基于數值仿真的拱橋施工監(jiān)控技術

楊 浩

（重慶交通大學 土木建筑學院 重慶 400074）

基于數值仿真的拱橋施工監(jiān)控技術

楊 浩

（重慶交通大學 土木建筑學院 重慶 400074）

橋梁施工難度大，結構復雜，為保證橋梁施工安全，成橋后線形符合設計要求，結合數值仿真技術對全橋施工過程進行監(jiān)控是很有必要的。以某1-100米渡水拱橋為研究對象，選擇5個應力監(jiān)測面，將實測數據與有限元模型數據進行對比分析，為實際施工提供真實可靠的數據支撐，利于施工方案的調整或修改，提高橋梁施工質量。

拱橋；施工監(jiān)控；數值仿真

0 ．前言

橋梁施工監(jiān)控的目的和意義就是保證施工過程中結構的安全性、橋梁分段順利合攏。根據施工監(jiān)測所得的結構參數真實值進行施工階段計算，并在施工過程中根據施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預測，從而通過施工方案進行調整，以此來保證施工沿著預定軌道進行。無論是撓度觀測值還是截面應變觀測值中都包含溫度不均勻產生的影響。采用撓度和應力雙控參數對整個施工過程進行監(jiān)測，能夠有效地實現施工控制，使結構的外觀形狀和內力均符合設計、施工規(guī)程的要求，保證大橋順利建成及運營后結構內力和線形良好。

1 ．工程概況

渡水橋設計為1-100m箱形板拱橋，主拱圈為等截面懸鏈線無鉸拱，凈跨100米，矢跨比1/6，拱軸系數m=1.756，由于橋址區(qū)場地限制，主拱圈采用搭設鋼拱架現澆施工。兩岸引橋橋墩基礎及橋臺基礎均采用雙柱式基礎，且?guī)r層飽和極限抗壓強度不小于6MPa。兩岸主拱拱座均為砼圬工結構，嵌入除去強風化破碎層后的新鮮完整基巖內，拱座砼采用不立模澆筑，使拱座砼與巖體成一整體。

2 ．施工監(jiān)控原則

拱橋的理想幾何線形與合理內力狀態(tài)不僅與設計有關，而且還依賴于科學合理的施工方法。如何通過對施工過程的控制，在成橋時得到預先設計的受力狀態(tài)和幾何線形，是橋梁施工中非常困難和關鍵的問題。同時，施工控制的結果為橋梁實行長期監(jiān)測提供原始依據，是橋梁運營狀態(tài)監(jiān)測的起點。

根據以往鋼筋混凝土箱拱橋施工控制經驗，影響施工過程中橋梁結構內力和線形的因素主要有以下幾方面：（1）橋梁施工臨時荷載，（2）拱架剛度和穩(wěn)定性，（3）主拱合攏時溫度影響，（4）混凝土徐變及收縮，（5）混凝土彈性模量。

橋梁施工監(jiān)控的目標，就是根據施工監(jiān)測所得的結構參數真實值進行施工階段計算，根據施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預測，以此來保證施工沿著預定軌道進行，從而保證主梁合攏后橋面線形和結構內力符合設計要求，保證施工過程中結構的安全性、橋梁順利合攏、橋梁成橋受力狀態(tài)及合攏后橋面線形良好。然而，由于實際施工過程中各種條件的變化，結構在成橋時橋梁的內力和線形與設計總存在一定的誤差，根據以往的該類橋型施工監(jiān)控經驗，在保證結構施工和營運內力安全的前提下，結構在成橋狀態(tài)的線形與設計相比，高程線型最大偏差一般不超過20mm；橋軸線偏差一般不超過10mm；橫向扭轉一般不超過10mm。

渡水橋施工監(jiān)控目標的選擇應考慮兩個方面的因素，一方面要選擇用現有技術條件能實施的控制目標，另一方面要選擇對主橋結構有重要影響的關鍵控制目標，并且量測到的控制目標能反映主橋結構的實際狀況，對施工過程的安全能起到指導意義。

3.結構計算與分析

結構分析是結構施工控制的主要工作內容之一，該項工作根據施工過程與成橋運營情況來完成各施工狀態(tài)及成橋后的內力與位移計算，進而確定出結構各施工階段的內力與位移理論值。計算可考慮施工的進程、時間、相應狀態(tài)臨時荷載、環(huán)境溫度、截面的變化、結構變化、混凝土的收縮與徐變、預加應力等因素。可確定預測下一施工狀態(tài)及施工成橋狀態(tài)的內力與位移。結構施工過程中結構分析采用倒退分析與前進分析兩種方法。結構施工過程中結構行為分析采用非線性有限元法。該項分析包括如下幾項內容：

（1）橋梁結構的檢算復核：復核結構初始狀態(tài)的預拱度；確定各施工理想狀態(tài)的內力與位移。

（2）通過比較確定出結構最大內力與位移的相應狀態(tài)。

（3）施工過程中的穩(wěn)定性計算：確定最不利狀態(tài)，提出相應的抗失穩(wěn)措施。

（4）給出有關施工的建議。

按照設計圖運用大型通用有限元分析軟件Midas建立有限元分析。

根據橋梁的實際施工以及監(jiān)測情況，將橋梁分成如下階段（主拱圈頂板底板各分三個施工階段階段）：1、安裝鋼拱架；2、鋼拱架進行試壓；3、卸掉鋼拱架試壓荷載；4、安裝腹板橫隔板5、澆筑拱腳實腹段；6、主拱圈底板第一段（拱腳到跨中一段區(qū)域）；7、主拱圈底板第二段（拱頂底板澆筑）；8、主拱圈底板第三段（底板合龍）；9、主拱圈頂板第一段（拱腳到跨中一段區(qū)域）；10、主拱圈頂板第二段（拱頂頂板澆筑）；11、主拱圈頂板第三段（頂板合龍）12、拆鋼拱架；13、澆筑5、6、7號墩立柱14、澆筑部分立柱和蓋梁；15、立柱和蓋梁澆筑完；16、主拱圈上澆筑部分橋面板；17、主拱圈上橋面板澆筑完。

根據不同的施工階段得到監(jiān)測截面的應力值、位移值的大小。

4.實測數據的獲取

渡水橋施工監(jiān)控的主要內容包括：施工階段鋼拱架與主拱圈的應力、應變、位移（主要是沉降）、拱軸線偏位。

考慮要適合長期施工過程觀測并能保證足夠的精度，對鋼拱架和主拱圈分別選用長期性、穩(wěn)定性較好，精度較高的 JMZX-212 型表面智能數碼弦式應變計和JMZX-215型埋入式混凝土應變計，以及配套的數字頻率接收儀進行應力測試。通過測定應變計的頻率，從而換算得到應力值。

根據渡水橋施工時的方法、受力特點和施工控制的主要目的，確定鋼拱架和主拱圈正應力截面各5個，分別為拱腳截面（2個），1/4截面（2個）和拱頂截面（1個）。

對于鋼拱架，應變計采用 JMZX-212型表面智能數碼弦式應變計，其安裝點具體位置如圖2；

對于主拱圈，應變計采用JMZX-215型埋入式混凝土應變計。

根據現場的環(huán)境情況，由于施工環(huán)境在發(fā)生變化，所以鋼拱架和主拱圈均采用自由設點坐標的方法，在靠近施工現場區(qū)域選擇一點作為儀器點，一點為后視點，標記完成后，用這些點作為固定點設立坐標系，觀測橋上設立的觀測點，測試每一個測點的 X、Y、Z坐標值，每次測試值與最初值和上一次的值進行比對，控制差值在合理范圍以內。測試儀器選用進口的GPS全站儀，對于坐標值測試更加精準。

為消除日照溫差引起的拱圈的不規(guī)則變化，線形測量選擇在溫度變化小、氣溫穩(wěn)定的時間段進行，并應縮短測量工作持續(xù)的時間。

根據施工進度，及時獲取不同施工階段的實測數據，保留原始數據。如果測量中發(fā)現測量數據有較大的偏差，應當加強監(jiān)測的頻率，分析可能造成偏差的原因。

5 結論

運用橋梁專業(yè)有限元軟件midas civil，通過建立符合現場實際的有限元仿真分析模型，對橋梁各施工階段以及關鍵部位應力狀態(tài)的實時預報分析，并輔以控制截面關鍵部位應力的實時測量分析。實時調整仿真分析參數，使其最大限度地反映現場實際的各種情況。調整后的仿真分析結果與現場實測數值吻合良好，充分說明了有限元仿真模型的建立、邊界條件的模擬、荷載模式的選擇以及橋梁物理參數的取值均符合現場實際，科學地預報了下階段橋梁應力和變形狀態(tài)，為大橋的安全施工提供了有效技術保障。

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