鋼桁架橋頂推施工數字化模擬安全預測技術*

喬 凱,韓 磊,郭一鵬,董 超,張 宇,王 露

(中建三局集團有限公司,湖北 武漢 430000)

1 工程概況

206國道徐州段改建項目京杭運河大橋主橋采用1-127.6m簡支鋼桁架橋一孔跨越通航水域,橫向采用2片主桁結構,主桁中心距27.5m,標準節間距10.5m,施工中預留70m京杭運河通航寬度。綜合考慮,該工程施工采用懸臂頂推法分2次頂推完成。如何保證頂推施工過程中的安全是本橋施工面臨的挑戰。

結合施工實踐,通過前進分析法建立施工過程精細化模擬,提取出施工階段中的各種不利工況,在最不利工況出現前,根據模型數據進行工藝試驗模擬不利工況,驗證結構安全性。在施工中,建立應力與線形的監測網絡系統,基于數字化模擬、工藝試驗采集數據及實測數據,對橋梁、材料體系主要參數進行動態識別,修正既有仿真模型,提高預測精度,并重點分析敏感參數對結構施工監控影響的變化規律。通過以上技術手段預測施工中的安全風險,實現施工過程中風險預判。

2 基于BIM技術的鋼桁架頂推施工過程模擬

結合施工工藝流程,采用施工BIM模型對整個施工過程進行推演模擬,在BIM推演過程中根據結構受力體系的轉換,提取21個施工階段工況:①CS1～CS3 第1次拼裝(拼裝E3～E0′節點所有桁架桿件)安裝導梁,鋼導梁懸臂長16m;②CS4～CS8 整體頂推,累計頂推66m,直至導梁上墩;③CS9 第2次拼裝(拼裝剩余桁架桿件);④CS10～CS17 持續頂推,累計頂推129m;主桁最大10個節間處于懸臂狀態;⑤CS18 繼續頂推6m,累計頂推135m,導向導梁全部拆除;⑥CS19 繼續頂推12.2m,累計頂推147.2m,主桁E0′節點到達5號主墩處;⑦CS20～CS21 點動微調后落架,用于桁架橋有限元分析施工階段的劃分。

3 頂推滑移過程鋼桁架受力分析

3.1 計算參數

1)材料參數 京杭運河大橋主桁、橫縱梁構件采用Q370qD,上下平聯、橋門架采用Q345qD。

2)荷載參數 恒荷載主要考慮結構自重,其余荷載按規范選取。

3)計算模型及假定 主桁及導向導梁采用空間桿系單元建立結構縱向計算模型,構件采用鋼材,模型邊界條件與施工過程一致。縱向計算模型如圖1所示。

圖1 京杭運河大橋有限元模型

3.2 施工階段模擬

該工程采用MIDAS Civil軟件對整個施工過程進行模擬分析,該橋在安裝及頂推施工中,結構拼裝、拆除及滑移支座滑出、滑入軌道等階段均造成整個橋梁結構受力體系轉變,根據整個施工過程橋梁結構受力體系變化,將模型分為21個工況進行階段分析。

3.3 計算結果分析

1)CS7階段(最大懸臂階段)節點變形如圖2所示,鋼導梁最大豎向位移211mm。

圖2 CS7階段節點變形云圖(單位:mm)

2)CS15階段單元上緣應力如圖3所示,最大壓應力為-159MPa,最大拉應力為133MPa;下緣應力如圖4所示,最大壓應力為-145MPa,最大拉應力為163MPa。

圖3 CS15階段單元上緣應力云圖(單位:MPa)

圖4 CS15階段單元下緣應力云圖(單位:MPa)

4 施工風險提取及化解

4.1 最大反力工況風險提取及化解

根據整個施工階段模擬分析,在CS15～CS19施工階段,橋體支點反力最大(見圖5)。

圖5 施工階段最大支點反力曲線

1)原因分析 隨著橋體逐步頂推出滑道,橋體重心逐漸向河對岸接收支架移動,在橋體上對岸接收支架前,支撐在頂推支架上最前端的滑移支座支撐反力不斷增大。在橋體支撐于對岸接收支架上后,橋體進行結構體系轉換,頂推支架最前端滑移支座豎向支撐力逐漸減小。

2)風險點提取 分析提取2個風險點:①最大反作用力會使河內頂推支架沉降,可能造成橋體側翻;②最大反力支點可能導致橋體結構發生破壞或失穩。

3)風險點化解 根據施工階段模擬分析,單樁設計極限荷載為1 755kN,現場選取1根試驗樁,采用錨樁法進行抗壓試驗。試樁每級荷載增量按預估極限荷載的1/10確定,第1級荷載為加荷增量的2倍,分9級加荷;卸荷量為加荷量的2倍,共分5級卸荷。單樁抗壓靜載試驗Q-S曲線如圖6所示。

圖6 單樁抗壓靜載試驗Q-S曲線

單樁最大最大加載量為設計極限值的1.2倍,即1 800kN,試驗實測沉降量為18.15mm,最大回彈量為5.89mm,回彈率為32.45%,均小于規范控制要求,且Q-S曲線呈緩變形,未出現徒降點。

根據試驗數據,頂推平臺由于鋼管樁承載力不足,造成頂推支架沉降的風險從理論上已經排除,但在實際施工中,還要對鋼管樁沉降進行密切監控。

4.2 最大應力工況風險提取及化解

根據整個施工階段模擬分析,在CS13～CS18施工階段,橋體結構出現最大應力階段(見圖7)。

圖7 施工階段最大應力曲線

4.2.1原因分析

1)此階段導梁支點受力逐步增加,由于導梁結構與橋體結構剛度差異較大,在導梁與橋體節點處出現應力集中現象。

2)最大應力出現的施工階段與最大支點反力出現的施工階段基本重合,這是由于橋體結構懸挑不斷增大,造成單個支點反力增大,引起此節點相關桿件出現較大應力。

4.2.2風險點提取

1)模擬最大應力雖然未超過結構設計應力,但施工過程中結構不斷運動,且結構受力體系不斷變化,導梁結構與橋體結構連接鋼板可能會屈服或出現焊縫炸裂現象。

2)此階段處于橋體重心脫離北岸頂推支架至橋體支撐于南岸接收支架工況下,橋體中間區域桁架腹桿模擬應力與設計應力較為接近。考慮到京杭運河鋼桁橋頂推施工時間為徐州雨季,雷雨大風等強對流天氣較為頻繁,如在此階段遇到強對流天氣,此區域桁架腹桿可能會在外力作用下受力屈服,造成橋體破壞。

4.2.3風險點化解

1)導梁加載試驗

通過對頂推施工全過程仿真模擬數值化分析,提取出頂推過程中導梁結構最不利工況。對整個頂推結構進行仿真加載工藝試驗,采用液壓千斤頂加載相應工況120%最大支反力(見圖8),靜置20min,觀察桁架節點焊縫及構件是否有較大變形及裂紋,同時采集導梁構件上監測設備數據,并與設計理論數據進行對比分析(見圖9)。

圖8 導梁加載工藝試驗

根據桿件應力分析可知,導梁加載仿真試驗采集的數據與施工階段模擬分析桿件的受力狀況完全一致,實測數值與理論數據雖有偏差,但試驗采集數值整體偏小于施工階段模擬設計數據,實際施工較理論設計較為安全。

根據以上試驗數據,導梁在施工中結構破壞的風險點從理論上已經排除,在施工過程中,節點焊縫未發現肉眼可見裂紋,桿件未發現肉眼可見變形,但在實際施工中,還要對導梁變形及應力進行密切監控。

2)薄弱節點結構加強

進行頂推施工模擬計算時,在CS13～CS18施工階段,為保證橋體在頂推施工階段的結構安全,特對此區域橋體桁架腹桿進行加固。加固桿件截面為φ245×14鋼圓管,材質為Q355B。加固設計如圖10所示。

加固后,采用SAP2000對橋及導梁進行整體建模計算模擬,桁架桿件應力比均<0.8(見圖11),因此,在施工過程中橋體跨中腹桿失穩的風險點從理論上已經排除,但在實際施工中,還要對桁架應力進行密切監控。

圖11 加固后桁架結構應力比云圖

4.3 最大豎向位移工況風險提取及化解

根據整個施工階段模擬分析,在CS7～CS19施工階段,出現較大豎向位移(見圖12)。

圖12 施工階段最大位移曲線

1)原因分析 CS7施工階段為導梁最前端到達接收支架位置,達到最大位移峰值,也是整體結構最大懸挑工況;CS8～CS19豎向位移較大且平穩,這是由于導梁支撐于接收支架,但導梁剛度小,產生較大撓度。

2)風險點提取 CS7工況導梁處于完全懸挑狀態,導梁與桁架連接的上弦桿承受整個施工階段最大拉力工況,導梁與桁架上弦節點焊縫有拉裂風險;在CS8～CS19施工階段,導梁支撐于接收支架后,隨著支撐點不斷變化,導梁桁架受力結構體系也在不斷轉變,桁架構件也在進行拉力桿與壓力桿轉換,結構受力體系復雜,極易發生結構破環。

3)風險點化解 鋼導梁根部與鋼桁架前端為應力集中區域,對其節點進行加強。現場采用30mm厚鋼板對下弦連接焊縫進行加強(見圖13),采用H700×300×13×24雙拼型鋼加強上弦連接焊縫(見圖14,P1～P4為節點補強鋼板,內厚30mm),通過在最不利工況前對不利節點的加固,保證施工過程安全。

圖13 導梁上弦節點加固

圖14 導梁下弦節點加固

5 鋼桁架安裝過程監控量測復核

5.1 位移監測

主桁架變形監測采用全站儀,測出控制點絕對標高,再根據各頂推階段結束時的節點標高,推算頂推施工各節點撓度值。鋼導梁與鋼桁架位移測點布置如圖15所示,兩側測點對稱布置,監測桁架頂推過程的扭轉變形。

圖15 位移監測點布置

5.2 支架沉降監控

對支架(橫向支架及縱向支架)安裝反光貼進行沉降監控。由沉降觀測數據可知,頂推過程中,東西側累計最大沉降量均接近2.5cm,與主桁架在頂推過程中節點相對位移減小的趨勢較為一致。

5.3 應力監測

根據鋼導梁應力監測數據分析可知,在頂推過程中,測點實測應力與理論應力接近(見圖16,17),頂推過程中鋼導梁應力基本處于可控狀態。

圖16 頂推92m時應力對比曲線

圖17 頂推132m時應力對比曲線

5.4 橫向偏位監測

根據主桁架軸線監測數據分析可知,頂推132m后,實測軸線與理論軸線偏差范圍基本控制在2.5cm 以內,在主桁架到達臨時墩后,軸線基本處于可控范圍,在落架前可進行微調(見圖18)。

圖18 頂推132m時軸線對比曲線

6 結語

通過施工前期的施工全過程模擬和最不利工況工藝試驗模擬及施工中的應力、變形監測結果對比分析,進一步證實本工程鋼桁架橋施工方案的可行性及數值模擬的合理性。通過數字化仿真模擬結合實時監測結果比對分析及最不利工況工藝試驗對安全風險進行預判,為整個施工過程的安全保障提供技術依據。