孔令常

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089)

0 引 言

隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)的日益提高，橋梁跨度也越來越大，但隨之而來的潛在危險(xiǎn)因素也越來越多。因此，在大跨度橋梁施工過程中，安全預(yù)警成為安全文明施工的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。不少研究學(xué)者通過理論、建模和監(jiān)測等方法，對(duì)大跨度橋梁施工過程的安全性能進(jìn)行了計(jì)算分析。

一方面，在橋梁上安裝結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的安全性能，已成為預(yù)警手段之一。張啟偉運(yùn)用結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)對(duì)橋梁整體行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，和對(duì)橋梁狀態(tài)的智能化進(jìn)行評(píng)估[1]。王戒躁等對(duì)目前的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了回顧，闡述橋梁健康監(jiān)測與評(píng)估項(xiàng)目的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及前景[2]。張謝東等利用光纖布喇格光柵傳感器對(duì)懸臂施工的混凝土箱梁截面應(yīng)變進(jìn)行了短期監(jiān)測，驗(yàn)證了光纖布喇格光柵傳感器的高可信性[3]。曾德榮提出了一套誤差值及監(jiān)測應(yīng)力真實(shí)值計(jì)算方法，并指出了應(yīng)力監(jiān)測中避免誤差的一些工作方法[4]。施洲等探討建立應(yīng)力與變形監(jiān)測系統(tǒng)的具體方法，并分析影響精度的因素[5]。樊學(xué)平等基于貝葉斯原理建立了橋梁監(jiān)測應(yīng)力的狀態(tài)方程和觀測方程[6]。王瀅等驗(yàn)證了潤揚(yáng)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的局部應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供有效的鋼箱梁結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力監(jiān)測信息[7]。

另一方面，隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的大力發(fā)展，有限元模擬仿真也成為評(píng)估預(yù)警方法之一。余繼東等通過對(duì)建造在陡坡地段的某高速公路橋梁樁基開展從施工到通車的全階段監(jiān)測，分析了在施工荷載作用下橋梁樁基和陡坡土體的位移分布和變化規(guī)律[8]。熊彪等以廈漳跨海大橋主橋鋼箱梁的架設(shè)過程為背景，通過有限元模擬，分析計(jì)算橋面吊機(jī)附近瞬態(tài)工作最大應(yīng)力，確保施工安全[9]。王百林等通過有限元軟件模擬分析橋梁樁基受力情況，并與前期實(shí)際位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，消除了橋梁位移病害[10]。李永樂等對(duì)比研究大跨度懸索橋施工階段中動(dòng)力特性的變化規(guī)律，討論了不同模擬方法對(duì)施工階段扭彎頻率比及顫振臨界風(fēng)速的影響[11]。任志剛等采用有限元方法，對(duì)府河盤龍大橋主橋三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋的懸臂掛籃施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析與預(yù)測[12]。

本文以大跨度橋梁工程為背景，結(jié)合橋梁上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)施工期間橋梁系桿的應(yīng)力變化進(jìn)行分析。同時(shí)結(jié)合有限元軟件，對(duì)橋梁進(jìn)行建模計(jì)算，再將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的可靠性。進(jìn)一步對(duì)橋梁施工過程中產(chǎn)生的撓度變形、對(duì)周邊環(huán)境的影響、連接處的應(yīng)力等進(jìn)行分析，并提出施工指導(dǎo)方法。

1 工程概況

1.1 工程背景

某特大橋位于赤壁市泉口鎮(zhèn)，中心里程為DK1289+164(K1323+972)，全長4 368.71 m。其主跨1-140 m鋼箱系桿與高速公路成30°夾角。系梁高3.5 m，寬同拱肋均為2 m，拱肋變截面平行布置，橫向中心間距16 m，拱軸中心線形為二次拋物線，矢高30 m，矢跨比1/4.67，吊桿間距8 m。全橋設(shè)5道橫撐，橫撐高度適應(yīng)拱肋變化。全橋均用高強(qiáng)螺栓連接，鋼結(jié)構(gòu)總重約3 642 t，如圖1所示。

圖1 某特大橋

1.2 工程難點(diǎn)與監(jiān)測

該橋位于汀泗河南岸的黃土壟崗上，覆蓋層為穩(wěn)定性較好的黃黏土，夾雜卵石土(流沙)及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚17～35 m，巖面落差極大，溶洞最大凈高30 m，埋深約45 m，且各樁之間均已貫通，溶洞呈半填充狀態(tài)，填充物為淤泥質(zhì)黏土及卵石土(流沙)。

在該橋上安裝了應(yīng)力傳感器，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的應(yīng)力變化情況。應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)主要分布于鋼箱和系桿之上，如圖2所示。

2 仿真方法及可靠度驗(yàn)證

2.1 方法與模型建立

本文采用大型通用有限元軟件Midas對(duì)工程開挖期進(jìn)行模擬分析。根據(jù)工程項(xiàng)目背景，將橋梁模型劃分為513個(gè)單元、386個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。各計(jì)算參數(shù)如下：吊桿和橋面等構(gòu)件采用Q345鋼(容重為76.6 kN·m-3，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.25)；混凝土板采用C50混凝土(容重為26.5 kN·m-3，彈性模量為3.6×104MPa，泊松比為0.35)。

圖2 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置

圖3 橋梁的有限元模型

2.2 可靠度驗(yàn)證

通過有限元模型計(jì)算系桿處的應(yīng)力值，并與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比，得到圖4。

圖4 模擬計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比

從圖4可以得知，在初始時(shí)刻，仿真模擬計(jì)算結(jié)果均為0 MPa，而實(shí)測系桿在初始時(shí)刻均有一定的壓力值，這是因?yàn)槭┕み^程中的安裝、搬運(yùn)導(dǎo)致系桿出現(xiàn)一定的壓應(yīng)力。隨著施工過程的推進(jìn)，系桿的應(yīng)力值不斷地呈非線性增加，而模擬計(jì)算值比實(shí)測值偏大。這是因?yàn)槟M計(jì)算已經(jīng)簡化外界環(huán)境的因素：溫度設(shè)置為恒定35 ℃，風(fēng)荷載假定為10 m·s-1，大跨度橋梁上的荷載為恒荷載(自重)，不考慮臨時(shí)機(jī)械對(duì)施工的影響等。這使得計(jì)算值與實(shí)測值有一定的誤差，最大誤差為11.2%；計(jì)算值的誤差比實(shí)測值大，在施工監(jiān)測過程中能夠起到安全預(yù)警的作用。因此，有限元模型的計(jì)算結(jié)果能夠有效地反映施工現(xiàn)場的安全指標(biāo)，模型具有相應(yīng)的可靠度。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 撓度的計(jì)算

通過滿布加載(包括自重、施工臨時(shí)荷載、已鋪設(shè)材料的自重)，得到跨中的撓度變形曲線，如圖5所示。

圖5 跨中撓度變形

從圖5中可以得出，隨著時(shí)間的增加，跨中撓度變形增長速率先逐漸增大，后逐漸減?。涸诘?天時(shí)，跨中撓度為1.11 mm，增長速率為0.555 mm·d-1；在第10天時(shí)，跨中撓度為1.56 mm，增長速率為0.056 mm·d-1。這是因?yàn)楹奢d的突然施加會(huì)使得大跨度橋梁產(chǎn)生較大的突然變形，即在動(dòng)力響應(yīng)下橋梁撓度變形會(huì)突然增加。隨著時(shí)間的增長，荷載對(duì)大跨度橋梁的作用轉(zhuǎn)換為長期恒荷載對(duì)大跨度橋梁的影響，即徐變的影響，因此橋梁撓度的增長速率變緩。

為了解決這一問題，可以采用及時(shí)卸載的辦法：如在用完臨時(shí)施工荷載后及時(shí)將其放回原處，采用質(zhì)輕高強(qiáng)的新型材料，減少材料的自重，減緩跨中沉降[13]。

3.2 臨近5 m處軌道沉降

利用本文模型，對(duì)距離開挖點(diǎn)5 m處的軌道進(jìn)行沉降模擬仿真，得到了周邊5 m處的軌道沉降隨時(shí)間的變化曲線，如圖6所示。

圖6 臨近5 m處軌道沉降

這是因?yàn)樵诖罂缍葮蛄菏┕み^程中，打樁、搬運(yùn)和卸載會(huì)對(duì)周圍軌道產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)施工方案，在開挖過程中抽取地下水，使得地下水位下降至開挖低層。而地下水位的變化，會(huì)使得基坑土體失水，形成不飽和土體，從而導(dǎo)致沉降。

為了解決這一問題，可以改善施工方案：打樁時(shí)重錘低擊、對(duì)稱打樁等。對(duì)于地下水位情況，可以采取多次真空降水方案，在坑內(nèi)設(shè)置明水坑，將坑內(nèi)明水引流到明水坑內(nèi)，及時(shí)排出[14]。

3.3 橋墩沉降

結(jié)合有限元模型，對(duì)橋墩進(jìn)行分析，得出其沉降隨時(shí)間變化的曲線，如圖7所示。

圖7 橋墩沉降

橋墩沉降的原因與臨近5 m處軌道沉降的原因類似。但不同之處在于，橋墩的質(zhì)量與體積較大，沉降主要來自自重，外界環(huán)境對(duì)橋墩處的沉降影響不大。

為了解決這一問題，可以改善施工方案：打樁時(shí)重錘低擊、對(duì)稱打樁等。對(duì)于地下水位情況，可以采取多次真空降水方案，在坑內(nèi)設(shè)置明水坑，將坑內(nèi)明水引流到明水坑內(nèi)，及時(shí)排出。還可以采取鉆孔灌注或打錨桿等方式，加強(qiáng)土體的凝結(jié)作用，使得橋墩不會(huì)由于自重過大而產(chǎn)生較大的沉降[15]。

3.4 跨中連接處螺栓應(yīng)力

結(jié)合有限元模型，對(duì)跨中連接處的螺栓進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，得出其應(yīng)力值隨時(shí)間變化的曲線，如圖8所示。

圖8 跨中拼接處螺栓應(yīng)力

這是因?yàn)殡S著施工方案的實(shí)施，跨中拼接處的螺栓應(yīng)力也逐漸增大，但增大的速率會(huì)因?yàn)槭┕ぜ夹g(shù)而有所不同。一方面，隨著施工的進(jìn)一步進(jìn)行，螺栓連接的桿件逐漸增多，導(dǎo)致拼接處螺栓的應(yīng)力激增。另一方面，桿件受力傳遞由各拼接螺栓分擔(dān)完成，從而使得跨中的螺栓應(yīng)力增長速率減小。

為了解決這一問題，可以優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，例如合理地安排施工順序，對(duì)稱式施工，從而改變桿件單受力的狀況，減小跨中連接處螺栓的應(yīng)力值；還可以在螺栓拼接處加上保地護(hù)墊塊，從而增加傳力的表面積，減小螺栓的受力[16]。

4 結(jié) 語

(1)結(jié)合大跨度橋梁工程背景，通過ANSYS有限元軟件模擬橋梁在施工過程中的系桿應(yīng)力，其最大誤差為11.2%。ANSYS計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，可以在工程施工中用來進(jìn)行安全預(yù)警。

(2)隨著施工的推進(jìn)，跨中撓度變形增長速率先逐漸增大，后逐漸減小。在第2天時(shí)，跨中撓度為1.11 mm，增長速率為0.555 mm·d-1；在第10天時(shí)，跨中撓度為1.56 mm，增長速率為0.056 mm·d-1。為了解決這一問題，可以采用及時(shí)卸載的辦法：如在用完臨時(shí)施工荷載后及時(shí)將其放回原處，采用質(zhì)輕高強(qiáng)的新型材料，減少材料的自重，減緩跨中沉降。

(3)隨著開挖時(shí)間的推移，周邊軌道沉降在第10天高達(dá)0.62 mm。在實(shí)際工程中，可以改善施工方案：打樁時(shí)重錘低擊、對(duì)稱打樁等。對(duì)于地下水位情況，可以采取多次真空降水方案，在坑內(nèi)設(shè)置明水坑，將坑內(nèi)明水引流到明水坑內(nèi)，再及時(shí)排出。

(4)隨著開挖時(shí)間的推移，橋墩沉降在第10天高達(dá)0.24 mm。在實(shí)際工程中，可以采取鉆孔灌注或打錨桿等方式加強(qiáng)土體的凝結(jié)作用，使得橋墩不會(huì)由于自重過大而產(chǎn)生較大的沉降。

(5)跨中拼接處的螺栓應(yīng)力隨著施工的推進(jìn)而逐漸增大，在第10天時(shí)，螺栓應(yīng)力為653.48 MPa。在實(shí)際工程中，可以優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，合理地安排施工順序，對(duì)稱式施工，從而改變桿件單受力的狀況，減小跨中連接處螺栓的應(yīng)力值；還可以在螺栓拼接處加上保護(hù)墊塊，從而增加傳力的表面積，減小螺栓的受力。