三維信息建模在練江1號橋施工中的應用

王一漢

摘要：文章結合練江1號橋梁施工實例，通過應用有限元等軟件，針對施工期間的具體情況建立完善的三維信息模型，對施工期間的應力、撓度等重要參數進行模擬，并以此對施工工作提供指導。研究發現：將整個施工周期劃分為19個不同的階段，在承載力以及正常使用極限狀態下，均能夠滿足規范條款與行業標準的要求;具體施工期間通過控制主梁、接頭以及0#塊等重要位置的施工技術與工藝，能夠全面提高整個橋梁工程的施工質量。

關鍵詞：橋梁工程;三維信息建模;施工應用;有限元軟件

中國分類號：U445文獻標識碼：A

0 引言

橋梁事業的迅猛發展，極大地加快了國內經濟社會的發展速度與進程。雖然前人在橋梁設計與施工領域中做出了深入的研究，但是在實際工程與軟件應用的結合方面存在一定的問題。因此，當前在開展橋梁工程的設計、施工中，要加強對信息化軟件的應用，不斷提高設計工作的合理性，對施工方案進行有效的優化。

1 工程概況

在本工程中，擬建大橋為練江1號橋，其中心樁號是K62+793，起迄里程樁號是K62+327.5～K63+258.5，于前溪船閘上游約2 km處跨越練江。經過專家論證與比選后，最終決定主橋使用（37.5+68+68+37.5） m連續剛構橋形式。具體施工期間，主要使用的是掛籃懸臂澆筑工藝與技術。另外，對于主橋箱梁結構而言，施工時使用的是預應力混凝土箱梁結構。其中，單箱單室截面的頂部寬度設計為12.5 m，單箱的底部寬度設計為6.2 m。在主墩位置處，將截面的高度設定為4.2 m，跨中的高度達到了2 m。圖1是主橋橋型布置圖。

2.1 計算模型

2.1.1 結構計算有限元模型

在進行三維模型的建立環節中，主要應用的是有限元軟件Midas Civil 2013等先進的專業軟件。通過建立分析模型，可以發現在本工程中，全橋共設置了613個節點，由574個單元共同組成。圖2是利用軟件建立起來的全橋整體模型圖。

2.1.2 施工階段的劃分

根據本工程的實際狀況，并綜合施工期間的各項影響因素，將整個施工過程劃分為19個不同的施工階段：

（1）在第一施工階段中，主要開展下部結構的施工。

（2）在第二施工階段中，主要進行墩頂0#塊的澆筑工作，施工期間要對混凝土質量以及振搗工作進行嚴格的控制。

（3）在第3～10施工階段中，主要開展上掛籃以及塊件1到塊件8的懸澆工作。

（4）當工程進入到第11～14施工階段時，主要進行邊跨滿堂支架施工以及上邊跨合龍吊架施工，并完成合龍壓重。之后，還要做好邊跨合龍、邊跨滿堂支架的拆除以及上中跨吊架的合龍、壓重等工作。對于中跨合龍段而言，其預頂力應控制在2 500 kN左右。

（5）當工程進入到第17～19施工階段時，工程已經接近尾聲，主要進行的是中跨合龍等工作。

2.2 計算內容

2.2.1 承載能力極限狀態驗算結果

圖3為正截面抗彎承載能力驗算結果曲線。從圖中信息能夠看出，該構件的承載力設計值能夠達到規范規定的承載要求。

圖4所驗算的是斜截面抗剪承載力。通過圖中信息能夠看出，該結構的斜截面抗剪承載能力可以達到規范規定的承載要求。

2.2.2 正常使用極限狀態抗裂驗算結果

（1）通過有限元軟件建立三維信息模型，并對其進行模擬之后，發現梁端局部單元應力存在失真問題。但是，在進行主梁正截面抗裂性能的驗算過程中，發現全預應力構件能夠滿足性能方面的具體要求。（2）對于梁端單元的驗算發現，正截面的抗裂性能可以滿足A類預應力構件的相關要求。（3）借助于有限元等軟件進行模擬之后，得出了主梁最大主拉應力的具體計算值：0.47 MPa<0.4 ftk=1.1 MPa，從這一數值能夠看出結構可以滿足應力要求。圖5所展示的是斜截面抗裂驗算狀況。

2.2.3 持久狀況應力驗算結果

（1）在進行正截面壓應力驗算時，通過建模能夠看出，在主梁截面的上緣位置處，受壓區混凝土受到的壓應力是最大的，通過計算結果16.3 MPa<0.5 fck=17.75 MPa可以看出，應力狀況可以滿足設計要求。（2）在進行斜截面主壓應力的具體驗算工作時，計算結果為16.3 MPa<0.6 fck=21.3 MPa，因此對于主梁來說也能滿足應力方面的要求。

2.2.4 正常使用極限狀態下的主梁撓度驗算

借助于所建立的三維信息模型，在進行長期撓度（主要由自身重力產生）的消除之后，該橋梁工程的主梁結構產生的最大撓度是4÷0.95×1.412 5=6 mm

2.2.5 預應力鋼筋最大拉應力的驗算分析

在結構的受拉區域內，鋼筋的拉應力驗算結果如表1所示。

通過計算可得：σpe+σp=1 193 MPa≤0.65 fpk=1 209.00 MPa，表明最大拉應力值能夠滿足規范的要求。

2.3 施工期間應力驗算結果的分析

在本次的模型建立過程中，對于短暫狀況構件應力驗算結果如圖7所示。通過分析表明，因為σtcc=13.89 MPa≤0.70 f′ck=19.88 MPa，所以能夠滿足規范的要求。

2.4 支座反力計算結果的分析

本橋過渡墩支座在各工況下的反力狀況如表2所示。

由表2能夠看出，過渡墩采用抗拉抗震球形支座，垂直承載力為5 000 kN，滿足要求。

2.5 施工注意事項與三維信息建模的具體應用

2.5.1 預制梁施工

在本次的設計與建模期間，對于預制小箱梁以及T梁的使用，均采用通用設計圖。預制梁具體施工期間，需要注意以下幾點問題：（1）由于預制工作完成后需要經過堆放、運輸以及安裝等眾多環節，因此應該根據梁片的架設順序以及具體孔號等做好編號與管理工作;（2）為避免施工前混凝土發生收縮裂縫或者是邊棱破損等一系列問題，需做好相關的養護工作;（3）具體施工期間要做好上部構造預埋件的施工與埋設，確保后續施工的順利開展;（4）預制梁架設應根據工期安排，控制好每一聯的安裝時間，每一聯各孔宜連續架設，不宜出現間斷架設等問題。

2.5.2 主橋箱梁施工

本工程中主橋箱梁橋采用的是懸臂澆筑預應力混凝土連續剛構梁橋，施工過程中應進行專項施工控制。（1）圖紙中提供的設計施工步驟為基本工序要求，所有梁段施工均應按照該步驟進行，如確有必要進行個別調整，應自行驗算對施工及成橋階段結構的影響，并報設計人員審核。需要注意的是，主橋箱梁上部懸澆施工懸臂較大，應有切實可行的防范臺風的應急措施。結構受力分析表明，主橋箱梁施工中不允許發生掉塊、掉掛籃及掉水箱等導致大的懸臂施工不平衡荷載的情況，特別是在大風、洪水及大懸臂時，應做到萬無一失。（2）應注意采取措施嚴格控制懸臂尺寸及混凝土容重差，以防給后期施工造成不便。此外，主橋箱梁應設置預拱度，依據計算的最大預拱度值擬合成平順的預拱度曲線。成橋主跨跨中預拱度為35 mm，邊跨為14 mm。施工階段立模預抬量由施工監控單位根據現場實際情況進行控制。

2.5.3 0#塊施工

由于本工程中的0#塊混凝土方量相對較大，而且內部的鋼筋較密，因此在開展施工工作時，應重點進行施工質量的把控，以防出現裂縫等問題。（1）在進行0#塊的澆筑期間，要確保做到一次澆筑完成。（2）在具體施工期間，要有效降低水化熱溫的升高現象。這一過程中，可以預先進行相關的混凝土配合比試驗，以確定出最佳的配合比參數。（3）在進行0#塊水泥品種的選擇時，應優選水化熱相對較低的水泥，并且要確保水泥的凝結時間較長，以提高混凝土工程的施工質量。

2.5.4 預應力管道施工

（1）在開展預應力管道的施工時，首先要控制好管材的質量，并根據工程實際需求選擇管材的種類。（2）具體施工期間，要確保管道軸線與墊板保持高度的垂直，以防對后期施工產生不利影響。（3）參考規范要求，應適當截取2～3 m長的波紋管，并嚴格做好相關的漏水檢查，以提高波紋管的密封性。

2.5.5 下部結構

（1）施工前應做好放樣工作，在這一過程中要對設計文件中的重點樁號、坐標進行復核，并對不同控制點的高程狀況進行檢查與復核，嚴格做好凈空要求的復查。（2）具體檢查工作中，一旦發現計算結果和設計圖中的相關數據不一致，要與設計單位及時進行溝通并做好復查等工作。（3）由于本標段設計階段鉆孔資料較少，施工樁基前應對沒有地質資料的樁位進行補鉆。

2.5.6 主橋鋼管復合樁的制造與施工分析

（1）對于鋼管的制造而言，樁基主要使用的鋼管鋼材是Q345c號鋼，這也是經過多方考慮之后最終確定下來的。工程所用鋼材應確保滿足設計要求，同時還應要求供應商或生產商提供相應的出廠合格證以及檢驗報告等重要證明。在進行鋼管的制作、焊接以及后期的拼裝、接長等工作時，要嚴格按樁基規范開展。（2）鋼管樁制作檢驗合格后將其吊運至防腐涂裝車間進行內外表面防腐。外防腐完成后直接進行內防腐，涂裝前應采取措施保護預留吊耳安裝位置。吊耳采用提前預制、整體安裝的方法進行。吊耳安裝在鋼管樁防腐完成后進行。設計文件中吊耳形狀尺寸和位置可供參考，施工單位可根據鋼管吊裝、運輸和打樁工藝確定吊耳的形狀、尺寸和吊點的位置，實施前需征得設計單位許可。（3）防腐涂裝后用砂輪機磨出吊耳安裝位置，吊耳焊接完成后，對需要補涂的部位打磨清除鐵銹后補涂，再進行液體環氧防腐涂裝。（4）為便于鋼管插打施工時測量觀察其下沉情況，需在鋼管上標注刻度標線。刻度標線對稱布置在鋼管的兩側，與兩組吊耳面垂直，標線刻度顏色需與鋼管的外表面顏色對比鮮明，便于觀測讀數。根據施工要求，鋼管的上端9 m按0.1 m間距刻度，9 m以下按1 m間距刻度。

在進行鋼管樁現場施工時，主要采用平臺打樁船進行沉樁施工。具體施工時，要確保鋼管打到設計高程。鋼管下沉應選擇平潮或流速較小的時段，確保鋼管在水流作用下的穩定性。鋼管的插打宜在施工平臺完全形成后進行，若使鋼管與平臺鋼管樁共同形成施工平臺，則必須保證鋼管定位準確、受力牢靠。需要注意的是，鋼管水上接長不宜超過一次。此外，鋼管宜按照以道路中心線向四周對稱施工的順序進行插打，也可根據施工需要合理安排插打順序和分區。鋼管插打順序和分區安排應考慮減小鋼管之間的相互影響和盡量減小施工過程引起的沖刷。另外，應設置臨時護筒段，施工中應根據潮汐水位確定鋼管頂部高程，應至少高于施工期間最高水位2.0 m以上。鋼管上部的板條段，其具體切割位置應根據便于承臺底部主筋通過來確定，必要時可對承臺主筋進行微調。伸入承臺的鋼管及板條表面應進行精細的清理，不得有泥沙、油污。具體施工時，鋼管的切割應分次進行，按設計圖紙形式切割。在進行吊放鋼筋籠前，需要在鉆頭處安裝鋼刷，利用鉆錐對鋼管內壁進行全面反復的清掃，以清除附著在鋼管內壁上的泥沙。

2.5.7 主橋承臺施工

（1）承臺套箱采用雙壁鋼箱結構，分段制作，現場拼裝就位。施工單位應根據套箱設計和施工實際工況，對封底混凝土的強度進行驗算。（2）在開展封底混凝土澆筑時，應采取有效措施確保其強度、密實度、整體性和水密性。建議在整個承臺范圍內一次澆筑完成。（3）承臺混凝土在平面內盡量整體連續澆筑，若施工能力有限，也可劃分為2個部分進行施工。在厚度方面，承臺分2層澆筑，每層層厚1.5 m，應保證層間的可靠連接，要求前后兩次澆筑分界面鑿毛，沖洗干凈，沒有油污，嚴格滿足施工規范要求。（4）由于承臺底部鋼筋網較密，并與樁身錨固鋼筋交錯布置，因而不同種類的鋼筋位置難免會發生沖突，在這一過程中可采用調整樁身錨固鋼筋位置的方式進行處理。（5）本橋承臺鋼筋布置較為復雜，鑒于現場的實際情況，可以采用勁性骨架作為鋼筋精確定位的手段。對復雜結構部位，應進行專門的施工工藝設計。

2.5.8 引橋下構施工

（1）基礎施工時應本著“先已知，后未知”的原則，從有鉆孔資料的樁位先行施工，對于巖層變化比較大、巖層性質難以判斷的樁位，需進行補鉆地質鉆孔，待確定巖層性質后再施工附近樁基。在進行系梁頂高程確定時，應遵循以下原則：系梁采用樁頂系梁，頂面標高定位于地面線之下約20～50 cm處;樁頂系梁高程可根據實際情況作相應調整。（2）施工期間應對樁基施工過程進行監控，依據要求按實際地質情況調整樁基終孔高程，并相應調整鋼筋籠。橋型圖中地質縱斷面圖僅反映橋位處地質的總體分布情況，樁位處的詳細地質情況應以對應鉆孔的地質描述為準。對巖面傾角>30°的基礎樁基，在施工中如發現特別情況應及時與業主、監理聯系，要特別注意樁基的垂直度。（3）樁基終孔時，如有參考地質鉆孔，且樁底基巖標高及巖性與原鉆孔資料相符，則按設計孔底標高終孔;對樁底巖面傾斜的樁基礎，樁基嵌巖深度為樁基礎邊緣最小入巖深度。本工程中，由于部分路段橋位區存在著孤石揭露的問題，因而施工期間不能把孤石當作樁端的持力層，而是應穿透孤石，將樁端落在底部完整的基巖上。在出現孤石或巖面傾斜較大的情況，而又無法滿足嵌巖要求或承載能力的要求時，要求施工單位采用沖擊鉆施工。

2.5.9 其他注意事項

（1）主墩承臺部分出露河床，可能引起橋位局部河床沖刷加強的問題。因此，要求對主河槽內橋墩周邊5 m范圍拋石籠防護，拋石厚度≥2 m，拋石粒徑≥0.3 m。拋石前先清除垃圾及河堤淤泥，拋石面應不高于清淤后的河床面高程，以減小橋梁建設引起的河道沖刷。（2）在橋梁基礎施工前應對橋位附近堤防岸坡采取防護措施，可以對水流的沖刷破壞與影響進行有效的消解，同時顯著提高堤防的安全效果。具體施工時，可以對橋位左岸上游七里港水閘至下游80 m、右岸上游50 m至下游80 m范圍內兩岸堤防迎水坡采用生態混凝土護坡。橋墩基礎施工結束后，對橋位左右岸上下游各80 m堤腳外10 m范圍增加拋石防護，拋石上覆蓋一層模袋混凝土。拋石前先清除表層垃圾。需要注意的是，拋石厚度應≥2 m，粒徑要控制在0.3 m以上。

3 結語

Midas Civil等軟件的廣泛應用，為橋梁工程的設計、施工提供了重要便利，其模擬功能還可以為施工提供引導，并及時發現施工期間可能存在的危險。因此，當前應加強對三維信息建模技術與軟件的工程應用。

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