運河大橋懸澆施工控制與結(jié)構(gòu)有限元分析

姜富強 ，范 明 ，呂新建 ，張煒瑤 ，王有志

(1.山東省路橋集團有限公司，山東濟南 250023；2.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450007；3.華僑大學(xué)，福建廈門 361021；4.山東大學(xué)，山東濟南 250061)

0 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，其設(shè)計與施工相關(guān)性很強，但是設(shè)計參數(shù)的理想取值與施工時的實際參數(shù)間一般存在客觀上的差異，很多差異如所采用的施工方法、材料性能、澆筑程序、環(huán)境溫度場、立模標(biāo)高等都會直接影響箱梁的線形與受力，因此必須對整個橋梁的施工過程進(jìn)行詳盡的分析與監(jiān)控控制。該過程一般分為三步，首先在施工現(xiàn)場采集必要的數(shù)據(jù)，通過參數(shù)辯識后，對理論值進(jìn)行修正計算；其次對澆筑箱梁立模標(biāo)高和主墩標(biāo)高、垂直度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等予以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與控制，以確保設(shè)計值得以準(zhǔn)確的實現(xiàn)；最后在施工過程中依據(jù)己建梁段的指標(biāo)，預(yù)測未來梁段的指標(biāo)。

本文結(jié)合濟嘉線火頭灣運河大橋工程實際探討預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸澆施工仿真分析與控制技術(shù)。通過對該橋進(jìn)行科學(xué)合理的施工仿真分析與控制，減少施工誤差，縮短了工期，還大大節(jié)省了項目建設(shè)投資。

1 工程背景

濟嘉線火頭灣運河大橋，位于濟寧市黃井鎮(zhèn)前王村西京杭大運河上，已有老橋位于濟寧與嘉祥來往的重要道路上，交通量大，重載車輛多。為此新建一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，建成后新橋與老橋聯(lián)合運營，可以緩解交通壓力，提高行車安全。

新建濟嘉線火頭灣運河大橋主橋為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，引橋為等截面連續(xù)箱梁，見圖1。橋梁全寬16.5 m，橫向布置為0.50 m護欄+15.5 m行車道+0.50 m護欄(與北幅老橋?qū)撞贾?。設(shè)計荷載為公路Ⅰ級，設(shè)計速度80 km/h，橋梁位于直線段上，橋頭路線接坡，順老路。橋梁兩頭縱坡為3%，橋梁在豎曲線段內(nèi)，豎曲線R=8 000 m。因建成橋梁與北幅老橋聯(lián)合運營，本橋設(shè)2%單向橫坡。本橋橋址處月平均最高溫度為34℃，月平均最低溫度為-10℃。

圖1 濟嘉線火頭灣運河大橋總體布置圖

濟嘉線火頭灣運河大橋采用懸臂澆筑施工方法，即在已建成的橋墩上，以橋墩為中心，利用掛籃對稱向兩岸逐段澆筑梁段混凝土，待混凝土達(dá)到強度要求后，張拉預(yù)應(yīng)力束，再移動掛籃，進(jìn)行下一節(jié)段的施工。這樣不斷重復(fù)同一作業(yè)，直至合攏。

2 有限元仿真分析

2.1 模型的建立

在全橋空間結(jié)構(gòu)分析中，建立用于分析計算的有限元模型，分析的成功與否在很大程度上取決于模型建立的好壞，為了精確的分析火頭灣運河大橋的整個施工過程，需要對主梁施工的每一階段進(jìn)行跟蹤模擬計算。本文采用橋梁分析專業(yè)軟件MIDAS/Civil進(jìn)行整個橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析，根據(jù)火頭灣運河大橋主橋施工工藝流程，劃分了火頭灣運河大橋主橋箱梁施工控制模擬計算的施工階段及步驟。主橋上部結(jié)構(gòu)分為66個節(jié)點、63個單元，整個結(jié)構(gòu)形成過程共分為35個施工階段和1個運營階段，使整個施工過程中出現(xiàn)的改變都能在有限元模型中得到準(zhǔn)確的體現(xiàn)。全橋有限元計算模型見圖2。

圖2 Midas/Civil有限元分析模型

2.2 主要影響因素的考慮

火頭灣運河大橋的主梁施工是分段懸臂澆注的，每澆注一個新梁段都要經(jīng)歷一個移動掛籃→立模→澆注主梁梁段→混凝土養(yǎng)護→張拉主梁預(yù)應(yīng)力的過程[1]，同時，在梁段的施工過程中，還有預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、溫度變化等因素的影響，所有這些過程及因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形不斷的發(fā)生變化，從而使得分析的難度提高，精度降低。

為了使模型分析結(jié)果更加接近實際，需要考慮到各種可能影響分析結(jié)果的因素并使其在模型中精確表達(dá)出來。關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失的影響方面，MIDAS軟件采用三維空間建模方式，可以準(zhǔn)確的反映出橋梁預(yù)應(yīng)力鋼筋的平彎及豎彎情況，同時在施加預(yù)應(yīng)力時，MIDAS會考慮到管道摩擦對預(yù)應(yīng)力鋼筋的影響，然后軟件會自動計算出施加在橋上的有效預(yù)應(yīng)力，對于鋼筋松弛、錨具壓縮變形等影響預(yù)應(yīng)力的因素都會按規(guī)范要求考慮在內(nèi)。關(guān)于混凝土收縮徐變的影響方面，在建立模型時程序會建立一個混凝土收縮徐變函數(shù)，再利用時間依存材料連接，將收縮徐變特性賦予到所建立的模型的混凝土上，使其具有了收縮徐變特性[2]。關(guān)于溫度變化的影響方面，MIDAS軟件提供系統(tǒng)溫度(初始溫度)設(shè)定的服務(wù)，而且模型建成后，可以考慮整體溫度升降、溫度梯度、溫度場等變化產(chǎn)生的影響。

3 有限元分析結(jié)果及監(jiān)控

3.1 溫度對高程的影響

溫度應(yīng)力屬于可變荷載，對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)來說，由自然環(huán)境條件變化而產(chǎn)生的溫度荷載一般分為三種，一種是由年溫度變化引起的，一種是由日照溫度變化引起的，還有一種是由寒流影響的也就是溫度驟降。年溫度變化能使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生伸縮變形，并引起橋梁縱向位移，但這種變形和位移是緩慢而均勻的，這種縱向位移一般會通過伸縮縫等措施相協(xié)調(diào)，不會受到限制，所以一般不會產(chǎn)生次內(nèi)力。日照溫度變化能使橋梁各結(jié)構(gòu)迅速產(chǎn)生不均勻的溫度分布，短時間內(nèi)形成相當(dāng)大的溫差，從而會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，該應(yīng)力一般很大。溫度驟降也能使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的溫度分布，不過產(chǎn)生的溫度應(yīng)力一般比日照溫度變化引起的溫度應(yīng)力小[3]。

日照溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)的影響是非線性的，且其變化對橋梁合攏前的影響是很大的，直接決定著合攏時間的選擇。

3.1.1 日照溫差的影響

下面以2#墩邊跨合攏前懸臂端的最前端9#塊為例，通過24 h監(jiān)測結(jié)果說明溫度對高程的影響大小，見表1。

表1 溫度對高程影響監(jiān)測數(shù)據(jù)

為了方便數(shù)據(jù)的觀察分析，我們設(shè)定初始溫度及高程為零，通過繪制溫度及高程的即時值與初始值的差值圖來更加形象的說明溫度變化與高程變化的關(guān)系及溫度對高程的影響大小,見圖3、圖4。

圖3 河岸方向溫度對高程影響圖

圖4 河心方向溫度對高程影響圖

從以上表格及圖示中可以看到，當(dāng)一天之中溫度達(dá)到最高時，梁體下?lián)蠀s不是最大，有一定的滯后性[3]。在最大懸臂施工階段，溫度對高程影響是比較明顯的，一天之中最大溫差下的高程能達(dá)到11 mm。

3.1.2 合理合攏時間的選擇

對于懸臂澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋來說，一般情況下橋梁跨度比較大，懸臂比較長。白天在太陽的照射下，箱梁的頂板和底板會形成較大溫差，頂板溫度高會導(dǎo)致混凝土膨脹，而相對而言，底板溫度低則會導(dǎo)致混凝土收縮，從而使懸臂箱梁有向下的撓度變形，到晚上，箱梁頂板和底板溫差很小幾乎可忽略不計，頂?shù)装寤炷潦湛s徐變程度相等，所以懸臂箱梁的撓度變形會逐步變小。由此可見，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在懸臂澆筑施工過程中，由于受日照溫差的影響，懸臂箱梁撓度處于不斷的變化之中，這種變形不僅會隨著日照溫差的增大而增大，也會隨著懸臂長度的增長而增大。

從以上對溫度應(yīng)力的分析得知，溫度變化對長懸臂箱梁的標(biāo)高及應(yīng)力都會產(chǎn)生較大的影響，所以說在橋梁合攏前通過反復(fù)不斷觀測，掌握住時間-溫度-撓度變化規(guī)律曲線是相當(dāng)重要的。通過有限元模型及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的分析，火頭灣運河大橋的合龍時間選擇到了溫度比較低的時候，兩邊邊跨在凌晨合龍完畢，中跨在天氣比較涼爽的下雨天順利的合龍完畢。

3.2 線形分析與控制

火頭灣運河大橋懸臂施工過程中，隨著懸臂長度的不斷變化，梁體撓度也隨著當(dāng)前施工塊的澆筑和張拉不斷變化，此變化在施工0～4號塊時不明顯，測量數(shù)據(jù)顯示梁端撓度變化值在0～8 mm，除去一些測量誤差等因素的影響，與模型理論計值0～4 mm基本吻合。而在施工5～9號塊時變化則較為明顯，最大下沉量為9#澆混凝土后，其前面3塊(8#、7#、6#)下?lián)现翟?12～19 mm，與理論計算值在14～21 mm基本吻合；而9#塊張拉后6#～9#上撓值在10～19 mm，理論計算值為7～16 mm，兩者基本吻合。總體看來，前期仿真分析模型是可信的。

表2為合龍后進(jìn)行全橋橋面點高程聯(lián)測測量而得出的橋梁底板高程結(jié)果。

對合龍后高程數(shù)據(jù)分析得知，全橋3個合攏段合攏精度符合設(shè)計要求，最大合龍高差6 mm；全橋合龍后，箱梁實際線形與目標(biāo)線形數(shù)值吻合，主橋無折線突變，線形光滑流暢，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)；從實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比來看，本文理論方法運用及計算比較準(zhǔn)確、預(yù)拱度的預(yù)測誤差比較小。

表2 合攏后橋梁底板高程結(jié)果

3.3 應(yīng)力分析與控制

火頭灣運河大橋的應(yīng)力測試儀器采用的是金壇市海巖工程儀器廠生產(chǎn)的YBJ-4501型振弦式應(yīng)變計。測點布置見圖6、圖7。

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工中，箱梁根部附近的截面應(yīng)力測試基本上貫穿于整個橋梁箱梁的施工過程中，且該處應(yīng)力變化最為復(fù)雜，所以預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋箱梁根部截面應(yīng)力控制尤為重要[4]，本文選擇1#墩中跨側(cè)0#塊箱梁截面的應(yīng)力作為分析研究對象，結(jié)果見表3。

圖6 應(yīng)力監(jiān)測截面布置圖(單位：mm)

圖7 截面應(yīng)力測點布置圖

表3 1#墩0#塊中跨側(cè)應(yīng)力理論值與實測值對比結(jié)果

從表3及圖中可以看出，箱梁在懸臂施工時施工階段不斷進(jìn)行的情況下，實測應(yīng)力變化與理論應(yīng)力變化規(guī)律一致且相差不大，說明箱梁工作正常。底板實測數(shù)值與理論數(shù)值基本吻合，規(guī)律一致，部分?jǐn)?shù)值有一定誤差，但滿足規(guī)范要求，分析其原因主要為：局部應(yīng)力影響，比如測點正好接近某根預(yù)應(yīng)力束；測量時橋面施工荷載等施工因素亦會影響應(yīng)力測量結(jié)果。

4 結(jié)語

(1)對火頭灣運河大橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析計算，通過理論數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)果表明計算分析結(jié)果很好反映該類橋梁的各施工階段及成橋狀態(tài)的實際情況。

(2)溫度效應(yīng)對控制成果的影響是很大的。日照溫差和年溫差都對主梁的順橋向變形有影響，但對于連續(xù)梁橋來說，墩梁的支座連接方式及伸縮縫的設(shè)置都能夠很好的解決這個問題。日照溫差決定著合龍時間的選擇，橋梁合龍質(zhì)量的好壞又對成橋運營后的狀態(tài)有很大影響，所以，合龍時間可選擇在日照溫差較小的時候。

(3)火頭灣運河大橋的邊跨合龍后，濟寧方向邊跨合龍高差為5 mm，嘉祥方向邊跨合龍高差為6 mm，中跨合龍高差為6 mm，滿足規(guī)范要求，說明對該橋梁的監(jiān)測控制是比較成功的。

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