仿真分析模擬在橋梁同步頂升施工監控中的運用

■羅靜靜

（福州東南繞城高速公路有限公司，福州 350008）

仿真分析模擬在橋梁同步頂升施工監控中的運用

■羅靜靜

（福州東南繞城高速公路有限公司，福州 350008）

以某高速路面改造項目中橋梁頂升工程為依托，結合頂升系統的施工方案，介紹通過有限元仿真分析模型，對其頂升過程中的梁體變形和應力分布特征進行模擬，得到了理論上的監控控制閥值，保證分級頂升的安全性和控制標準，對梁體頂升過程的位移、應力多種指標進行綜合監控。頂升施工監控結果表明，理論分析結果與實測結果相吻合，頂升施工過程中梁體應力、位移偏差均在允許范圍內，頂升結束后落梁平穩安全。該工程的成功實施為接下來的類似工程提供較高的參考價值，進一步優化監控方案，提高了工程效率、節約了施工時間和施工成本。

同步頂升 頂升施工 監控 仿真模擬

1 引言

橋梁頂升技術近幾年在舊路改造中，以其施工快捷、經濟實惠、效果優良等優點，得到了廣泛的應用[1]。為了減少梁體內力的變化，一般中小跨徑橋梁都會采取整體同步頂升施工，但在具體施工過程中，由于無法保證各支點頂升高度完全同步，同時因施工隊伍的施工質量問題，約束未完全解除，使得不同支點頂升出現高差，會引起梁體結構的不正常內力。因此通過計算機模擬頂升過程中的結構內力和變形，對頂升過程中的監控，保障主梁在頂升過程中的安全尤其重要。本工程在頂升施工中運用仿真分析的方法可以為接下來類似工程提供技術參考和經驗。

2 工程概況

2.1 工程簡介

某中橋為高速公路的一座主線橋，位于直線段上，橋梁分為左、右幅。上部結構為2孔16m預制空心板梁，先簡支后橋面連續，全橋一聯，橋梁全長38m。下部結構為雙柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎。全橋支座采用矩形板式橡膠支座。全橋只有一條伸縮縫，位于1#墩墩頂，兩側橋臺為無縫化設計。路面改造需對全線進行加鋪18cm厚瀝青混凝土，因此需對路面與橋涵順接方式進行處理。改造設計為了對原路線縱坡線型進行優化，不影響橋梁運營承載，橋梁需增高15.8cm。

2.2 頂升施工方案

該橋依據現場施工條件采用鋼牛腿式頂升方案。該項目采用分階段頂升方法，即為了保障頂升過程中的安全性，將設計頂升高度分為幾個階段進行。在每個支撐頂點布置處安裝一組可主動施加頂力的千斤頂，并用控制臺控制液壓泵驅動進行頂升，待到達每階段預計高度時，用臨時墊塊/墊片將梁體固定，提升千斤頂之后再進行第二階段的頂升作業。如此重復一個周期直至頂升至設計高度[2]。

（1） 其系統分為：

液壓系統（含檢測傳感器）、計算機自動控制系統兩個部分。

（2）系統結構一般有8個部分：

①液壓泵;

②帶觸摸屏的PLC控制裝置;

③液壓缸;

④位移傳感器;

⑤液壓軟管;

⑥傳感器電纜;

⑦電磁控制器;

⑧壓力傳感器。

3 仿真分析——梁體頂升過程中梁體安全閥值

根據設計資料，該橋空心板梁采用C40等級混凝土，截面設計采用交通部頒布的 《裝配式后張法預應力混凝土簡支空心板橋上部結構》16m跨徑通用圖紙[3]。模型約束考慮兩種情況：情況一，頂升系統不同步高差；情況二，橋面連續未解除，按一端滑動、一端固定設置。以中梁為例，采用精細化實體仿真分析軟件midas FEA建立單梁實體網格模型，如圖1所示。

圖1 單梁實體網格模型

為了模擬頂升過程中兩側支點可能出現的頂升不同位移量的情況，給予滑動端一定的強制位移量，通過計算梁體表面混凝土的受拉應力值與混凝土的抗拉強度設計值進行比較，確定兩個支點最大位移差閥值。計算結果見表1，計算模型如圖2、圖3所示。

表1 單梁模型不同強制位移下梁體產生最大受拉應力值

圖2 5mm強制位移的應變云圖

圖3 6mm強制位移的應力云圖

4 頂升監控

4.1 位移變化監控

（1）橋面標高

橋面高程的觀測點用于推算每個梁片支點處的實際頂升高度，使頂升到位后橋面標高得到有效控制。在每個橋跨兩端控制點處布置測點，通過水準儀在每階段頂升抬高前后分別測量其相對標高，并做好記錄，同時結合頂升控制系統中頂升高度數據進行校核，現場橋面標高測點布置圖如圖4所示。頂升前后，橋面標高變化如表2所示，現場過程標高監控如圖5所示。同一個墩臺相鄰頂升點之間的頂升高差在0.5mm之內，同一片梁的頂升高差在5.0mm之內，滿足監控要求。

圖4 橋面標高監控示意

圖5 橋面標高監控

表2 梁片頂升前后標高變化匯總

（2）橋梁中線偏移

在主線橋路線中心線對應橋面上每側梁端各布置兩處中線控制點，采用鋼直尺實時觀測梁體中線偏移情況。頂升過程和落梁后，梁體均未出現中線偏移情況。

（3）梁體縱向位移

在每片梁端安裝基準鋼片，在每級頂升抬高完成后用鋼直尺量測限位鋼片與基準位置的刻度差值。頂升過程和落梁后，梁體均未出現縱向偏移情況。

4.2 應力應變變化監控

主梁應力監控是對頂升施工過程是否安全的最直接的手段，是施工過程安全的保證[4]。應變監控主要是在頂升、持荷和梁體回落過程中對邊梁和中梁關鍵斷面進行監控，監控頂升過程中梁體的應變情況，傳感器采用工具式表面應變傳感器，現場測點布置圖如圖6所示。根據有限元軟件計算結果，最大應變監控位置布置在頂升支點處。根據計算結果，要求同一跨兩側支點頂升高差控制在5mm之內，應變按33με控制。該橋頂升（落梁）梁體應變記錄見表3，現場梁體應變監控如圖7所示。

圖6 梁體應變監控示意

圖7 現場應力應變監控

表3 頂升（落梁）過程梁體應變記錄表

根據現場實測結果，同步頂升實測梁體最大應變變化值為7με，遠小于理論極限控制值，結構受力安全。

4.3 裂縫變化監控

根據前期外觀檢查情況，對跨中截面附近的受力裂縫以及超限寬裂縫布置傳感器，監控其在頂升過程中的開展情況。頂升過程和落梁后，梁體裂縫未見明顯發展，均未有新裂縫的產生。

5 結語

（1）仿真分析在橋梁頂升施工中的運用，即分析不同步頂升，計算時應充分考慮不同情況下結構產生的內力，以材料強度標準值確定頂升允許高差和應力允許范圍。

（2）頂升施工監控應同時采用位移和應力（應變）雙重控制原則。在監控過程中應不間斷，當示值超過閥值時應立即停止施工，并分析原因，保障頂升施工的安全。

（3）通過采用精細化實體仿真分析軟件 midas FEA建立單梁實體網格模型，能夠精確的模擬梁片頂升中梁體的極限受力情況，為監控提供準確的判斷閥值。

（4）理論分析結果與實測結果相吻合，頂升施工過程中梁體應力、位移偏差均在允許范圍內，頂升結束后落梁平穩安全。該工程的成功實施為同項目其它類似工程提供較高的參考價值，進一步優化監控方案，提高了工程效率。

[1]馬亮,王天鵬等.連續梁整體頂升施工監測與數值模擬分析[J].工程施工技術,2016.

[2]交通部專家委員會.中華人民共和國交通行業公路橋梁通用圖——裝配式后張法預應力混凝土簡支空心板梁上部構造[S].北京：人民交通出版社.2008.

[3]于心然.下草灣大橋同步頂升支座更換施工技術[J].公路,2015,（4）: 118-122.