摘" 要：波形鋼腹板PC組合箱梁橋在施工階段結構受力狀態(tài)較為復雜，為確保在施工過程中安全可靠，建立橋梁結構施工仿真計算模型，模擬主梁在不同施工階段的施工過程，結合橋梁懸臂施工位移監(jiān)測方法及混凝土結構應力測量原理，對比分析有限元仿真結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)。結果表明，理論數(shù)值和實測數(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際橋梁的受力狀態(tài)，主梁結構應力和線形均滿足設計要求。

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

中圖分類號：U448" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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-混組合結構，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)揮了體外預應力技術的優(yōu)點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，能夠增加橋梁結構的壽命，具有良好的社會效益，在我國的橋梁工程中得到了廣泛的應用[3]。

對于橋梁結構，不僅要確保成橋結構受力狀態(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組合箱梁橋建設工程為背景，采用掛籃懸臂法施工工藝，橋梁結構是逐步完成的;在施工過程中，施工荷載不斷地變化，而且要經歷結構體系的轉換，箱梁結構的變形和內力變化較復雜。

橋梁施工仿真技術，是橋梁施工控制中的一項重要環(huán)節(jié)，可以明確在各個施工階段下橋梁主要構件的受力狀態(tài)，與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)形成互補，確保預先設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算模型，對施工過程中的結構狀態(tài)進行分析，得到橋梁施工中現(xiàn)實有效的控制參數(shù)，并且預測橋梁結構的受力行為，指導橋梁施工;同時，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)驗證和修正仿真計算模型的數(shù)值結果。所以，對全橋進行施工受力分析和施工監(jiān)控具有重大的現(xiàn)實意義。

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，全橋分幅設計，左、右幅構造相同，上部結構跨徑總長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，波形鋼腹板與內襯混凝土、隔板轉向塊等采用焊釘連接，波形鋼腹板與箱梁頂?shù)装?、邊跨端部橫隔板、0號塊橫隔板采用鋼筋混凝土榫和貫穿鋼筋組合連接?，F(xiàn)澆箱梁采用C50混凝土，波形鋼腹板采用Q345C低碳鋼，箱梁預應力體系采用體內束和體外束相結合的方式。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)施工便利性和可實現(xiàn)程度，對波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋進行施工節(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，懸臂澆筑節(jié)段的實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，對箱梁截面進行應力計算時，可以采用普通PC箱梁計算理論進行計算?？紤]到計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構有限元模型，三維模型如圖2所示。全橋結構有限元模型只考慮縱向預應力體系的作用，并考慮體內預應力孔道對箱梁截面的影響，忽略橫向預應力鋼筋的影響，并且只考慮了主墩墩頂0號塊橫隔板的作用。

2" 施工監(jiān)控技術

橋梁施工監(jiān)控中的位移（變形）控制和應力控制是橋梁安全施工的基礎，本項目選擇在施工監(jiān)控過程中橋梁關鍵控制斷面，以及在控制斷面上受力較大的部位進行監(jiān)測點的布置。

2.1" 橋梁位移的監(jiān)測

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

變形監(jiān)測要求施工現(xiàn)場有穩(wěn)定的高程基準點，高程基準點和測量點通常設置在梁頂?shù)念A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。測量基準點的埋設不僅要保證自身的穩(wěn)固性，同時還應該注意不能與施工設施，如三角掛籃等相互沖突，位移基準點不應該布置在預應力鋼筋張拉端的附近。每個懸臂梁段前端的位移測點布置如圖3所示。

對于懸臂施工的每個箱梁節(jié)段均采用循環(huán)監(jiān)測方法，主要的監(jiān)測循環(huán)點：立模結束時刻和節(jié)段混凝土澆筑前→節(jié)段混凝土澆筑后→預應力鋼筋張拉前→預應力鋼筋張拉后→掛籃移動后。根據(jù)全橋施工仿真計算結果得到本梁段混凝土澆筑前需要的立模標高值，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高值;H0為第i懸臂梁段底面（或頂面）的設計高程;f0為第i梁段的預拱度值;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為各個梁段的預應力效應在第i梁段引起的撓度和;f3為混凝土收縮徐變效應在第i梁段引起的撓度值;f4為臨時施工荷載（掛籃、模板等）在第i梁段產生的撓度值;f5為施工荷載在第i梁段產生的撓度值;fg為第i梁段施工過程中掛籃的彈性變形值。

2.2" 橋梁應力的監(jiān)測

施工過程中的應力監(jiān)控采用振弦氏應變測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、測量精度較高，同時具有測量結構溫度的功能、應變累計功能以及數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)點。

在橋梁受力最不利的關鍵截面布置應力測量傳感器，對施工過程中的截面應力進行監(jiān)測，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截面箱梁埋設混凝土應變監(jiān)測傳感器。應變傳感器埋設在指定箱梁截面的頂板上層及底板下層的鋼筋附近，混凝土結構的應力測量主要是指沿橋梁縱向的正應力，因此，應變傳感器的固定方向為沿橋梁縱向。每個測量截面共埋設6個混凝土應變傳感器，2個鋼腹板應變花傳感器。應變傳感器的布置位置如圖4所示。

2.3" 施工監(jiān)測工況的選取

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→張拉預應力鋼絞線等施工工序進行循環(huán)施工。橋梁的變形和應力監(jiān)測也按上述工況進行;另外，在掛籃卸載、邊跨合龍、中跨合龍和體外預應力張拉等施工階段均要進行結構觀測。由于混凝土結構應變的滯后特性，混凝土應變的測量工作一般在每個施工工況結束后的8 h左右進行測量;另外，為了避免溫差較大對應變測量穩(wěn)定性的影響，應變測量工作也應該選擇在早晨5：00—6：00或者日落后[7]。

3" 監(jiān)測結果分析

3.1" 位移結果對比分析

采用位移增量的表示方法，對混凝土梁段澆筑前后懸臂端的位移增量進行分析。選擇左幅橋梁，位移實測值取斷面各位移測點的平均值。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算得到的理論結果對比如圖5和圖6所示（主梁中跨分別對應14、15號橋墩）。

由圖5、6對比結果可知，14、15號墩懸臂端在梁段混凝土澆筑前后的位移增量與有限元計算的位移增量具有相同的變化趨勢，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號梁段混凝土澆筑前，橋墩兩側懸臂梁段的位移增量普遍較有限元計算出的位移增量大，說明橋梁監(jiān)測點位移對實際懸臂施工過程中的施工荷載作用較為敏感，在實際的施工過程中應加以重視。

3.2" 應力結果對比分析

混凝土結構實測應力值取頂板和底板各自3個測點（左側、中間、右側）的平均值，不同截面位置的實測應力與理論應力時程對比結果如圖7—圖10所示。

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

由圖9可知，每個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跨底板的應力均會增大，由于施工梁段在沒有產生結構強度前，相當于在橋梁懸臂端增加了豎向荷載，因而增大底板的壓應力。而在施工梁段混凝土強度達到90%以上并張拉頂板體內預應力鋼筋后，1/4跨底板的壓應力會有小幅度的減小，但在梁段自重和預應力的綜合作用下，其壓應力總體上呈增大趨勢。

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

4" 結論

通過建立波形鋼腹板PC組合箱梁橋施工仿真計算模型，模擬主梁在不同施工階段下的施工過程，并通過設置施工監(jiān)測點，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得出以下結論。

1）理論數(shù)值和實測數(shù)據(jù)吻合較好，驗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構受力狀態(tài);另外，可以通過對橋梁結構進行理論分析計算，預測橋梁在施工過程中可能的受力行為。

2）隨著懸臂施工的進行、懸臂長度的增大，監(jiān)測截面實測應力值比施工仿真模型計算得到的應力值稍大，而且隨長度增加，應力差值越大。原因是頂、底板的3個應力測點中，有2個應力測點處于腹板和頂、底板交界的位置，這個位置由于存在剪力滯效應，使得平均測量得到的正應力較大。

3）不確定的施工機具等荷載誤差、環(huán)境影響導致的誤差、儀器測量誤差等會使得實測應力結果存在一定的誤差。但總體上較為穩(wěn)定，變化趨勢與理論值一致，施工過程中混凝土結構應力數(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構安全可靠。

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作者簡介：徐富強（1990-），男，碩士，工程師。研究方向為橋梁養(yǎng)護設計。