運(yùn)河大橋懸澆施工控制與結(jié)構(gòu)有限元分析

姜富強(qiáng) ，范 明 ，呂新建 ，張煒瑤 ，王有志

(1.山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250023；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007；3.華僑大學(xué)，福建廈門 361021；4.山東大學(xué)，山東濟(jì)南 250061)

0 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)與施工相關(guān)性很強(qiáng)，但是設(shè)計(jì)參數(shù)的理想取值與施工時(shí)的實(shí)際參數(shù)間一般存在客觀上的差異，很多差異如所采用的施工方法、材料性能、澆筑程序、環(huán)境溫度場、立模標(biāo)高等都會(huì)直接影響箱梁的線形與受力，因此必須對整個(gè)橋梁的施工過程進(jìn)行詳盡的分析與監(jiān)控控制。該過程一般分為三步，首先在施工現(xiàn)場采集必要的數(shù)據(jù)，通過參數(shù)辯識(shí)后，對理論值進(jìn)行修正計(jì)算；其次對澆筑箱梁立模標(biāo)高和主墩標(biāo)高、垂直度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等予以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與控制，以確保設(shè)計(jì)值得以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)；最后在施工過程中依據(jù)己建梁段的指標(biāo)，預(yù)測未來梁段的指標(biāo)。

本文結(jié)合濟(jì)嘉線火頭灣運(yùn)河大橋工程實(shí)際探討預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸澆施工仿真分析與控制技術(shù)。通過對該橋進(jìn)行科學(xué)合理的施工仿真分析與控制，減少施工誤差，縮短了工期，還大大節(jié)省了項(xiàng)目建設(shè)投資。

1 工程背景

濟(jì)嘉線火頭灣運(yùn)河大橋，位于濟(jì)寧市黃井鎮(zhèn)前王村西京杭大運(yùn)河上，已有老橋位于濟(jì)寧與嘉祥來往的重要道路上，交通量大，重載車輛多。為此新建一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，建成后新橋與老橋聯(lián)合運(yùn)營，可以緩解交通壓力，提高行車安全。

新建濟(jì)嘉線火頭灣運(yùn)河大橋主橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，引橋?yàn)榈冉孛孢B續(xù)箱梁，見圖1。橋梁全寬16.5 m，橫向布置為0.50 m護(hù)欄+15.5 m行車道+0.50 m護(hù)欄(與北幅老橋?qū)撞贾?。設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，橋梁位于直線段上，橋頭路線接坡，順老路。橋梁兩頭縱坡為3%，橋梁在豎曲線段內(nèi)，豎曲線R=8 000 m。因建成橋梁與北幅老橋聯(lián)合運(yùn)營，本橋設(shè)2%單向橫坡。本橋橋址處月平均最高溫度為34℃，月平均最低溫度為-10℃。

圖1 濟(jì)嘉線火頭灣運(yùn)河大橋總體布置圖

濟(jì)嘉線火頭灣運(yùn)河大橋采用懸臂澆筑施工方法，即在已建成的橋墩上，以橋墩為中心，利用掛籃對稱向兩岸逐段澆筑梁段混凝土，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后，張拉預(yù)應(yīng)力束，再移動(dòng)掛籃，進(jìn)行下一節(jié)段的施工。這樣不斷重復(fù)同一作業(yè)，直至合攏。

2 有限元仿真分析

2.1 模型的建立

在全橋空間結(jié)構(gòu)分析中，建立用于分析計(jì)算的有限元模型，分析的成功與否在很大程度上取決于模型建立的好壞，為了精確的分析火頭灣運(yùn)河大橋的整個(gè)施工過程，需要對主梁施工的每一階段進(jìn)行跟蹤模擬計(jì)算。本文采用橋梁分析專業(yè)軟件MIDAS/Civil進(jìn)行整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析，根據(jù)火頭灣運(yùn)河大橋主橋施工工藝流程，劃分了火頭灣運(yùn)河大橋主橋箱梁施工控制模擬計(jì)算的施工階段及步驟。主橋上部結(jié)構(gòu)分為66個(gè)節(jié)點(diǎn)、63個(gè)單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成過程共分為35個(gè)施工階段和1個(gè)運(yùn)營階段，使整個(gè)施工過程中出現(xiàn)的改變都能在有限元模型中得到準(zhǔn)確的體現(xiàn)。全橋有限元計(jì)算模型見圖2。

圖2 Midas/Civil有限元分析模型

2.2 主要影響因素的考慮

火頭灣運(yùn)河大橋的主梁施工是分段懸臂澆注的，每澆注一個(gè)新梁段都要經(jīng)歷一個(gè)移動(dòng)掛籃→立模→澆注主梁梁段→混凝土養(yǎng)護(hù)→張拉主梁預(yù)應(yīng)力的過程[1]，同時(shí)，在梁段的施工過程中，還有預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、溫度變化等因素的影響，所有這些過程及因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形不斷的發(fā)生變化，從而使得分析的難度提高，精度降低。

為了使模型分析結(jié)果更加接近實(shí)際，需要考慮到各種可能影響分析結(jié)果的因素并使其在模型中精確表達(dá)出來。關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失的影響方面，MIDAS軟件采用三維空間建模方式，可以準(zhǔn)確的反映出橋梁預(yù)應(yīng)力鋼筋的平彎及豎彎情況，同時(shí)在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，MIDAS會(huì)考慮到管道摩擦對預(yù)應(yīng)力鋼筋的影響，然后軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出施加在橋上的有效預(yù)應(yīng)力，對于鋼筋松弛、錨具壓縮變形等影響預(yù)應(yīng)力的因素都會(huì)按規(guī)范要求考慮在內(nèi)。關(guān)于混凝土收縮徐變的影響方面，在建立模型時(shí)程序會(huì)建立一個(gè)混凝土收縮徐變函數(shù)，再利用時(shí)間依存材料連接，將收縮徐變特性賦予到所建立的模型的混凝土上，使其具有了收縮徐變特性[2]。關(guān)于溫度變化的影響方面，MIDAS軟件提供系統(tǒng)溫度(初始溫度)設(shè)定的服務(wù)，而且模型建成后，可以考慮整體溫度升降、溫度梯度、溫度場等變化產(chǎn)生的影響。

3 有限元分析結(jié)果及監(jiān)控

3.1 溫度對高程的影響

溫度應(yīng)力屬于可變荷載，對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)來說，由自然環(huán)境條件變化而產(chǎn)生的溫度荷載一般分為三種，一種是由年溫度變化引起的，一種是由日照溫度變化引起的，還有一種是由寒流影響的也就是溫度驟降。年溫度變化能使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生伸縮變形，并引起橋梁縱向位移，但這種變形和位移是緩慢而均勻的，這種縱向位移一般會(huì)通過伸縮縫等措施相協(xié)調(diào)，不會(huì)受到限制，所以一般不會(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力。日照溫度變化能使橋梁各結(jié)構(gòu)迅速產(chǎn)生不均勻的溫度分布，短時(shí)間內(nèi)形成相當(dāng)大的溫差，從而會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，該應(yīng)力一般很大。溫度驟降也能使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的溫度分布，不過產(chǎn)生的溫度應(yīng)力一般比日照溫度變化引起的溫度應(yīng)力小[3]。

日照溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)的影響是非線性的，且其變化對橋梁合攏前的影響是很大的，直接決定著合攏時(shí)間的選擇。

3.1.1 日照溫差的影響

下面以2#墩邊跨合攏前懸臂端的最前端9#塊為例，通過24 h監(jiān)測結(jié)果說明溫度對高程的影響大小，見表1。

表1 溫度對高程影響監(jiān)測數(shù)據(jù)

為了方便數(shù)據(jù)的觀察分析，我們設(shè)定初始溫度及高程為零，通過繪制溫度及高程的即時(shí)值與初始值的差值圖來更加形象的說明溫度變化與高程變化的關(guān)系及溫度對高程的影響大小,見圖3、圖4。

圖3 河岸方向溫度對高程影響圖

圖4 河心方向溫度對高程影響圖

從以上表格及圖示中可以看到，當(dāng)一天之中溫度達(dá)到最高時(shí)，梁體下?lián)蠀s不是最大，有一定的滯后性[3]。在最大懸臂施工階段，溫度對高程影響是比較明顯的，一天之中最大溫差下的高程能達(dá)到11 mm。

3.1.2 合理合攏時(shí)間的選擇

對于懸臂澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋來說，一般情況下橋梁跨度比較大，懸臂比較長。白天在太陽的照射下，箱梁的頂板和底板會(huì)形成較大溫差，頂板溫度高會(huì)導(dǎo)致混凝土膨脹，而相對而言，底板溫度低則會(huì)導(dǎo)致混凝土收縮，從而使懸臂箱梁有向下的撓度變形，到晚上，箱梁頂板和底板溫差很小幾乎可忽略不計(jì)，頂?shù)装寤炷潦湛s徐變程度相等，所以懸臂箱梁的撓度變形會(huì)逐步變小。由此可見，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在懸臂澆筑施工過程中，由于受日照溫差的影響，懸臂箱梁撓度處于不斷的變化之中，這種變形不僅會(huì)隨著日照溫差的增大而增大，也會(huì)隨著懸臂長度的增長而增大。

從以上對溫度應(yīng)力的分析得知，溫度變化對長懸臂箱梁的標(biāo)高及應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以說在橋梁合攏前通過反復(fù)不斷觀測，掌握住時(shí)間-溫度-撓度變化規(guī)律曲線是相當(dāng)重要的。通過有限元模型及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的分析，火頭灣運(yùn)河大橋的合龍時(shí)間選擇到了溫度比較低的時(shí)候，兩邊邊跨在凌晨合龍完畢，中跨在天氣比較涼爽的下雨天順利的合龍完畢。

3.2 線形分析與控制

火頭灣運(yùn)河大橋懸臂施工過程中，隨著懸臂長度的不斷變化，梁體撓度也隨著當(dāng)前施工塊的澆筑和張拉不斷變化，此變化在施工0～4號(hào)塊時(shí)不明顯，測量數(shù)據(jù)顯示梁端撓度變化值在0～8 mm，除去一些測量誤差等因素的影響，與模型理論計(jì)值0～4 mm基本吻合。而在施工5～9號(hào)塊時(shí)變化則較為明顯，最大下沉量為9#澆混凝土后，其前面3塊(8#、7#、6#)下?lián)现翟?12～19 mm，與理論計(jì)算值在14～21 mm基本吻合；而9#塊張拉后6#～9#上撓值在10～19 mm，理論計(jì)算值為7～16 mm，兩者基本吻合。總體看來，前期仿真分析模型是可信的。

表2為合龍后進(jìn)行全橋橋面點(diǎn)高程聯(lián)測測量而得出的橋梁底板高程結(jié)果。

對合龍后高程數(shù)據(jù)分析得知，全橋3個(gè)合攏段合攏精度符合設(shè)計(jì)要求，最大合龍高差6 mm；全橋合龍后，箱梁實(shí)際線形與目標(biāo)線形數(shù)值吻合，主橋無折線突變，線形光滑流暢，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)；從實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比來看，本文理論方法運(yùn)用及計(jì)算比較準(zhǔn)確、預(yù)拱度的預(yù)測誤差比較小。

表2 合攏后橋梁底板高程結(jié)果

3.3 應(yīng)力分析與控制

火頭灣運(yùn)河大橋的應(yīng)力測試儀器采用的是金壇市海巖工程儀器廠生產(chǎn)的YBJ-4501型振弦式應(yīng)變計(jì)。測點(diǎn)布置見圖6、圖7。

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工中，箱梁根部附近的截面應(yīng)力測試基本上貫穿于整個(gè)橋梁箱梁的施工過程中，且該處應(yīng)力變化最為復(fù)雜，所以預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋箱梁根部截面應(yīng)力控制尤為重要[4]，本文選擇1#墩中跨側(cè)0#塊箱梁截面的應(yīng)力作為分析研究對象，結(jié)果見表3。

圖6 應(yīng)力監(jiān)測截面布置圖(單位：mm)

圖7 截面應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

表3 1#墩0#塊中跨側(cè)應(yīng)力理論值與實(shí)測值對比結(jié)果

從表3及圖中可以看出，箱梁在懸臂施工時(shí)施工階段不斷進(jìn)行的情況下，實(shí)測應(yīng)力變化與理論應(yīng)力變化規(guī)律一致且相差不大，說明箱梁工作正常。底板實(shí)測數(shù)值與理論數(shù)值基本吻合，規(guī)律一致，部分?jǐn)?shù)值有一定誤差，但滿足規(guī)范要求，分析其原因主要為：局部應(yīng)力影響，比如測點(diǎn)正好接近某根預(yù)應(yīng)力束；測量時(shí)橋面施工荷載等施工因素亦會(huì)影響應(yīng)力測量結(jié)果。

4 結(jié)語

(1)對火頭灣運(yùn)河大橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，通過理論數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)果表明計(jì)算分析結(jié)果很好反映該類橋梁的各施工階段及成橋狀態(tài)的實(shí)際情況。

(2)溫度效應(yīng)對控制成果的影響是很大的。日照溫差和年溫差都對主梁的順橋向變形有影響，但對于連續(xù)梁橋來說，墩梁的支座連接方式及伸縮縫的設(shè)置都能夠很好的解決這個(gè)問題。日照溫差決定著合龍時(shí)間的選擇，橋梁合龍質(zhì)量的好壞又對成橋運(yùn)營后的狀態(tài)有很大影響，所以，合龍時(shí)間可選擇在日照溫差較小的時(shí)候。

(3)火頭灣運(yùn)河大橋的邊跨合龍后，濟(jì)寧方向邊跨合龍高差為5 mm，嘉祥方向邊跨合龍高差為6 mm，中跨合龍高差為6 mm，滿足規(guī)范要求，說明對該橋梁的監(jiān)測控制是比較成功的。

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