美景大橋施工控制仿真分析

鄭聞林

1 美景大橋的概況

美景大橋屬于佛山市南海區美景大道建設工程,大橋全長686.28 m,主橋跨越西南涌及其兩岸現狀堤岸路后落地,為滿足通航及水利、景觀要求,主橋采用55 m+80 m+55 m預應力連續梁結構,跨中位置斜交角度15°,兩幅橋設計,主橋單幅橋面寬度15.5 m,其中人行道3.25 m,采用懸臂澆筑法施工。

美景大橋跨度較大,施工周期長,施工過程較復雜,技術難度相對大,為了保證橋梁施工質量和安全,使工程能夠順利進行,在施工過程中實行施工控制是非常必要的。為使結構在建成時達到設計所希望的線形及合理的內力狀態,同時在施工過程中保證結構安全,對美景大橋主橋工程施工的全過程進行有效的監控是很有必要的。

2 施工控制的目的

主橋施工采用分階段逐步完成的懸臂施工法。施工控制就是根據施工監測所得到的結構參數真實值進行施工階段的仿真分析,來了解結構各構件在每一施工階段的實際受力狀況及變形情況,及時發現問題,以便采取相應的技術措施。

3 模型的建立及仿真分析

3.1 美景大橋仿真計算的模型

在進行仿真計算時,將美景大橋簡化成平面結構,各懸臂施工階段離散成對應的單元,主梁部分離散為70個梁單元,支座單位分別在不同的施工階段進行考慮和分析其不同的邊界條件。結構的邊界約束條件:墩與梁使用一般連接,墩底與樁采用固接,梁縱向位移和轉動自由,僅有豎向與橫向約束。美景大橋模型圖見圖1。

3.2 仿真分析中施工階段的劃分

橋梁的施工過程仿真分析包括正裝計算和倒裝計算兩種。正裝計算法是按照橋梁結構實際施工加載順序來進行結構變形和受力分析,可以用來指導橋梁的設計和施工,為橋梁的施工控制提供依據。同時在正裝計算中能較好地考慮一些與橋梁結構形成歷程有關的因素,如結構的非線性問題和混凝土的收縮徐變問題。

該主橋采用懸臂澆筑方法施工,在計算中采用正裝法計算,每個梁段劃分施工階段為:立模、澆筑混凝土后、張拉預應力鋼束后等。本次計算實際共劃分為41個施工階段和1個運營階段,運營階段主要是考慮10年收縮徐變,它能夠真實地反映不同施工狀態下橋梁結構撓度和應力變化。

4 計算結果

4.1 各施工階段截面應力值

通過仿真計算可以得到各個階段的截面應力值。在現場施工監控中,施工控制的仿真計算和應力監測主要集中在關鍵截面應力的計算和監控上。對于美景大橋而言最不利截面為:1)主墩底斷面。2)箱梁根部斷面,選取1號塊。3)邊跨0.5l(l為邊跨跨徑)處,選取5號塊。主梁截面應變計的埋設見圖2,1號墩截面應變計的埋設見圖3。

限于篇幅,本文只列出1號塊箱梁根部斷面應力值,見圖4。

4.2 立模標高的確定

通過仿真計算所得到的各梁段預拱度和掛籃加載試驗得到的各階段掛籃變形值,可以確定各梁段的立模標高值。立模標高的計算公式如下:

其中,Hi為待澆梁段前端底板處掛籃底盤模板標高(張拉后);H0為該點設計標高;fi為本梁段及以后各梁段對該點的撓度影響值;fip為本梁段頂板縱向預應力束張拉后對該點的影響值;ft為掛籃彈性變形對該點的影響值(在掛籃加載試壓后得出);fx為由混凝土徐變收縮、日照及季節溫度變化、結構體系轉換、二期恒載、活載等因素對該點撓度影響的計算值。

預拱度的計算是確定立模標高的基礎,影響預拱度的因素很多,主要有:1)梁段自重;2)預應力大小;3)施工荷載;4)混凝土徐變收縮;5)二期恒載、活載;6)日照溫差和季節溫差。

在綜合考慮各種因素后,將各影響參數輸入軟件中,通過軟件進行荷載組合計算。同時可以根據需要得出不同荷載組合作用下各個施工階段各梁段的撓度、合龍時的撓度、合龍后二期恒載作用下的撓度以及活載作用下的撓度等。

其中,掛籃變形的數值是通過掛籃加載試驗得到的數據,繪制出掛籃荷載—撓度曲線,再進行內插得到各階段掛籃變形值,在施工過程中再進行跟蹤修正。

4.3 靈敏度分析

為了進一步討論,對影響施工階段內力和變形較大的幾個主要條件進行改變,分析它們對預拱度的影響程度。分別改變條件:1)混凝土超重5%;2)彈性模量增加10%;3)預應力減少(摩阻增加10%);4)掛籃重量增加10%。

得到改變各個條件后主橋各階段預拱度值與未改變時主橋預拱度值進行對比,可得:

1)當各個條件改變時,主橋各階段預拱度所繪制出來的線型基本保持不變,只是數值有所變化,所以條件改變對整橋的影響程度,可以轉化為預拱度最大值的變化程度來近似分析;2)當混凝土超重5%時,預拱度最大值由33 mm變化+4 mm,影響非常顯著,這表明梁自身靜載是影響主橋內力和變形十分重要的因素;3)當預應力減少(摩阻增加10%)時,預拱度最大值變化+2mm,表明預應力鋼絞線的有效預應力對主橋的影響也較大;4)當掛籃重量增加 10%時,預拱度最大值稍有變化(變化-1 mm),這說明在三個因素中,施工臨時荷載對主橋的變形影響較小。

5 結語

1)梁體自重、預應力鋼束的有效預應力、材料的彈性模量、施工臨時荷載(主要是掛籃荷載)等是對結構內力和變形產生影響的主要參數。2)通過靈敏度分析可以發現,主梁節段自重對主梁標高與內力的影響程度比混凝土彈模、混凝土收縮徐變系數的影響程度大,所以主梁節段自重的識別就顯得非常重要。3)實際施工并不是設計圖紙,而是與設計相互靠近,仿真計算不同于設計計算,不能照搬設計規范,雖以圖紙設計為主要依據,但也要以實際施工為準。4)設計必須保證結構安全,而仿真既是驗證設計,同時也要發現已經存在或將會發生的不安全因素,為實際施工提供更完善的數據。

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