基于數值模擬控制的貴州省某系桿拱橋施工監控分析

李凡 厲佩佩

摘 要：系桿拱橋施工監控量測不僅能夠保證整個施工過程按照設計意圖成橋，還能減小施工過程中的安全風險，最大限度控制施工線形質量，優化結構內力狀態。本文采用數值模擬方法對貴州省某系桿拱橋進行控制分析，根據分析結果對拱橋線形、拱肋應力（應變）和吊桿索力進行監控量測和設計優化，最終使橋梁結構內力和各項變形值符合設計要求，施工控制工作達到預期目的。研究方法和成果可供類似工程借鑒和參考。

關鍵詞：系桿拱橋;監控量測;變形;施工控制

中圖分類號：U445? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）08-0113-02

系桿拱橋作為一種梁拱組合體系，充分發揮了梁橋橋下凈空大、對基礎要求低和拱橋跨越能力強的特點。但是系桿拱橋內部為高次超靜定結構，施工過程內力狀態復雜多變，施工環境因素等在設計過程中也不可能完全考慮到，需要通過監測手段采集結構變形和內力信息，反饋到理論計算模型，并實時調整施工參數，指導現場施工，優化橋梁設計。數值模擬方法能夠模擬結構在各個施工階段的內力情況，可對施工階段的額應力進行有效控制。通過查看結構變形，采用倒裝分析方法可以計算每一階段或每一施工過程的立模標高。在施工過程中，監控量測還可以及時糾正可能出現的施工偏差，防治因偏差累積過大而導致工程返工。通過數值模擬的計算結果指導系桿拱橋現場施工已經成為一種常用的、有效的施工監控量測方法。

1 研究工程概況

研究對象主跨為1～110m下承式系桿拱橋，系梁采用鋼箱梁，鋼箱梁翼緣板寬度為16.5m。拱肋采用箱型截面，拱軸線為二次拋物線。主跨計算跨徑為110m，矢高f=22m，矢跨比f/L=0.2。系桿采用扁平流線形栓焊鋼箱梁，箱梁寬8.5m，梁高1.24～1.30m。拱橋上下各設置一排吊桿，吊桿縱橋向間距均為4m，吊桿強度等級為1670MPa。橋梁設計荷載：城—A級，人群—3.5kN/m2。橋梁施工方法采用工廠預制，現場吊裝焊接。如圖1所示。

2 數值模擬計算

2.1 建立施工階段模型

本橋采用Midas Civil有限元軟件建立有限元分析模型（如圖2所示）。根據設計資料，模型中鋼材的抗壓彈性模量取用2.1×105MPa，剪切彈性模量取用8.1× 103MPa，鋼材的線膨脹系數取用1.1×10-5，鋼材容重按照78.5kN/m3考慮，吊桿采用防腐拉索，外部環氧噴涂，內部鋼絲彈性模量1.90×105MPa。模型中拱肋、縱梁、橫梁均采用兩單元來模擬，吊桿采用只受拉的桁架單元來模擬。

2.2 施工階段分析

數值模擬施工過程可以劃分為以下施工階段：

（1）第1施工階段在支架上焊接鋼箱梁，加橫隔板荷載，焊接端橫梁。

（2）第2施工階段在鋼箱梁上搭設支墩拼裝拱肋，加拱肋之間橫向風撐。

（3）第3施工階段在支架上安裝吊桿，加吊桿端頭荷載，并拆除拱肋支墩。

（4）第4～16施工階段為第一次索力張拉，縱向橫向依次對稱張拉吊桿。

（5）第17～29施工階段拆除支架，第二次索力調整。

（6）第30施工階段施工橋面二期恒載。

按照設計方案及施工組織設計所確定的施工工序，綜合考慮各種設計參數，對施工過程進行詳細地施工階段分析，正裝計算得到各施工狀態下的結構應力（應變）和變形等控制數據，與設計相互校對確認無誤后可作為系桿拱橋施工監控的理論控制指標。為了確保大橋的安全性，還有必要對大橋端橫梁、拱肋與縱梁連接部位、吊桿與拱肋連接部位以及鋼箱梁翼緣板等進行局部應力分析。

3 施工監控分析

施工監控測量伴隨施工全部過程，由于現場環境復雜與設計理想狀態可能存在不一致以及施工的誤差，橋梁施工各階段控制參數與理想狀態計算值會有差異，施工過程中要對這些參數進行識別。在關鍵施工工序關鍵截面處通過對影響結構安全性和穩定性的變量（線形、應力、內力等）實測值與理論值的比較，識別參數偏差，分析偏差原因，并進行調整。對于比較重要的設計參數偏差，應及時提供給各參建單位，提請是否組織專家論證并修改設計參數。對于一般的參數偏差，監控單位可通過軟件計算優化進行調整。本橋主要施工監控內容包括：橋面鋼箱梁架設高程控制分析、拱肋拼裝線形控制分析、拱肋合攏應力（應變）控制分析、吊桿張拉索力[3]控制分析、成橋狀態應力（應變）和線形控制分析。

通過有線元數值模擬計算和現場施工監控量測，對比理論控制數據和實測數據，成橋后鋼箱梁實測高程與理論高程的最大差值為25mm，拱肋實測高程與理論高程的最大差值為12mm，軸線偏位最大值為5mm，符合設計要求。

對跨中部分吊桿索力進行抽檢，實測索力與理論索力的最大偏差為15.6%，考慮儀器測試誤差和人為因素影響，評定成橋后的吊桿索力基本滿足設計要求。

4 結論

通過對系桿拱橋施工過程中和成橋后采集到的各種數據進行處理，并與設計的數據做了對比，該系桿拱橋實測應力結果、高程和撓度數據大部分小于理論計算值，極少數吊桿索力值略超過了理論控制值，但超出的比例較小，在可控范圍之內，吊桿成橋索力基本滿足設計要求。橋梁在施工過程中鋼箱梁和拱肋變形穩定，應力數據合理，證明整個監控過程安全、有效、可控。通過開展施工監控量測工作，系桿拱橋施工過程較為順利，理論控制指標與實測數據相互印證，充分說明結構設計的合理性。結構內力和各項變形指標基本滿足設計要求，說明施工質量達到了預期目標。

參考文獻：

[1]李凡.鋼箱系桿拱橋施工監控與仿真分析[D].貴州大學，2015.

[2]曾劍.先簡支后連續梁的結構特性及施工研究[D].重慶交通大學，2007.

[3]黃永輝. 鋼管混凝土拱橋拱肋病害機理與影響分析及吊桿更換技術研究[D].華南理工大學，2010.