轉(zhuǎn)體施工技術(shù)下的T構(gòu)梁施工監(jiān)控和仿真模擬分析

費(fèi)家林，宋滿榮，柳炳康，陳金彪

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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轉(zhuǎn)體施工技術(shù)下的T構(gòu)梁施工監(jiān)控和仿真模擬分析

費(fèi)家林，宋滿榮，柳炳康，陳金彪

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)體施工橋梁受力和變形情況十分復(fù)雜。以某橋梁工程為例，采用Midas/Civil軟件建立有限元仿真分析模型，計(jì)算橋梁各施工階段的應(yīng)力和變形情況。將施工過(guò)程中線形控制與應(yīng)力控制的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探討橋梁關(guān)鍵部位在施工過(guò)程中的線形及應(yīng)力變化，以及有限元分析軟件在工程建設(shè)中的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)體剛構(gòu)橋；線形監(jiān)控；應(yīng)力監(jiān)控；仿真分析

1工程概況

轉(zhuǎn)體T構(gòu)梁全長(zhǎng)129.5 m，其中轉(zhuǎn)體部分長(zhǎng)度118.5 m，轉(zhuǎn)體重量達(dá)11 000 t。主梁共劃分35個(gè)梁段，A0#梁段長(zhǎng)12.0 m、邊墩現(xiàn)澆梁段長(zhǎng)3.5 m、合龍段2.0 m，其余梁段長(zhǎng)分別為3.0 m、3.5 m、3.625 m、4.0 m。高度：主梁采用單箱單式變高度箱型截面，邊支點(diǎn)處梁高3.8 m，中支點(diǎn)處梁高7.4 m，梁高按二次拋物線變化。主梁頂板寬度為11.9 m，頂板厚0.45 m，中支點(diǎn)及邊支點(diǎn)處局部加厚為0.95 m。主梁底板寬6.8 m底板厚按二次拋物線由0.45變化至0.95 m，中支點(diǎn)處局部底板厚1.5 m，邊支點(diǎn)處局部加厚為0.95 m。腹板：主梁腹板采用直腹板，厚度由0.5 m按折線分兩次變化至0.8 m邊支點(diǎn)附近線性增加至1.0m。主梁共設(shè)4道橫隔板，邊支點(diǎn)橫隔板厚1.5 m共2個(gè)；中支點(diǎn)橫隔板厚1.4 m共2個(gè)，均設(shè)置過(guò)人孔。

2施工控制方法及措施

科學(xué)合理的線形控制可以保證橋梁順利合龍，使橋梁線形最終符合設(shè)計(jì)要求。主梁懸臂根部高程測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示，標(biāo)高的監(jiān)測(cè)與控制可以在另一角度校核對(duì)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)工作，在每節(jié)段箱梁頂面標(biāo)高布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。每一節(jié)段施工混凝土澆筑完成后測(cè)量本節(jié)段的箱梁頂面標(biāo)高和底板標(biāo)高，并建立與上述測(cè)點(diǎn)標(biāo)高的換算關(guān)系。

圖1　主梁懸臂根部高程測(cè)點(diǎn)位置

對(duì)橋梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分重要，它直接反映了主梁的受力狀況，是結(jié)構(gòu)安全性能的重要指標(biāo)。在T構(gòu)兩側(cè)1號(hào)塊內(nèi)遠(yuǎn)離根部3/4節(jié)段長(zhǎng)度截面處，每側(cè)截面設(shè)10個(gè)測(cè)點(diǎn)作為梁根部截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。在4號(hào)塊內(nèi)離根部3/4節(jié)段長(zhǎng)度截面處，布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，作為梁端1/4跨應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。在8號(hào)塊離根部1/2節(jié)段長(zhǎng)度截面處，布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，作為梁跨中應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。主梁懸臂根部應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示[1-3]。

圖2　主梁懸臂根部應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置

3有限元仿真及計(jì)算

本文采用Midas/Civil有限元軟件建立主橋三維仿真模型，計(jì)算橋梁整體受力及關(guān)鍵截面的應(yīng)力情況。由于轉(zhuǎn)體T構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以在有限元建模過(guò)程中，在不影響結(jié)構(gòu)受力的情況下，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，如忽略箱梁中的人洞和橫隔板等結(jié)構(gòu)的影響。盡量按照實(shí)際材料參數(shù)來(lái)取模型單元材料的參數(shù)；并且在劃分施工階段時(shí)，也應(yīng)盡可能與實(shí)際施工階段相一致。

計(jì)算模型按平面桿系計(jì)算，對(duì)施工階段的橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用橋梁專業(yè)的常見有限元模型分析軟件Midas/civil建模。

根據(jù)分段施工橋梁的塊段數(shù)、橋梁臨時(shí)支承、支座等布置情況，劃分單元及節(jié)點(diǎn)。單元包括主梁?jiǎn)卧蚨諉卧约芭R時(shí)支承單元等類型。

考慮主橋豎曲線要數(shù)，建立相對(duì)坐標(biāo)系(選取跨中為原點(diǎn)Y坐標(biāo)值為箱梁頂面標(biāo)高，這樣方便立模標(biāo)高的給出)，通過(guò)計(jì)算求出節(jié)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值，輸入全橋單元信息[4]。

在建模時(shí)不考慮樁基礎(chǔ)的作用，將墩底和地面定位固結(jié)，通過(guò)約束墩底全部自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)。懸臂端根據(jù)實(shí)際施工情況，視為自由端，不做任何約束。梁體與橋墩的連接為彈性連接[5-6]。

全橋三維模型如圖3所示。

3.1結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

墩頂以下3 m采用與梁體相同的C55混凝土，彈性模量34.5 GPa；其余采用C40混凝土，彈性模量32.5 GPa；容重均為2.5×104N/m3，泊松比均為0.2。采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，彈性模量1.95×105MPa。混凝土徐變系數(shù)2.0，收縮應(yīng)變1.5×10-4，鋼束松弛率3.5%。

圖3　全橋計(jì)算模型

3.2結(jié)構(gòu)模型的建立

轉(zhuǎn)體橋梁T構(gòu)懸臂部分各分為17對(duì)梁段施工，在有限元模擬時(shí)，T構(gòu)包括合龍段在內(nèi)共分為81個(gè)計(jì)算單元，其中橋面系74個(gè)單元，橋墩7個(gè)單元。全橋計(jì)算模型如圖3所示。0#塊由于受力復(fù)雜，分為6個(gè)單元，即為：2.5 m+1.4 m+2.1 m+2.1 m+1.4 m+2.5 m。橋墩共劃分為7個(gè)單元從頂部到底部分別為：1.5 m+1.5 m+2 m+2 m+2 m+2 m+2 m。主橋計(jì)算模型共分為53個(gè)施工工況。每號(hào)塊梁段施工分為4個(gè)工況(澆注混凝土、混凝土養(yǎng)護(hù)、張拉預(yù)應(yīng)力、掛籃移動(dòng))。

4施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1線性控制

轉(zhuǎn)體橋T構(gòu)懸臂澆筑施工中標(biāo)高的預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)與控制十分重要，施工階段中的梁體的位移、高程、變形的控制是安全、高效、高質(zhì)量施工的前提和手段，線性監(jiān)控起到重要的作用，需要在每個(gè)施工階段對(duì)各種工況進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)控。

為了減小溫度的影響，高程的測(cè)量安排在日出之前。主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括掛籃移動(dòng)前后、混凝土澆筑前后、預(yù)加力張拉前后、合龍前后、成橋前后的各項(xiàng)標(biāo)高值。按照“預(yù)告-施工-量測(cè)-識(shí)別-修正-預(yù)告”的循環(huán)過(guò)程進(jìn)行[7]。

橋梁施工過(guò)程中施工預(yù)拱度為

(1)

其中，F(xiàn)預(yù)為施工預(yù)拱度; f成橋?yàn)榻Y(jié)構(gòu)某一點(diǎn)在立模后，由于以后的施工操作使該點(diǎn)產(chǎn)生變形,這種變形直到成橋后為止，以向下為正；f后期徐變?yōu)闃蛄撼蓸?年后由混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的變形，以向下為正；f1/2活載為橋梁受到1/2汽車荷載時(shí)所產(chǎn)生的變形，以向下為正。

科學(xué)合理的線形控制可以保證橋梁順利合龍，使橋梁線形最終符合設(shè)計(jì)要求。另外，根據(jù)截面應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，標(biāo)高的監(jiān)測(cè)與控制可以在另一角度校核對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作。

由圖4看出橋梁上的各點(diǎn)的向下的位移主要由恒載和收縮徐變產(chǎn)生，其中起主要作用的是恒荷載的作用，但是收縮徐變產(chǎn)生的位移值11.8 mm達(dá)到了總位移值的35.12%，因此收縮徐變產(chǎn)生的位移不能忽略。

梁上各點(diǎn)的向上的位移由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的向上的位移不足以抵消由恒載和收縮徐變產(chǎn)生的向下的位移，抵消之后的位移絕對(duì)值沿橋墩向兩端逐漸增大，位移最大值發(fā)生在13號(hào)塊，隨后逐漸縮小。主梁在不同荷載組合的作用下梁段的最大位移值較小，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5為施工階段各梁段在澆筑前直至預(yù)應(yīng)力張拉后的高程變化值，由圖可知各梁段在澆筑前至張拉后的總位移是向下的，在5至12號(hào)梁段所產(chǎn)生的位移較大，在靠近橋墩處位移較小，這符合理論分析結(jié)果，同時(shí)與圖6中實(shí)測(cè)位移可知懸臂施工階段梁跨中心附近處位移所受后續(xù)懸臂施工影響較大。

由圖4可知，須在施工過(guò)程中需要給橋梁立模標(biāo)高設(shè)置一個(gè)預(yù)拱度，圖6可知在各梁段上設(shè)置的預(yù)拱度隨之距離中心橋墩的距離增大而增大直到13號(hào)塊，然后隨之逐漸減小，實(shí)測(cè)梁段位移值與所設(shè)預(yù)拱度的和值如圖6所示。實(shí)測(cè)位移值與預(yù)拱度值大致相當(dāng)，誤差比較小，滿足后期要求。也印證了預(yù)拱度的預(yù)測(cè)合理性以及立模標(biāo)高設(shè)置的正確性。

圖4全橋模型各節(jié)點(diǎn)理論位移

圖5各梁段澆筑前至張拉后控制高程變化

圖6梁段的實(shí)際位移情況

4.2應(yīng)力控制

在轉(zhuǎn)體橋連續(xù)懸臂施工階段的過(guò)程中，需要進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)控以保證施工過(guò)程中的梁體變形和受力安全。在施工過(guò)程中所獲得的應(yīng)力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際受到多種因素的影響，例如混凝土收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)力，混凝土水化熱產(chǎn)生的應(yīng)力，環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，以及懸臂掛籃施工機(jī)械施工荷載等。按照規(guī)范要求，可將混凝土收縮徐變荷載予以排除。通過(guò)測(cè)量混凝土澆筑后和養(yǎng)護(hù)后的應(yīng)力對(duì)比排除收縮徐變水化熱的影響，實(shí)施橋梁應(yīng)力測(cè)量的時(shí)間應(yīng)在夜22∶00到早上日出的時(shí)段內(nèi)，此時(shí)段內(nèi)全橋的溫度最為均勻，每次測(cè)量均在相對(duì)固定的時(shí)間段內(nèi)以此排除環(huán)境溫度的影響。表1為梁段施工階段各控制截面處的應(yīng)力變化值與計(jì)算值的對(duì)比表[8-9]。

表1　混凝土梁控制截面應(yīng)力變化值表　MPa

從表1可知，在施工階段各工況下截面頂部應(yīng)力值在澆筑前后應(yīng)力差值為正，張拉前后應(yīng)力差值為負(fù)，代表著由結(jié)構(gòu)自重荷載在截面頂部產(chǎn)生了拉應(yīng)力，由預(yù)應(yīng)力荷載在截面頂部產(chǎn)生了壓應(yīng)力；在施工階段各工況狀態(tài)下截面底部應(yīng)力值在澆筑前后應(yīng)力差值為負(fù)，張拉前后應(yīng)力差值為正，代表著由結(jié)構(gòu)自重荷載在截面底部產(chǎn)生了壓應(yīng)力，由預(yù)應(yīng)力荷載在截面底部產(chǎn)生了拉應(yīng)力。在施工階段實(shí)測(cè)應(yīng)力差值與計(jì)算應(yīng)力差值的誤差較小，符合設(shè)計(jì)要求時(shí)施工的安全性設(shè)計(jì)。

梁段靠近橋墩處、1/4橋跨處以及1/2橋跨處在懸臂施工結(jié)束時(shí)截面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值對(duì)比表明，截面頂板應(yīng)力值較截面底板應(yīng)力值小，截面底板以及各頂板之間的應(yīng)力差值較小，大小里程方向各控制截面的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值誤差很小，且應(yīng)力值均在規(guī)范要求之內(nèi)，實(shí)測(cè)應(yīng)力值符合軟件模擬結(jié)果，有限元軟件分析較好地反映橋梁的實(shí)際施工情況。

圖7、8、9反映控制截面內(nèi)的應(yīng)力變化趨勢(shì)，后續(xù)施工對(duì)此截面的應(yīng)力影響，圖7可看出在澆筑階段截面應(yīng)力很小，然后再進(jìn)行下一梁塊施工前進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力張拉，導(dǎo)致截面頂部應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.45 MPa，隨著下一施工梁段的進(jìn)行，截面頂拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，并且隨之增大，在11號(hào)塊施工時(shí)截面頂部應(yīng)力增大趨勢(shì)減緩并隨之減小，進(jìn)行到13號(hào)塊施工時(shí)又進(jìn)一步增大，直至施工結(jié)束。圖8、9在澆筑完該梁段的控制截面時(shí)應(yīng)力都很小，隨后面各懸臂梁段的施工進(jìn)行，該截面板頂以及板底應(yīng)力逐漸增大，截面底的應(yīng)力增大大致成線性關(guān)系，截面頂?shù)膽?yīng)力剛開始和截面底的應(yīng)力增大趨勢(shì)大致相同，但是隨著施工的進(jìn)行，截面頂?shù)膽?yīng)力增大逐漸變緩，張拉預(yù)應(yīng)力荷載以及后續(xù)梁段的自重荷載對(duì)截面頂?shù)挠绊戨S之距離截面的距離增大而逐漸減小。

圖7　1號(hào)塊控制截面實(shí)測(cè)應(yīng)力

圖8　1/4跨控制截面實(shí)測(cè)應(yīng)力

圖9　1/2跨控制截面實(shí)測(cè)應(yīng)力

整個(gè)懸臂施工過(guò)程中，最大壓應(yīng)力計(jì)算值為13.25 MPa，實(shí)測(cè)值為11.91 MPa，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，說(shuō)明橋梁在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，并有一定的安全儲(chǔ)備。

5結(jié)論和展望

(1) 本文通過(guò)建立有限元模型對(duì)橋梁施工階段進(jìn)行分析計(jì)算，指導(dǎo)橋梁施工的有效進(jìn)行，同時(shí)施工階段得到的高程、應(yīng)力監(jiān)測(cè)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正了計(jì)算模型的精確性，保證了橋梁的順利安全施工。

(2) 通過(guò)實(shí)測(cè)位移高程值的變化，可以看出理論值與實(shí)測(cè)值誤差比較小，說(shuō)明施工預(yù)拱度的設(shè)計(jì)合理，懸臂階段立模標(biāo)高符合設(shè)計(jì)要求，橋梁T構(gòu)模型的建立以及參數(shù)的選取能夠基本上反映該橋的線形實(shí)際變化。

(3) 通過(guò)實(shí)測(cè)各截面應(yīng)力值以及應(yīng)力值的變化情況，對(duì)比有限元設(shè)計(jì)模型處理結(jié)果，說(shuō)明施工期的各應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求，有限元計(jì)算模型對(duì)于實(shí)際施工的安全性以及可靠性起到了很大的保障作用。實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值相差不大，應(yīng)力值均在規(guī)范要求之內(nèi)。

(4) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)控，采集到了大量的施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，主梁關(guān)鍵截面的受力和變形規(guī)律均符合實(shí)際工程情況，說(shuō)明有限元軟件能夠較好地反映橋梁的實(shí)際施工情況，為同類型的橋梁施工起到了借鑒作用。

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收稿日期：2016-03-18；修改日期：2016-03-23

作者簡(jiǎn)介：費(fèi)家林(1990-)，男，安徽淮北人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生； 柳炳康(1952-)，男，安徽鳳陽(yáng)人，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)教授．

中圖分類號(hào)：U445.466

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0250-04