喬 凱,韓 磊,郭一鵬,董 超,張 宇,王 露

(中建三局集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430000)

1 工程概況

206國(guó)道徐州段改建項(xiàng)目京杭運(yùn)河大橋主橋采用1-127.6m簡(jiǎn)支鋼桁架橋一孔跨越通航水域,橫向采用2片主桁結(jié)構(gòu),主桁中心距27.5m,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間距10.5m,施工中預(yù)留70m京杭運(yùn)河通航寬度。綜合考慮,該工程施工采用懸臂頂推法分2次頂推完成。如何保證頂推施工過程中的安全是本橋施工面臨的挑戰(zhàn)。

結(jié)合施工實(shí)踐,通過前進(jìn)分析法建立施工過程精細(xì)化模擬,提取出施工階段中的各種不利工況,在最不利工況出現(xiàn)前,根據(jù)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)?zāi)M不利工況,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全性。在施工中,建立應(yīng)力與線形的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),基于數(shù)字化模擬、工藝試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)橋梁、材料體系主要參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別,修正既有仿真模型,提高預(yù)測(cè)精度,并重點(diǎn)分析敏感參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控影響的變化規(guī)律。通過以上技術(shù)手段預(yù)測(cè)施工中的安全風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)施工過程中風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判。

2 基于BIM技術(shù)的鋼桁架頂推施工過程模擬

結(jié)合施工工藝流程,采用施工BIM模型對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行推演模擬,在BIM推演過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)換,提取21個(gè)施工階段工況:①CS1～CS3 第1次拼裝(拼裝E3～E0′節(jié)點(diǎn)所有桁架桿件)安裝導(dǎo)梁,鋼導(dǎo)梁懸臂長(zhǎng)16m;②CS4～CS8 整體頂推,累計(jì)頂推66m,直至導(dǎo)梁上墩;③CS9 第2次拼裝(拼裝剩余桁架桿件);④CS10～CS17 持續(xù)頂推,累計(jì)頂推129m;主桁最大10個(gè)節(jié)間處于懸臂狀態(tài);⑤CS18 繼續(xù)頂推6m,累計(jì)頂推135m,導(dǎo)向?qū)Я喝坎鸪?⑥CS19 繼續(xù)頂推12.2m,累計(jì)頂推147.2m,主桁E0′節(jié)點(diǎn)到達(dá)5號(hào)主墩處;⑦CS20～CS21 點(diǎn)動(dòng)微調(diào)后落架,用于桁架橋有限元分析施工階段的劃分。

3 頂推滑移過程鋼桁架受力分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

1)材料參數(shù) 京杭運(yùn)河大橋主桁、橫縱梁構(gòu)件采用Q370qD,上下平聯(lián)、橋門架采用Q345qD。

2)荷載參數(shù) 恒荷載主要考慮結(jié)構(gòu)自重,其余荷載按規(guī)范選取。

3)計(jì)算模型及假定 主桁及導(dǎo)向?qū)Я翰捎每臻g桿系單元建立結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算模型,構(gòu)件采用鋼材,模型邊界條件與施工過程一致?？v向計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 京杭運(yùn)河大橋有限元模型

3.2 施工階段模擬

該工程采用MIDAS Civil軟件對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行模擬分析,該橋在安裝及頂推施工中,結(jié)構(gòu)拼裝、拆除及滑移支座滑出、滑入軌道等階段均造成整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)變,根據(jù)整個(gè)施工過程橋梁結(jié)構(gòu)受力體系變化,將模型分為21個(gè)工況進(jìn)行階段分析。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)CS7階段(最大懸臂階段)節(jié)點(diǎn)變形如圖2所示,鋼導(dǎo)梁最大豎向位移211mm。

圖2 CS7階段節(jié)點(diǎn)變形云圖(單位:mm)

2)CS15階段單元上緣應(yīng)力如圖3所示,最大壓應(yīng)力為-159MPa,最大拉應(yīng)力為133MPa;下緣應(yīng)力如圖4所示,最大壓應(yīng)力為-145MPa,最大拉應(yīng)力為163MPa。

圖3 CS15階段單元上緣應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖4 CS15階段單元下緣應(yīng)力云圖(單位:MPa)

4 施工風(fēng)險(xiǎn)提取及化解

4.1 最大反力工況風(fēng)險(xiǎn)提取及化解

根據(jù)整個(gè)施工階段模擬分析,在CS15～CS19施工階段,橋體支點(diǎn)反力最大(見圖5)。

圖5 施工階段最大支點(diǎn)反力曲線

1)原因分析 隨著橋體逐步頂推出滑道,橋體重心逐漸向河對(duì)岸接收支架移動(dòng),在橋體上對(duì)岸接收支架前,支撐在頂推支架上最前端的滑移支座支撐反力不斷增大。在橋體支撐于對(duì)岸接收支架上后,橋體進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換,頂推支架最前端滑移支座豎向支撐力逐漸減小。

2)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提取 分析提取2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn):①最大反作用力會(huì)使河內(nèi)頂推支架沉降,可能造成橋體側(cè)翻;②最大反力支點(diǎn)可能導(dǎo)致橋體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或失穩(wěn)。

3)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)化解 根據(jù)施工階段模擬分析,單樁設(shè)計(jì)極限荷載為1 755kN,現(xiàn)場(chǎng)選取1根試驗(yàn)樁,采用錨樁法進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。試樁每級(jí)荷載增量按預(yù)估極限荷載的1/10確定,第1級(jí)荷載為加荷增量的2倍,分9級(jí)加荷;卸荷量為加荷量的2倍,共分5級(jí)卸荷。單樁抗壓靜載試驗(yàn)Q-S曲線如圖6所示。

圖6 單樁抗壓靜載試驗(yàn)Q-S曲線

單樁最大最大加載量為設(shè)計(jì)極限值的1.2倍,即1 800kN,試驗(yàn)實(shí)測(cè)沉降量為18.15mm,最大回彈量為5.89mm,回彈率為32.45%,均小于規(guī)范控制要求,且Q-S曲線呈緩變形,未出現(xiàn)徒降點(diǎn)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),頂推平臺(tái)由于鋼管樁承載力不足,造成頂推支架沉降的風(fēng)險(xiǎn)從理論上已經(jīng)排除,但在實(shí)際施工中,還要對(duì)鋼管樁沉降進(jìn)行密切監(jiān)控。

4.2 最大應(yīng)力工況風(fēng)險(xiǎn)提取及化解

根據(jù)整個(gè)施工階段模擬分析,在CS13～CS18施工階段,橋體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大應(yīng)力階段(見圖7)。

圖7 施工階段最大應(yīng)力曲線

4.2.1原因分析

1)此階段導(dǎo)梁支點(diǎn)受力逐步增加,由于導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)與橋體結(jié)構(gòu)剛度差異較大,在導(dǎo)梁與橋體節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2)最大應(yīng)力出現(xiàn)的施工階段與最大支點(diǎn)反力出現(xiàn)的施工階段基本重合,這是由于橋體結(jié)構(gòu)懸挑不斷增大,造成單個(gè)支點(diǎn)反力增大,引起此節(jié)點(diǎn)相關(guān)桿件出現(xiàn)較大應(yīng)力。

4.2.2風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提取

1)模擬最大應(yīng)力雖然未超過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力,但施工過程中結(jié)構(gòu)不斷運(yùn)動(dòng),且結(jié)構(gòu)受力體系不斷變化,導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)與橋體結(jié)構(gòu)連接鋼板可能會(huì)屈服或出現(xiàn)焊縫炸裂現(xiàn)象。

2)此階段處于橋體重心脫離北岸頂推支架至橋體支撐于南岸接收支架工況下,橋體中間區(qū)域桁架腹桿模擬應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力較為接近?？紤]到京杭運(yùn)河鋼桁橋頂推施工時(shí)間為徐州雨季,雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣較為頻繁,如在此階段遇到強(qiáng)對(duì)流天氣,此區(qū)域桁架腹桿可能會(huì)在外力作用下受力屈服,造成橋體破壞。

4.2.3風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)化解

1)導(dǎo)梁加載試驗(yàn)

通過對(duì)頂推施工全過程仿真模擬數(shù)值化分析,提取出頂推過程中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)最不利工況。對(duì)整個(gè)頂推結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真加載工藝試驗(yàn),采用液壓千斤頂加載相應(yīng)工況120%最大支反力(見圖8),靜置20min,觀察桁架節(jié)點(diǎn)焊縫及構(gòu)件是否有較大變形及裂紋,同時(shí)采集導(dǎo)梁構(gòu)件上監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù),并與設(shè)計(jì)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(見圖9)。

圖8 導(dǎo)梁加載工藝試驗(yàn)

根據(jù)桿件應(yīng)力分析可知,導(dǎo)梁加載仿真試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)與施工階段模擬分析桿件的受力狀況完全一致,實(shí)測(cè)數(shù)值與理論數(shù)據(jù)雖有偏差,但試驗(yàn)采集數(shù)值整體偏小于施工階段模擬設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),實(shí)際施工較理論設(shè)計(jì)較為安全。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù),導(dǎo)梁在施工中結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)從理論上已經(jīng)排除,在施工過程中,節(jié)點(diǎn)焊縫未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂紋,桿件未發(fā)現(xiàn)肉眼可見變形,但在實(shí)際施工中,還要對(duì)導(dǎo)梁變形及應(yīng)力進(jìn)行密切監(jiān)控。

2)薄弱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

進(jìn)行頂推施工模擬計(jì)算時(shí),在CS13～CS18施工階段,為保證橋體在頂推施工階段的結(jié)構(gòu)安全,特對(duì)此區(qū)域橋體桁架腹桿進(jìn)行加固。加固桿件截面為φ245×14鋼圓管,材質(zhì)為Q355B。加固設(shè)計(jì)如圖10所示。

加固后,采用SAP2000對(duì)橋及導(dǎo)梁進(jìn)行整體建模計(jì)算模擬,桁架桿件應(yīng)力比均<0.8(見圖11),因此,在施工過程中橋體跨中腹桿失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)從理論上已經(jīng)排除,但在實(shí)際施工中,還要對(duì)桁架應(yīng)力進(jìn)行密切監(jiān)控。

圖11 加固后桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力比云圖

4.3 最大豎向位移工況風(fēng)險(xiǎn)提取及化解

根據(jù)整個(gè)施工階段模擬分析,在CS7～CS19施工階段,出現(xiàn)較大豎向位移(見圖12)。

圖12 施工階段最大位移曲線

1)原因分析 CS7施工階段為導(dǎo)梁最前端到達(dá)接收支架位置,達(dá)到最大位移峰值,也是整體結(jié)構(gòu)最大懸挑工況;CS8～CS19豎向位移較大且平穩(wěn),這是由于導(dǎo)梁支撐于接收支架,但導(dǎo)梁剛度小,產(chǎn)生較大撓度。

2)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提取 CS7工況導(dǎo)梁處于完全懸挑狀態(tài),導(dǎo)梁與桁架連接的上弦桿承受整個(gè)施工階段最大拉力工況,導(dǎo)梁與桁架上弦節(jié)點(diǎn)焊縫有拉裂風(fēng)險(xiǎn);在CS8～CS19施工階段,導(dǎo)梁支撐于接收支架后,隨著支撐點(diǎn)不斷變化,導(dǎo)梁桁架受力結(jié)構(gòu)體系也在不斷轉(zhuǎn)變,桁架構(gòu)件也在進(jìn)行拉力桿與壓力桿轉(zhuǎn)換,結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜,極易發(fā)生結(jié)構(gòu)破環(huán)。

3)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)化解 鋼導(dǎo)梁根部與鋼桁架前端為應(yīng)力集中區(qū)域,對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)?，F(xiàn)場(chǎng)采用30mm厚鋼板對(duì)下弦連接焊縫進(jìn)行加強(qiáng)(見圖13),采用H700×300×13×24雙拼型鋼加強(qiáng)上弦連接焊縫(見圖14,P1～P4為節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)鋼板,內(nèi)厚30mm),通過在最不利工況前對(duì)不利節(jié)點(diǎn)的加固,保證施工過程安全。

圖13 導(dǎo)梁上弦節(jié)點(diǎn)加固

圖14 導(dǎo)梁下弦節(jié)點(diǎn)加固

5 鋼桁架安裝過程監(jiān)控量測(cè)復(fù)核

5.1 位移監(jiān)測(cè)

主桁架變形監(jiān)測(cè)采用全站儀,測(cè)出控制點(diǎn)絕對(duì)標(biāo)高,再根據(jù)各頂推階段結(jié)束時(shí)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)高,推算頂推施工各節(jié)點(diǎn)撓度值。鋼導(dǎo)梁與鋼桁架位移測(cè)點(diǎn)布置如圖15所示,兩側(cè)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置,監(jiān)測(cè)桁架頂推過程的扭轉(zhuǎn)變形。

圖15 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

5.2 支架沉降監(jiān)控

對(duì)支架(橫向支架及縱向支架)安裝反光貼進(jìn)行沉降監(jiān)控。由沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,頂推過程中,東西側(cè)累計(jì)最大沉降量均接近2.5cm,與主桁架在頂推過程中節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移減小的趨勢(shì)較為一致。

5.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

根據(jù)鋼導(dǎo)梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,在頂推過程中,測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力接近(見圖16,17),頂推過程中鋼導(dǎo)梁應(yīng)力基本處于可控狀態(tài)。

圖16 頂推92m時(shí)應(yīng)力對(duì)比曲線

圖17 頂推132m時(shí)應(yīng)力對(duì)比曲線

5.4 橫向偏位監(jiān)測(cè)

根據(jù)主桁架軸線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,頂推132m后,實(shí)測(cè)軸線與理論軸線偏差范圍基本控制在2.5cm 以內(nèi),在主桁架到達(dá)臨時(shí)墩后,軸線基本處于可控范圍,在落架前可進(jìn)行微調(diào)(見圖18)。

圖18 頂推132m時(shí)軸線對(duì)比曲線

6 結(jié)語

通過施工前期的施工全過程模擬和最不利工況工藝試驗(yàn)?zāi)M及施工中的應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析,進(jìn)一步證實(shí)本工程鋼桁架橋施工方案的可行性及數(shù)值模擬的合理性。通過數(shù)字化仿真模擬結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)分析及最不利工況工藝試驗(yàn)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判,為整個(gè)施工過程的安全保障提供技術(shù)依據(jù)。