鋼箱梁頂推施工過程監(jiān)測(cè)與模擬

孫國(guó)良，朱慶慶

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京100027）

0 引言

近年來，為保障橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)，國(guó)內(nèi)許多大跨橋梁安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如蘇通大橋、東海大橋等[1-2]。作為保障橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的有效措施，橋梁健康監(jiān)測(cè)在橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警方面能提供實(shí)時(shí)預(yù)警和結(jié)構(gòu)評(píng)估兩方面的服務(wù)[3]。然而在橋梁的施工階段，因施工過程與設(shè)計(jì)終態(tài)的差異導(dǎo)致成橋狀態(tài)與理論不一致，橋梁健康監(jiān)測(cè)缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以橋梁施工過程監(jiān)測(cè)的作用同樣重要。在橋梁施工過程中，必然存在內(nèi)力和變形與理論狀態(tài)的差異，為確保成橋狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，利用監(jiān)測(cè)技術(shù)可降低施工風(fēng)險(xiǎn)[4]。王景全等[5]利用監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)鋼-混凝土連續(xù)組合梁施工全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析對(duì)比，指出施工過程中關(guān)鍵性問題；許潤(rùn)鋒[6]利用監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)鋼箱梁疊合拱橋施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)，為安全施工提供保障，提高工作效率；張慎偉等[7]利用監(jiān)測(cè)技術(shù)跟蹤監(jiān)測(cè)施工過程中鋼管混凝土表面的應(yīng)力變化，掌握結(jié)構(gòu)在施工過程中的時(shí)變效應(yīng)；吳水根等[8]利用監(jiān)測(cè)技術(shù)和施工模擬對(duì)懸掛鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理施工順序和卸載步驟的劃分。因此大型結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測(cè)的研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)課題[9]。

1 工程概況

集通高速DK1+135.4匝道橋結(jié)構(gòu)為鋼箱梁形式。因施工路徑需跨越鶴大高速公路，故使用鋼箱梁頂推法施工。主梁跨徑33.00m+52.00m+33.00m，如圖1所示。頂推長(zhǎng)度92m，施工過程中最大懸臂長(zhǎng)度約33m，導(dǎo)梁總長(zhǎng)24m。主梁截面采用單箱雙室形式，底寬6.56m，橋面板寬10.00m，中心線處高度為1.90m。導(dǎo)梁由2個(gè)HN700×300片體組成，片體之間用325mm×6mm鋼管連接，截面高1.4m，長(zhǎng)24m，寬6.26m。頂推采用1臺(tái)200t連續(xù)頂推千斤頂，單個(gè)千斤頂配10根15.2mm預(yù)應(yīng)力鋼鉸線。

鋼箱梁頂推過程中存在3個(gè)難點(diǎn)：[1]懸臂長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)33m；[2]鋼箱梁頂推過程跨越鶴大高速；[3]施工工序復(fù)雜，存在多次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變。

圖1 鋼箱梁頂推施工

2 施工工況

在鋼箱梁頂推過程中，因臨時(shí)支撐點(diǎn)數(shù)量和位置變化，即鋼箱梁邊界條件變化，鋼箱梁受力和變形隨施工步發(fā)生變化。根據(jù)主要變化的邊界條件，將整個(gè)施工過程分為8個(gè)工況，如圖2所示。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測(cè)流程

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括4個(gè)子系統(tǒng)，包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)[10]。傳感器子系統(tǒng)由各類傳感器組成，如應(yīng)變傳感器、位移傳感器等。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)傳輸裝置構(gòu)成。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)由服務(wù)器構(gòu)成。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和專家評(píng)估組成。監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)象為應(yīng)力變化較大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件，依據(jù)這2條原則，導(dǎo)梁在頂推施工過程中受力體系變化，其上下翼緣的應(yīng)力符號(hào)呈現(xiàn)正負(fù)的變化；鶴大高速公路中間的臨時(shí)支撐ZC1為鋼箱梁行徑過程中的重要施工措施。因此本項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)對(duì)象為導(dǎo)梁和支撐ZC1，測(cè)點(diǎn)布置如圖4，5所示。導(dǎo)梁為受彎構(gòu)件，因此在左右兩側(cè)導(dǎo)梁的上下翼緣各設(shè)置1個(gè)應(yīng)變傳感器，共4個(gè)應(yīng)變傳感器，編號(hào)為YA-1～YA-4，在臨時(shí)支撐ZC1支座上方左右各設(shè)置1個(gè)應(yīng)變傳感器，共2個(gè)應(yīng)變傳感器YB-1和YB-2。

圖2 頂推施工工況劃分

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

圖4 導(dǎo)梁測(cè)點(diǎn)布置

圖5 支撐ZC1測(cè)點(diǎn)布置

4 數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件Midas Civil對(duì)鋼箱梁頂推施工過程進(jìn)行仿真模擬。支架采用梁?jiǎn)卧撓淞汉蛯?dǎo)梁采用板單元。為簡(jiǎn)化模型，支架與鋼箱梁和導(dǎo)梁分開建模，如圖6，7所示。將鋼箱梁施工模擬過程中的反力值提供給支架模型，可計(jì)算支架施工模擬過程中的受力狀態(tài)。

圖6 鋼箱梁模型

圖7 臨時(shí)支撐ZC1模型

4.2 荷載工況

1）鋼箱梁模型的荷載工況 鋼箱梁和導(dǎo)梁自重，軟件自動(dòng)計(jì)算。

2）支架模型的荷載工況[1]豎向荷載為鋼箱梁和導(dǎo)梁自重；[2]支架自重由軟件自動(dòng)計(jì)算。

由此可得出鋼箱梁和臨時(shí)支撐各種工況應(yīng)力云圖。

5 監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比分析

選取編號(hào)為YA-1、YA-2和YB-1三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)重點(diǎn)分析，YA-1位于導(dǎo)梁根部上翼緣，YA-2位于導(dǎo)梁根部下翼緣，YB-1位于臨時(shí)支撐ZC1下部。監(jiān)測(cè)值在原有編號(hào)基礎(chǔ)上加前綴JC，模擬值在原有基礎(chǔ)上加前綴MN。具體的對(duì)比分析結(jié)果如圖8，9所示，對(duì)比結(jié)果如下。

圖8 導(dǎo)梁測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比

圖9 臨時(shí)支撐ZC1測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比

1）從整體分析看，同一測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值與模擬值數(shù)值曲線吻合，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)較一致。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與Midas施工過程模擬數(shù)據(jù)相互印證，說明監(jiān)測(cè)值較好地反映了結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)，Midas模擬對(duì)施工過程結(jié)構(gòu)受力變化提供了有效理論依據(jù)。

2）從單個(gè)施工步的測(cè)點(diǎn)值分析來看，顯然監(jiān)測(cè)值的絕對(duì)值小于模擬值的絕對(duì)值。原因如下：[1]鋼結(jié)構(gòu)零應(yīng)力σ0無法由監(jiān)測(cè)可知，因此從施工過程中監(jiān)測(cè)的數(shù)值為應(yīng)力的變化值Δσ；[2]結(jié)構(gòu)邊界條件現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)與理論狀態(tài)不一致，實(shí)際施工過程中鋼箱梁有側(cè)向限位約束，局部使用千斤頂頂升糾偏。

6 結(jié)語

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)施工越來越普遍，因此采用有效措施保障施工過程的質(zhì)量和安全尤為重要。本文以橋梁工程中鋼箱梁的頂推施工為例，運(yùn)用監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)值分析方法，對(duì)比分析鋼箱梁頂推過程中的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，可得如下結(jié)論與展望。

1）監(jiān)測(cè)值與模擬值變化趨勢(shì)一致，說明兩種方法對(duì)比分析可有效反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，為保障結(jié)構(gòu)安全施工提供了理論依據(jù)。

2）如何有效監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的零應(yīng)力狀態(tài)將是下一步需研究的內(nèi)容。

3）數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性是指導(dǎo)施工順序的關(guān)鍵，以工程實(shí)際情況細(xì)化理論模型，將更準(zhǔn)確地反映施工過程中結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。