馬建僑，李 飛，李福利

(天津城建集團有限公司，天津市 300211)

桁架式鋼混組合結(jié)構(gòu)橋施工控制技術

馬建僑，李 飛，李福利

(天津城建集團有限公司，天津市 300211)

隨著社會的進步，國內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)多樣化、施工技術日趨成熟，各種新興結(jié)構(gòu)應運而生，對橋梁結(jié)構(gòu)設計的合理性、使用的安全性、長久化、結(jié)構(gòu)的輕量化提出了更高的要求，鋼-混凝土疊合梁橋便是兼具以上諸多特點的新型結(jié)構(gòu)橋梁，但整體橋面系受力較為復雜，每進行一步施工都有可能影響橋梁整體質(zhì)量和受力性能，為此需要在橋梁施工全過程中使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對橋梁主體結(jié)構(gòu)建立完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型，全程模擬計算，分析各施工階段的的受力特點，在施工過程中檢測每道工序施工后，橋梁的應力與撓度，為下一步施工提供科學依據(jù)和理論基礎。

新型結(jié)構(gòu);程序軟件;仿真模型;模擬計算;應力;撓度

0 引言

隨著現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的多樣化、復雜化，使用計算機軟件進行模擬計算，施工前對方案進行優(yōu)化，施工過程中進行控制、修正并指導下一步施工，讓不可預見的問題始終在可控狀態(tài)，確保橋梁施工質(zhì)量與安全已變得尤為重要。

本文以天津市吉兆橋為工程背景，論述了在在施工前通過建立正確的模型和性能指標之后，就要依據(jù)設計參數(shù)和控制參數(shù)，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等，獲得結(jié)構(gòu)按施工階段進行的每階段的內(nèi)力和撓度及最終成橋狀態(tài)的內(nèi)力和撓度。假設成橋時為理想狀態(tài)，對橋梁結(jié)構(gòu)進行倒拆，利用前進分析所得的數(shù)據(jù)，可獲得使橋梁結(jié)構(gòu)最終為理想狀態(tài)的各階段的預拋高值，得出各施工階段的立模標高以臨時支撐、砼澆筑后、鋼筋張拉前、鋼筋張拉后的預計標高，對方案進行優(yōu)化，在施工過程中通過預先安裝和埋設的感應原件監(jiān)測出各階段的實際狀態(tài)值，再由最后的最優(yōu)控制，結(jié)合實際觀測值，得出最優(yōu)調(diào)整方案，最終完成整個控制過程。

1 施工過程全程模擬計算

鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁整體橋面系受力較為復雜，每進行一步施工都有可能影響橋梁整體質(zhì)量和受力性能，為此項目部聘請國內(nèi)較權(quán)威的機構(gòu)做為第三方使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對橋梁主體結(jié)構(gòu)建立完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型，全程模擬計算，分析各施工階段的受力特點，為下一步施工提供科學依據(jù)和理論基礎[1]。

1.1 仿真模型的定義

根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關系的基礎上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程的、且具有一定邏輯關系或數(shù)量關系的橋梁結(jié)構(gòu)模型，據(jù)此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。

1.2 施工監(jiān)測過程及大數(shù)據(jù)計算

橋梁施工監(jiān)控是一個“施工→測量→計算分析→修正→預報→施工”的循環(huán)過程。事先在塔、梁、索等主要結(jié)構(gòu)部位布設相關的傳感器和測試儀器以獲得大量的控制數(shù)據(jù)，包括幾何參量和力學參量;利用高效計算機程序，對數(shù)據(jù)進行分析處理，確定一個階段的施工參數(shù)。通過二者的有機結(jié)合，對施工過程結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化進行有效的預測和控制，實現(xiàn)橋跨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形符合設計要求，確保橋梁施工安全和正常運營，并保證其具有優(yōu)美的外觀形狀。

1.2.1 監(jiān)控監(jiān)測的任務

施工監(jiān)控監(jiān)測的工作任務:

(1)在施工過程中，與施工協(xié)調(diào)配合，通過監(jiān)測反饋的數(shù)據(jù)，對大橋進行實時控制，使橋梁達到設計所希望的幾何形狀和合理的內(nèi)力狀態(tài)，確保橋梁在實際施工過程中的安全與穩(wěn)定。

(2)與設計單位、監(jiān)測單位密切配合，制定安全、最優(yōu)、合理的詳細施工方案和步驟。并根據(jù)選定的施工方法，對施工階段進行仿真計算，提供各施工階段的施工控制參數(shù)。

(3)針對橋梁實際施工狀態(tài)與理想設計模型的差異以及理論值與實測值不一致的問題，及時調(diào)整計算模型及參數(shù)，并根據(jù)實際情況及時調(diào)整下一施工階段的控制預報參數(shù)。

1.2.2 監(jiān)控監(jiān)測的實施

施工監(jiān)控采用預測控制法，即在全面考慮影響結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和施工所要達到的目標任務后，對結(jié)構(gòu)的每一個施工階段形成前后狀態(tài)進行預測，使施工沿著預定狀態(tài)進行。由于預測狀態(tài)與實際狀態(tài)之間總有誤差存在，某種誤差對施工目標的影響則在后續(xù)施工狀態(tài)的預測予以考慮，以此循環(huán)直到施工完成和獲得與設計相符的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

(1)監(jiān)控計算模型的建立

在結(jié)構(gòu)仿真計算分析中，建立用于分析計算的有限元數(shù)學模型是至關重要的一環(huán)。

a. 建模的基本要求

在結(jié)構(gòu)仿真分析計算模型的建立過程中，主要考慮以下幾個方面的要求:

結(jié)構(gòu)形狀(包括構(gòu)件的長度、寬度、厚度等)變化的要求;

材料特性(模量、容重、泊松比、溫度膨脹系數(shù)等)變化的要求;

橋面恒載、施工荷載、汽車活載等作用模擬的要求;

問題求解計算精度的要求;

計算求解過程中為避免出現(xiàn)病態(tài)問題的要求。

b. 換算(等效)模量和容重

在分析中，把鋼筋混凝土視為勻質(zhì)材料，這就需要對其彈性模量和容重進行換算，也即進行等效處理。

式中:Ecs、Dcs分別為鋼筋混凝土的等效彈性模量、等效容重;Ec、Dc分別為混凝土的彈性模量、容重; Es、Ds分別為鋼筋的彈性模量、容重;G為配筋率，小于2%時可以忽略。

全橋其他各鋼筋混凝土部位配筋率各不相同，因此各個部分就會有不同的等效模量和等效容重。

c. 收縮、徐變及溫度影響

對于塔柱等分段澆注的混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的收縮影響力，相當于降溫10℃～15℃，對應的收縮終極值為15×10-5～20×10-5。

徐變在計算分析中用調(diào)整齡期的有效彈性模量法來考慮。有效彈性模量

式中:E(τ)為加載齡期τ時的彈性模量;χ(t，τ)為老化系數(shù);Φ(t，τ)為徐變系數(shù)。

在超靜定鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中，溫度的影響是不可忽視的。無論是年溫差還是日溫差，或者是各構(gòu)件之間的溫差，都會引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。按照設計要求的溫差計入溫度影響力。

d. 基礎與地基

地基和基礎均由三維實體單元來模擬，不同巖性的地基作為不同材料來處理。把地基作為不同性質(zhì)的材料做成模型，共同參與受力分析，這樣使分析具有完整統(tǒng)一的計算模型，減少甚至避免了由于邊界條件的假定而帶來的缺陷。

(2)結(jié)構(gòu)計算與分析

依照以上建模方法，利用有限元程序ANSYS建立完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型。然后依據(jù)此模型，采用ANSYS計算模塊進行調(diào)試計算，對該橋在各種工況下、各部分的受力及變形特點進行分析研究，以期提出合理的分析結(jié)果或?qū)κ┕び欣慕ㄗh。

監(jiān)控計算包括以下內(nèi)容:

a. 全橋恒、活載作用下結(jié)構(gòu)整體空間計算分析;

b. 主梁受力與變形分析;

c. 溫度對全橋結(jié)構(gòu)受力性能影響分析;

d. 風荷載對全橋結(jié)構(gòu)受力性能影響分析;

2 應用

吉兆橋主橋鋼結(jié)構(gòu)全長200 m，充分考慮場內(nèi)加工，道路運輸、吊裝以及高空組裝焊接的問題，經(jīng)過多次研究，確定將鋼結(jié)構(gòu)不均勻劃分為13段。

施工方案確定與空間仿真分析:

通過計算分析，確定詳細的鋼結(jié)構(gòu)與預應力混凝土結(jié)合板的施工順序，并對結(jié)構(gòu)進行模擬施工的空間仿真計算，分析各個施工階段的應力、應變狀態(tài)，驗證施工方案的可實施性和結(jié)構(gòu)設計的安全性。

監(jiān)控計算采用倒拆法，通過從成橋狀態(tài)倒拆結(jié)構(gòu)的過程進行結(jié)構(gòu)分析來得到每一工況段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)和位移狀態(tài)。計算時由于設計所采用的計算參數(shù)(諸如材料彈性模量、構(gòu)件的重量、施工中溫度變化以及施工臨時荷載條件等)與實際工程中所表現(xiàn)出來的并不完全一致，因此計算只能按假定的理想狀態(tài)進行計算，然后再根據(jù)施工過程中所監(jiān)測到的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)對原假定計算施工控制的目標值進行必要的調(diào)整，以保證主體結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全并最終達到或接近設計成橋狀態(tài)[2]。

主梁應力測量與線形控制:主橋鋼梁結(jié)構(gòu)為鋼管樁臨時支撐，先拼接鋼結(jié)構(gòu)主梁和澆筑除負彎距區(qū)外的混凝土，然后進行體系轉(zhuǎn)換，再澆筑剩余部分混凝土并張拉預應力束。在鋼梁各施工階段，必須實時進行主梁線形控制和應力測量，以便及時調(diào)整施工狀態(tài)。

2.1 各施工工況監(jiān)測重點

本工程橋梁結(jié)構(gòu)較為復雜，施工工序較為繁瑣，主要包含支架拆除、負彎矩下弦桿配種混凝土澆筑、分段混凝土澆筑及預應力張拉等12個工序，施工過程中應主要對橋梁主體結(jié)構(gòu)的應力及撓度變化進行監(jiān)測。

2.2 應力應變分析

本次施工過程中，通過在結(jié)構(gòu)中預先安裝的監(jiān)測元件，測得了橋梁跨中的應力和撓度變形數(shù)值，并與理論計算值進行了比對[3];加測了主橋7號斷面的應力值變化，具體數(shù)值見圖1～圖4。

圖1 跨中斷面計算撓度

圖2 跨中計算應力

從圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，跨中斷面的混凝土橋面板、上弦桿頂面以及下弦桿底面的撓度變化成正比，即拆除臨時支撐后澆筑配種混凝土增加了下弦桿的穩(wěn)定性，但基本不影響橋梁主體的整體撓度，負彎矩混凝土的澆筑與預應力張拉也未對橋梁主體結(jié)構(gòu)撓度變化產(chǎn)生較大的影響，然后隨著正彎矩橋面板混凝土的澆筑正加了橋梁跨中區(qū)域的自重，進而使撓度變化增大，而后進行預應力張拉又使橋梁主體結(jié)構(gòu)有較大的上撓幅度，后期增加的二期恒載也增大了橋梁整體的撓度。

從圖2和圖4中的數(shù)據(jù)可以看出，每道工序?qū)炷恋膽?shù)值影響不大，上弦桿的應力僅收到正彎矩混凝土的預應力張拉影響，隨著預應力的張拉，應力數(shù)值逐漸減小，下弦桿的應力與撓度變化呈現(xiàn)出負相關的變化趨勢，主要由于上承式橋梁結(jié)構(gòu)隨著橋梁整體結(jié)構(gòu)的逐漸成型，應力也會逐漸向上轉(zhuǎn)移。

從圖3中的數(shù)據(jù)可以看出，拆除臨時支撐后，由于橋梁主體結(jié)構(gòu)自重的承載方式的轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)撓度瞬間增加，隨著橋面混凝土板的張拉，使結(jié)構(gòu)的撓度逐漸減小，由于施工監(jiān)測存在微小誤差，同種結(jié)構(gòu)在橋梁上下游的施工也不能保證完全一致，就出現(xiàn)了數(shù)據(jù)上微弱的差異，但仍在合理范圍內(nèi)。

圖3 跨中實測撓度數(shù)據(jù)圖

圖4 吉兆橋應力測表量(7截面)

3 結(jié)語

通過對模擬結(jié)構(gòu)的計算可以得出橋梁理論撓度變形和應力值，我們可以以此作為依據(jù)指導施工，在實際施工中，通過預先設置的測量元件以及光學測量儀器對實體結(jié)構(gòu)進行測量，可以得到橋梁結(jié)構(gòu)在各工序中最為真實的應力和應變數(shù)據(jù)。通過將理論值和實測值得對比可以得出兩組數(shù)據(jù)具有極為相似的規(guī)律性變化，進一步證明了使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對吉兆橋主體結(jié)構(gòu)建立完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型，全程模擬計算對此列橋梁施工的指導性作用，這也為今后同類型橋梁施工提供理論依據(jù)。

[1] 高廣義，李錫胤.中山二橋施工監(jiān)測報蘙[R].天津港灣工程研究所，1995.

[2] 高廣義，李嘵軍.天津彩虹大橋施工監(jiān)測監(jiān)控技術試驗研究[R].交通部天津港灣質(zhì)量檢測中心，1998.

[3] 張和水，高廣義.韓莊104國道公路橋施工監(jiān)測和結(jié)構(gòu)試驗研究報告[R].天津港灣工程研究所，1999.

U445

B

1009-7716(2015)11-0114-04

2015-07-13

“十二五”國家科技支撐計劃《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化施工技術研究》(課題編號:2011BAJ09B0403)。

馬建僑(1976-)，男，廣東紫金人，高級工程師，從事道橋施工管理工作。