(diào)整仿真分析參數(shù)，使其最大限度地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的各種情況。調(diào)整后的仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)值吻合良好，充分說(shuō)明了有限元仿真模型的建立、邊界條件的模擬、荷載模式的選擇以及橋梁物理參數(shù)的取值均符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，科學(xué)地預(yù)報(bào)了下階段橋梁應(yīng)力和變形狀態(tài)，為大橋的安全施工提供了有效技術(shù)保障。

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1007-6344（2016）07-0056-01