承臺(tái)施工監(jiān)測(cè)與有限元模擬

劉 燕，向 高，彭 馳

承臺(tái)是橋梁的重要傳力結(jié)構(gòu)，通過承臺(tái)將上部柱的荷載傳遞到下方的樁基礎(chǔ)，并向樁基礎(chǔ)均勻分配荷載，使得樁的受力均衡。承臺(tái)施工質(zhì)量的好壞，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的安全，因此需要高度重視。為了保證施工質(zhì)量，在施工過程中，會(huì)采用一些監(jiān)測(cè)手段，包括樁基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)、圍堰應(yīng)力監(jiān)測(cè)、混凝土溫度監(jiān)測(cè)等。

1 承臺(tái)施工中的監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 承臺(tái)樁基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)

樁基的常見缺陷問題有：夾泥、斷裂、縮頸、混凝土密實(shí)性差等；隨著無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，承臺(tái)樁基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)的超聲波透射法、應(yīng)力波反射法、高應(yīng)變動(dòng)力實(shí)驗(yàn)等，已逐漸成為施工質(zhì)量控制不可或缺的手段。文獻(xiàn)[1]在一維桿波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合小波變換，對(duì)樁基完整性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

該監(jiān)測(cè)的原理是，由于缺陷區(qū)的干擾，缺陷面形成波阻抗界面，會(huì)使檢測(cè)波形發(fā)生畸變，利用信號(hào)分析方法，能夠監(jiān)測(cè)判定樁基礎(chǔ)混凝土的均勻性、定位樁身缺陷的位置、判斷樁基的完整性。

1.2 圍堰施工監(jiān)測(cè)

通過對(duì)圍堰的受力狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)、及支撐內(nèi)的位移監(jiān)測(cè)，以確保圍堰施工的安全性。監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇變形幅值大的部位，監(jiān)測(cè)內(nèi)容如圖1，包括每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移量和沉降量，繪制位移量、沉降量的時(shí)間關(guān)系曲線，出現(xiàn)異常，馬上匯報(bào)。

1.3 混凝土溫度監(jiān)測(cè)

根據(jù)GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范，在混凝土施工過程中，要預(yù)防溫度原因造成混凝土裂紋的產(chǎn)生，需要采用冷卻循環(huán)水的方式降溫，并在混凝土的養(yǎng)護(hù)過程中，對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的內(nèi)容如圖2，數(shù)據(jù)包括混凝土的表面溫度和環(huán)境溫度、濕度以及風(fēng)速等，監(jiān)測(cè)布控如圖3[2]所示。

圖1 圍堰監(jiān)測(cè)內(nèi)容

圖2 溫度監(jiān)測(cè)內(nèi)容

圖3 測(cè)溫點(diǎn)布置示意圖

2 承臺(tái)施工中的有限元模擬

有限元模擬可以將復(fù)雜的力學(xué)模型，通過細(xì)化分為若干單元，利用規(guī)則進(jìn)行單元的求解，從而得到復(fù)雜模型的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。承臺(tái)施工中，對(duì)于鋼筋混凝土這樣復(fù)雜本構(gòu)模型的構(gòu)件，通過有限元方法模擬完成其應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的計(jì)算，研究受力狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)，從而為施工工藝的選擇，提供依據(jù)。

Ansys與midas是這一領(lǐng)域常用的模擬軟件。文獻(xiàn)[1]采用ANSYS-DYNA軟件，對(duì)橋墩和樁基進(jìn)行檢測(cè)模擬，讀取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度曲線，并進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[3]采用Ansys對(duì)承臺(tái)建模，從而對(duì)大體積混凝土施工過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬；文獻(xiàn)[4]采用midas模擬承臺(tái)施工過程，特別是對(duì)溫度應(yīng)力的分布情況以及混凝土的水化熱傳播過程進(jìn)行模擬，得到溫度分布云圖，從而輔助優(yōu)化混凝土的配合比以及冷卻水管的布置；文獻(xiàn)[5]對(duì)鋼筋混凝土和裂紋的有限元模擬，按照裂紋深入構(gòu)件內(nèi)部的程度不同，將裂紋分為表面細(xì)小裂紋、中等裂紋和貫穿裂紋，采用降低材料的剛度和強(qiáng)度來模擬裂紋的擴(kuò)展，并用三維混凝土單元模擬2m內(nèi)的樁，用梁?jiǎn)卧M2m以上的樁；模擬所用的鋼筋混凝土參數(shù)見表1。

作為成熟的支護(hù)技術(shù)，模板式鋼套箱主要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)在于側(cè)模和底模的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)理論方面進(jìn)行了深入地研究，其中重要的方法和手段就是利用有限元方法研究支護(hù)基礎(chǔ)的三維整體仿真模型，研究結(jié)構(gòu)在各種工況下的受力，進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。文獻(xiàn)[6]采用Ansys中的Beam188、Shell63單元模擬鋼套箱圍堰，針對(duì)圍堰內(nèi)部抽水后，從第一層支撐焊接完畢到第六層支撐焊接完畢的六種工況，模擬監(jiān)測(cè)了圍堰的受力和變形情況。文獻(xiàn)[7]通過midas程序建模的鋼套箱模型和靜水壓力荷載圖如圖4、圖5。

3 結(jié)語

將承臺(tái)施工監(jiān)測(cè)與有限元模擬相結(jié)合，通過有限元模擬指導(dǎo)具體施工過程中應(yīng)采取的相應(yīng)措施，同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也能對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，二者的有機(jī)結(jié)合，是保證承臺(tái)施工質(zhì)量的有效方法。

圖4 鋼套箱模型

圖5 靜水壓力荷載圖

表1 鋼筋混凝土有限元模擬參數(shù)表