■羅靜靜

（福州東南繞城高速公路有限公司，福州 350008）

仿真分析模擬在橋梁同步頂升施工監(jiān)控中的運(yùn)用

■羅靜靜

（福州東南繞城高速公路有限公司，福州 350008）

以某高速路面改造項(xiàng)目中橋梁頂升工程為依托，結(jié)合頂升系統(tǒng)的施工方案，介紹通過(guò)有限元仿真分析模型，對(duì)其頂升過(guò)程中的梁體變形和應(yīng)力分布特征進(jìn)行模擬，得到了理論上的監(jiān)控控制閥值，保證分級(jí)頂升的安全性和控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)梁體頂升過(guò)程的位移、應(yīng)力多種指標(biāo)進(jìn)行綜合監(jiān)控。頂升施工監(jiān)控結(jié)果表明，理論分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，頂升施工過(guò)程中梁體應(yīng)力、位移偏差均在允許范圍內(nèi)，頂升結(jié)束后落梁平穩(wěn)安全。該工程的成功實(shí)施為接下來(lái)的類似工程提供較高的參考價(jià)值，進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)控方案，提高了工程效率、節(jié)約了施工時(shí)間和施工成本。

同步頂升 頂升施工 監(jiān)控 仿真模擬

1 引言

橋梁頂升技術(shù)近幾年在舊路改造中，以其施工快捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。為了減少梁體內(nèi)力的變化，一般中小跨徑橋梁都會(huì)采取整體同步頂升施工，但在具體施工過(guò)程中，由于無(wú)法保證各支點(diǎn)頂升高度完全同步，同時(shí)因施工隊(duì)伍的施工質(zhì)量問(wèn)題，約束未完全解除，使得不同支點(diǎn)頂升出現(xiàn)高差，會(huì)引起梁體結(jié)構(gòu)的不正常內(nèi)力。因此通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬頂升過(guò)程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，對(duì)頂升過(guò)程中的監(jiān)控，保障主梁在頂升過(guò)程中的安全尤其重要。本工程在頂升施工中運(yùn)用仿真分析的方法可以為接下來(lái)類似工程提供技術(shù)參考和經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

某中橋?yàn)楦咚俟返囊蛔骶€橋，位于直線段上，橋梁分為左、右幅。上部結(jié)構(gòu)為2孔16m預(yù)制空心板梁，先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)，全橋一聯(lián)，橋梁全長(zhǎng)38m。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。全橋支座采用矩形板式橡膠支座。全橋只有一條伸縮縫，位于1#墩墩頂，兩側(cè)橋臺(tái)為無(wú)縫化設(shè)計(jì)。路面改造需對(duì)全線進(jìn)行加鋪18cm厚瀝青混凝土，因此需對(duì)路面與橋涵順接方式進(jìn)行處理。改造設(shè)計(jì)為了對(duì)原路線縱坡線型進(jìn)行優(yōu)化，不影響橋梁運(yùn)營(yíng)承載，橋梁需增高15.8cm。

2.2 頂升施工方案

該橋依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件采用鋼牛腿式頂升方案。該項(xiàng)目采用分階段頂升方法，即為了保障頂升過(guò)程中的安全性，將設(shè)計(jì)頂升高度分為幾個(gè)階段進(jìn)行。在每個(gè)支撐頂點(diǎn)布置處安裝一組可主動(dòng)施加頂力的千斤頂，并用控制臺(tái)控制液壓泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)行頂升，待到達(dá)每階段預(yù)計(jì)高度時(shí)，用臨時(shí)墊塊/墊片將梁體固定，提升千斤頂之后再進(jìn)行第二階段的頂升作業(yè)。如此重復(fù)一個(gè)周期直至頂升至設(shè)計(jì)高度[2]。

（1） 其系統(tǒng)分為：

液壓系統(tǒng)（含檢測(cè)傳感器）、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般有8個(gè)部分：

①液壓泵;

②帶觸摸屏的PLC控制裝置;

③液壓缸;

④位移傳感器;

⑤液壓軟管;

⑥傳感器電纜;

⑦電磁控制器;

⑧壓力傳感器。

3 仿真分析——梁體頂升過(guò)程中梁體安全閥值

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，該橋空心板梁采用C40等級(jí)混凝土，截面設(shè)計(jì)采用交通部頒布的 《裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板橋上部結(jié)構(gòu)》16m跨徑通用圖紙[3]。模型約束考慮兩種情況：情況一，頂升系統(tǒng)不同步高差；情況二，橋面連續(xù)未解除，按一端滑動(dòng)、一端固定設(shè)置。以中梁為例，采用精細(xì)化實(shí)體仿真分析軟件midas FEA建立單梁實(shí)體網(wǎng)格模型，如圖1所示。

圖1 單梁實(shí)體網(wǎng)格模型

為了模擬頂升過(guò)程中兩側(cè)支點(diǎn)可能出現(xiàn)的頂升不同位移量的情況，給予滑動(dòng)端一定的強(qiáng)制位移量，通過(guò)計(jì)算梁體表面混凝土的受拉應(yīng)力值與混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，確定兩個(gè)支點(diǎn)最大位移差閥值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，計(jì)算模型如圖2、圖3所示。

表1 單梁模型不同強(qiáng)制位移下梁體產(chǎn)生最大受拉應(yīng)力值

圖2 5mm強(qiáng)制位移的應(yīng)變?cè)茍D

圖3 6mm強(qiáng)制位移的應(yīng)力云圖

4 頂升監(jiān)控

4.1 位移變化監(jiān)控

（1）橋面標(biāo)高

橋面高程的觀測(cè)點(diǎn)用于推算每個(gè)梁片支點(diǎn)處的實(shí)際頂升高度，使頂升到位后橋面標(biāo)高得到有效控制。在每個(gè)橋跨兩端控制點(diǎn)處布置測(cè)點(diǎn)，通過(guò)水準(zhǔn)儀在每階段頂升抬高前后分別測(cè)量其相對(duì)標(biāo)高，并做好記錄，同時(shí)結(jié)合頂升控制系統(tǒng)中頂升高度數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，現(xiàn)場(chǎng)橋面標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4所示。頂升前后，橋面標(biāo)高變化如表2所示，現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程標(biāo)高監(jiān)控如圖5所示。同一個(gè)墩臺(tái)相鄰頂升點(diǎn)之間的頂升高差在0.5mm之內(nèi)，同一片梁的頂升高差在5.0mm之內(nèi)，滿足監(jiān)控要求。

圖4 橋面標(biāo)高監(jiān)控示意

圖5 橋面標(biāo)高監(jiān)控

表2 梁片頂升前后標(biāo)高變化匯總

（2）橋梁中線偏移

在主線橋路線中心線對(duì)應(yīng)橋面上每側(cè)梁端各布置兩處中線控制點(diǎn)，采用鋼直尺實(shí)時(shí)觀測(cè)梁體中線偏移情況。頂升過(guò)程和落梁后，梁體均未出現(xiàn)中線偏移情況。

（3）梁體縱向位移

在每片梁端安裝基準(zhǔn)鋼片，在每級(jí)頂升抬高完成后用鋼直尺量測(cè)限位鋼片與基準(zhǔn)位置的刻度差值。頂升過(guò)程和落梁后，梁體均未出現(xiàn)縱向偏移情況。

4.2 應(yīng)力應(yīng)變變化監(jiān)控

主梁應(yīng)力監(jiān)控是對(duì)頂升施工過(guò)程是否安全的最直接的手段，是施工過(guò)程安全的保證[4]。應(yīng)變監(jiān)控主要是在頂升、持荷和梁體回落過(guò)程中對(duì)邊梁和中梁關(guān)鍵斷面進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控頂升過(guò)程中梁體的應(yīng)變情況，傳感器采用工具式表面應(yīng)變傳感器，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6所示。根據(jù)有限元軟件計(jì)算結(jié)果，最大應(yīng)變監(jiān)控位置布置在頂升支點(diǎn)處。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，要求同一跨兩側(cè)支點(diǎn)頂升高差控制在5mm之內(nèi)，應(yīng)變按33με控制。該橋頂升（落梁）梁體應(yīng)變記錄見(jiàn)表3，現(xiàn)場(chǎng)梁體應(yīng)變監(jiān)控如圖7所示。

圖6 梁體應(yīng)變監(jiān)控示意

圖7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控

表3 頂升（落梁）過(guò)程梁體應(yīng)變記錄表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，同步頂升實(shí)測(cè)梁體最大應(yīng)變變化值為7με，遠(yuǎn)小于理論極限控制值，結(jié)構(gòu)受力安全。

4.3 裂縫變化監(jiān)控

根據(jù)前期外觀檢查情況，對(duì)跨中截面附近的受力裂縫以及超限寬裂縫布置傳感器，監(jiān)控其在頂升過(guò)程中的開(kāi)展情況。頂升過(guò)程和落梁后，梁體裂縫未見(jiàn)明顯發(fā)展，均未有新裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）仿真分析在橋梁頂升施工中的運(yùn)用，即分析不同步頂升，計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮不同情況下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力，以材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定頂升允許高差和應(yīng)力允許范圍。

（2）頂升施工監(jiān)控應(yīng)同時(shí)采用位移和應(yīng)力（應(yīng)變）雙重控制原則。在監(jiān)控過(guò)程中應(yīng)不間斷，當(dāng)示值超過(guò)閥值時(shí)應(yīng)立即停止施工，并分析原因，保障頂升施工的安全。

（3）通過(guò)采用精細(xì)化實(shí)體仿真分析軟件 midas FEA建立單梁實(shí)體網(wǎng)格模型，能夠精確的模擬梁片頂升中梁體的極限受力情況，為監(jiān)控提供準(zhǔn)確的判斷閥值。

（4）理論分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，頂升施工過(guò)程中梁體應(yīng)力、位移偏差均在允許范圍內(nèi)，頂升結(jié)束后落梁平穩(wěn)安全。該工程的成功實(shí)施為同項(xiàng)目其它類似工程提供較高的參考價(jià)值，進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)控方案，提高了工程效率。

[1]馬亮,王天鵬等.連續(xù)梁整體頂升施工監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬分析[J].工程施工技術(shù),2016.

[2]交通部專家委員會(huì).中華人民共和國(guó)交通行業(yè)公路橋梁通用圖——裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板梁上部構(gòu)造[S].北京：人民交通出版社.2008.

[3]于心然.下草灣大橋同步頂升支座更換施工技術(shù)[J].公路,2015,（4）: 118-122.