龍浦大橋施工過程仿真模擬與監(jiān)控分析

吳文錦，許濤

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門361021）

1 引言

目前，大跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)與整個橋梁施工過程的相關(guān)性非常強(qiáng)，特別是施工工藝、施工方法、混凝土的質(zhì)量、施工澆筑的先后順序、現(xiàn)場的環(huán)境溫度、立模時的監(jiān)控指令以及所采用的掛籃構(gòu)造體系等都會直接或間接地影響成橋結(jié)構(gòu)體系在成橋階段的線形和受力情況，而實(shí)際施工中的參數(shù)實(shí)際值與設(shè)計(jì)的參數(shù)理想取值之間的差異是客觀存在的。因此，為了進(jìn)一步確保大跨度連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)體系在成橋以后能夠順利地通車運(yùn)營，十分有必要在橋梁的施工過程中建立與橋梁結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)相對應(yīng)的各種環(huán)境及邊界條件。鑒于大跨度連續(xù)梁橋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程的高度相關(guān)性，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)體系在施工過程中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系發(fā)生不斷變換時，主梁懸臂澆筑的過程中，主梁結(jié)構(gòu)的受力情況和位移變化較大，影響的因素也較多，從而使得實(shí)際的橋梁工程在各個施工階段的臨時狀態(tài)難以與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)保持一致。

總的來說，導(dǎo)致橋梁工程的實(shí)際成橋狀態(tài)與原設(shè)計(jì)理想狀態(tài)不一致的主要原因包括[1]：（1）橋梁工程的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)有可能不完全一樣；（2）實(shí)際工程環(huán)境的影響，如施工現(xiàn)場的溫度和濕度條件、采用的掛籃自重等；（3）橋梁在施工過程因施工水平與施工工藝所產(chǎn)生誤差的影響；（4）橋梁施工過程中的實(shí)際受力狀態(tài)與簡化的理論計(jì)算模型之間的誤差影響；（5）施工量測誤差所產(chǎn)生的影響。在實(shí)際施工過程中，以上主要因子的影響在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段難以完全考慮到，如果在施工過程中不能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行有效控制，逐步積累的誤差可能會導(dǎo)致成橋后橋梁工程的整體受力及主梁線形與初始設(shè)計(jì)目標(biāo)發(fā)生嚴(yán)重偏離，從而可能會影響橋梁工程的服役可靠性[2]。

本項(xiàng)目以華安縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)龍浦大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為具體的控制對象，對其施工過程中結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制。通過橋梁結(jié)構(gòu)懸臂澆筑施工過程中實(shí)測的數(shù)據(jù)反饋，在施工過程中逐步做到把握當(dāng)前、避免施工誤差，保證橋梁的施工和使用安全，并盡可能地縮短施工的有效工期和節(jié)省項(xiàng)目的投資。同時，還能夠?yàn)楸緲蛄汗こ痰恼＿\(yùn)營和長期健康監(jiān)測提供可靠的依據(jù)。

2 工程概況

龍浦（龍徑）大橋及連接線工程項(xiàng)目位于福建省華安縣豐山鎮(zhèn)龍徑村，在廈蓉高速九龍江大橋以東約300m 處，路線起點(diǎn)位于華安縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)南北大道二期的終點(diǎn)（K0+830），沿線分別與龍南路、規(guī)劃路相交，于K1+525 位置新建龍浦（龍徑）大橋（以下簡稱“龍浦大橋”）跨越江濱路和九龍江北溪，終點(diǎn)接于規(guī)劃中的國省干線聯(lián)六線（K1+840）。龍浦大橋橋梁全長427m，橋型布置為3×30m+4×30m+40m+70m+40m+2×30m，橋梁采用分幅設(shè)計(jì)，左幅與右幅橋梁間距0.5m，單幅橋面寬16m。引橋上部采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)30m T 梁，下部橋墩采用雙柱式墩配樁基礎(chǔ)，橋臺采用肋板式橋臺，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基均為端承樁；主橋上部結(jié)構(gòu)采用40m+70m+40m 單箱雙室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，設(shè)縱豎雙向預(yù)應(yīng)力體系，主橋下部結(jié)構(gòu)橋墩采用矩形實(shí)體薄壁墩，承臺為高樁承臺，群樁基礎(chǔ)，樁基均為端承樁。樁基采用C30 水下混凝土，圓柱墩、系梁、承臺采用C35 混凝土，薄壁墩、蓋梁、臺帽采用C40 混凝土，T 梁、箱梁主梁采用C50 混凝土，橋面鋪裝采用C50 防水混凝土加雙層瀝青混凝土。主橋?yàn)?0m+70m+40m 的3 跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。

3 橋梁有限元建模與施工過程仿真分析

3.1 橋梁有限元建模

在橋梁的有限元建模中，需要對橋梁結(jié)構(gòu)的剛度特性、質(zhì)量參數(shù)和邊界條件等進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的模擬，這也是后面進(jìn)行施工階段仿真模擬和受力分析的基礎(chǔ)，在建模過程中應(yīng)盡量保證以上3 個方面的情況與工程實(shí)際情況相一致[3]。主梁采用彈性梁單元直接進(jìn)行模擬，樁基采用規(guī)范中的MIDAS 法來考慮樁-土的相互作用，樁底則采用完全固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式。本文按照有利于計(jì)算和保證計(jì)算準(zhǔn)確性的原則以及按實(shí)際施工過程要求來劃分單元節(jié)段長度，采用MIDAS CIVIL 程序進(jìn)行有限元建模，全橋共123 個節(jié)點(diǎn)，95 個單元，其中主梁單元54 個。

3.2 施工過程仿真模擬

根據(jù)龍浦大橋的設(shè)計(jì)施工圖紙和相應(yīng)的施工組織實(shí)施方案，擬采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工工藝進(jìn)行施工，其中，主橋變截面連續(xù)箱梁懸澆施工的主要程序如下：（1）安裝托架澆筑0 號梁段；（2）安裝8 號、9 號主橋墩掛籃，對稱懸臂澆筑1 號～8 號梁段；（3）搭設(shè)邊跨支架澆筑邊跨現(xiàn)澆段；（4）該跨合龍前拆除該跨合龍跨的掛籃；（5）合龍邊跨，拆除邊跨支架；（6）合龍中跨，拆除中跨吊架。采用MIDAS CIVIL（邁達(dá)斯）程序?qū)σ陨瞎ば蜻M(jìn)行有限元仿真模擬，其中，掛籃質(zhì)量采用集中荷載進(jìn)行模擬，現(xiàn)澆階段梁段的質(zhì)量也采用荷載進(jìn)行模擬，混凝土養(yǎng)護(hù)完成并張拉預(yù)應(yīng)力以后梁段才參與結(jié)構(gòu)受力，此時，采用激活相應(yīng)梁段單元的形式來實(shí)現(xiàn)。

3.3 成橋階段理論計(jì)算

根據(jù)前面建立的橋梁有限元模型及相應(yīng)的施工過程，對橋梁施工過程進(jìn)行仿真模擬和計(jì)算，在混凝土主梁的施工階段分析中可以根據(jù)施工實(shí)際情況來假定結(jié)構(gòu)成形時的材齡，并通過迭代計(jì)算來考慮不同梁段混凝土收縮/徐變等時變效應(yīng)的影響，最終得到主梁在成橋階段的應(yīng)力和變形情況。通過合理的施工階段劃分，理論情況下主梁上下緣在成橋狀態(tài)下都處于受壓狀態(tài)，而且壓應(yīng)力的安全儲備充足。此外，由于橋梁的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)明顯，成橋階段主梁的跨中最大豎向位移僅為13.39mm，而邊跨則還有向上翹的趨勢，且最大變形為25.6mm。主梁結(jié)構(gòu)的以上變形特點(diǎn)有必要在施工控制中予以考慮。

4 施工監(jiān)控與理論值對比分析

根據(jù)主梁澆筑過程中各節(jié)段施工過程監(jiān)控實(shí)測數(shù)據(jù)，以及MIDAS CIVIL 計(jì)算得到的理論分析數(shù)據(jù)，可以得到施工過程中主梁現(xiàn)澆模板立模標(biāo)高的理論值與施工中模板立模標(biāo)高的實(shí)測值的對比情況。在各梁段懸臂現(xiàn)澆施工的過程中，計(jì)算理論值與實(shí)際測量值的高程最大偏差僅僅為5mm，以上數(shù)據(jù)均是在穩(wěn)定的溫度場下測定。由此可見，龍浦大橋的施工安裝誤差均在監(jiān)控控制允許的范圍內(nèi)，符合控制精度和設(shè)計(jì)要求。

除此以外，還可以得到主梁上、下緣應(yīng)力實(shí)測值和理論值比較情況，如圖1 所示。由圖1 中的對比數(shù)據(jù)可以看出，施工過程中的實(shí)測值與理論值十分接近，而且大多數(shù)實(shí)測值均略小于理論值，表明橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制精度滿足要求。

同時，由圖1 還可以發(fā)現(xiàn)，主梁的上、下緣對應(yīng)的應(yīng)力都是負(fù)值，表明主梁各截面均有較強(qiáng)的壓應(yīng)力儲備，可以滿足運(yùn)營狀態(tài)的要求，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的使用在安全范圍以內(nèi)。

圖1 施工過程主梁應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果對比分析

5 結(jié)語

本文基于龍浦大橋的施工方案，采用有限元分析軟件對其橋梁施工全過程進(jìn)行仿真模擬，并基于現(xiàn)場監(jiān)控測試的數(shù)據(jù)，對施工過程中以及成橋狀態(tài)下的主梁線形和受力情況進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，龍浦大橋主梁線形控制在合理范圍內(nèi)，符合控制精度和設(shè)計(jì)要求，橋梁的應(yīng)力控制精度也滿足要求。此外，主梁各截面均有較強(qiáng)的壓應(yīng)力儲備，可滿足運(yùn)營狀態(tài)的要求。