桁架式鋼混組合結構橋施工控制技術

馬建僑，李 飛，李福利

(天津城建集團有限公司，天津市 300211)

桁架式鋼混組合結構橋施工控制技術

馬建僑，李 飛，李福利

(天津城建集團有限公司，天津市 300211)

隨著社會的進步，國內橋梁結構多樣化、施工技術日趨成熟，各種新興結構應運而生，對橋梁結構設計的合理性、使用的安全性、長久化、結構的輕量化提出了更高的要求，鋼-混凝土疊合梁橋便是兼具以上諸多特點的新型結構橋梁，但整體橋面系受力較為復雜，每進行一步施工都有可能影響橋梁整體質量和受力性能，為此需要在橋梁施工全過程中使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對橋梁主體結構建立完整、統一的橋梁結構仿真分析模型，全程模擬計算，分析各施工階段的的受力特點，在施工過程中檢測每道工序施工后，橋梁的應力與撓度，為下一步施工提供科學依據和理論基礎。

新型結構;程序軟件;仿真模型;模擬計算;應力;撓度

0 引言

隨著現代橋梁結構的多樣化、復雜化，使用計算機軟件進行模擬計算，施工前對方案進行優化，施工過程中進行控制、修正并指導下一步施工，讓不可預見的問題始終在可控狀態，確保橋梁施工質量與安全已變得尤為重要。

本文以天津市吉兆橋為工程背景，論述了在在施工前通過建立正確的模型和性能指標之后，就要依據設計參數和控制參數，結合橋梁結構的結構狀態、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等，獲得結構按施工階段進行的每階段的內力和撓度及最終成橋狀態的內力和撓度。假設成橋時為理想狀態，對橋梁結構進行倒拆，利用前進分析所得的數據，可獲得使橋梁結構最終為理想狀態的各階段的預拋高值，得出各施工階段的立模標高以臨時支撐、砼澆筑后、鋼筋張拉前、鋼筋張拉后的預計標高，對方案進行優化，在施工過程中通過預先安裝和埋設的感應原件監測出各階段的實際狀態值，再由最后的最優控制，結合實際觀測值，得出最優調整方案，最終完成整個控制過程。

1 施工過程全程模擬計算

鋼混組合結構橋梁整體橋面系受力較為復雜，每進行一步施工都有可能影響橋梁整體質量和受力性能，為此項目部聘請國內較權威的機構做為第三方使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對橋梁主體結構建立完整、統一的橋梁結構仿真分析模型，全程模擬計算，分析各施工階段的受力特點，為下一步施工提供科學依據和理論基礎[1]。

1.1 仿真模型的定義

根據系統分析的目的，在分析系統各要素性質及其相互關系的基礎上，建立能描述系統結構或行為過程的、且具有一定邏輯關系或數量關系的橋梁結構模型，據此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。

1.2 施工監測過程及大數據計算

橋梁施工監控是一個“施工→測量→計算分析→修正→預報→施工”的循環過程。事先在塔、梁、索等主要結構部位布設相關的傳感器和測試儀器以獲得大量的控制數據，包括幾何參量和力學參量;利用高效計算機程序，對數據進行分析處理，確定一個階段的施工參數。通過二者的有機結合，對施工過程結構狀態的變化進行有效的預測和控制，實現橋跨結構的內力和線形符合設計要求，確保橋梁施工安全和正常運營，并保證其具有優美的外觀形狀。

1.2.1 監控監測的任務

施工監控監測的工作任務:

(1)在施工過程中，與施工協調配合，通過監測反饋的數據，對大橋進行實時控制，使橋梁達到設計所希望的幾何形狀和合理的內力狀態，確保橋梁在實際施工過程中的安全與穩定。

(2)與設計單位、監測單位密切配合，制定安全、最優、合理的詳細施工方案和步驟。并根據選定的施工方法，對施工階段進行仿真計算，提供各施工階段的施工控制參數。

(3)針對橋梁實際施工狀態與理想設計模型的差異以及理論值與實測值不一致的問題，及時調整計算模型及參數，并根據實際情況及時調整下一施工階段的控制預報參數。

1.2.2 監控監測的實施

施工監控采用預測控制法，即在全面考慮影響結構狀態的各種因素和施工所要達到的目標任務后，對結構的每一個施工階段形成前后狀態進行預測，使施工沿著預定狀態進行。由于預測狀態與實際狀態之間總有誤差存在，某種誤差對施工目標的影響則在后續施工狀態的預測予以考慮，以此循環直到施工完成和獲得與設計相符的結構狀態。

(1)監控計算模型的建立

在結構仿真計算分析中，建立用于分析計算的有限元數學模型是至關重要的一環。

a. 建模的基本要求

在結構仿真分析計算模型的建立過程中，主要考慮以下幾個方面的要求:

結構形狀(包括構件的長度、寬度、厚度等)變化的要求;

材料特性(模量、容重、泊松比、溫度膨脹系數等)變化的要求;

橋面恒載、施工荷載、汽車活載等作用模擬的要求;

問題求解計算精度的要求;

計算求解過程中為避免出現病態問題的要求。

b. 換算(等效)模量和容重

在分析中，把鋼筋混凝土視為勻質材料，這就需要對其彈性模量和容重進行換算，也即進行等效處理。

式中:Ecs、Dcs分別為鋼筋混凝土的等效彈性模量、等效容重;Ec、Dc分別為混凝土的彈性模量、容重; Es、Ds分別為鋼筋的彈性模量、容重;G為配筋率，小于2%時可以忽略。

全橋其他各鋼筋混凝土部位配筋率各不相同，因此各個部分就會有不同的等效模量和等效容重。

c. 收縮、徐變及溫度影響

對于塔柱等分段澆注的混凝土或鋼筋混凝土結構的收縮影響力，相當于降溫10℃～15℃，對應的收縮終極值為15×10-5～20×10-5。

徐變在計算分析中用調整齡期的有效彈性模量法來考慮。有效彈性模量

式中:E(τ)為加載齡期τ時的彈性模量;χ(t，τ)為老化系數;Φ(t，τ)為徐變系數。

在超靜定鋼結構結構中，溫度的影響是不可忽視的。無論是年溫差還是日溫差，或者是各構件之間的溫差，都會引起結構的內力重分布。按照設計要求的溫差計入溫度影響力。

d. 基礎與地基

地基和基礎均由三維實體單元來模擬，不同巖性的地基作為不同材料來處理。把地基作為不同性質的材料做成模型，共同參與受力分析，這樣使分析具有完整統一的計算模型，減少甚至避免了由于邊界條件的假定而帶來的缺陷。

(2)結構計算與分析

依照以上建模方法，利用有限元程序ANSYS建立完整、統一的橋梁結構仿真分析模型。然后依據此模型，采用ANSYS計算模塊進行調試計算，對該橋在各種工況下、各部分的受力及變形特點進行分析研究，以期提出合理的分析結果或對施工有利的建議。

監控計算包括以下內容:

a. 全橋恒、活載作用下結構整體空間計算分析;

b. 主梁受力與變形分析;

c. 溫度對全橋結構受力性能影響分析;

d. 風荷載對全橋結構受力性能影響分析;

2 應用

吉兆橋主橋鋼結構全長200 m，充分考慮場內加工，道路運輸、吊裝以及高空組裝焊接的問題，經過多次研究，確定將鋼結構不均勻劃分為13段。

施工方案確定與空間仿真分析:

通過計算分析，確定詳細的鋼結構與預應力混凝土結合板的施工順序，并對結構進行模擬施工的空間仿真計算，分析各個施工階段的應力、應變狀態，驗證施工方案的可實施性和結構設計的安全性。

監控計算采用倒拆法，通過從成橋狀態倒拆結構的過程進行結構分析來得到每一工況段結構的內力狀態和位移狀態。計算時由于設計所采用的計算參數(諸如材料彈性模量、構件的重量、施工中溫度變化以及施工臨時荷載條件等)與實際工程中所表現出來的并不完全一致，因此計算只能按假定的理想狀態進行計算，然后再根據施工過程中所監測到的實際結構參數對原假定計算施工控制的目標值進行必要的調整，以保證主體結構在施工過程中的安全并最終達到或接近設計成橋狀態[2]。

主梁應力測量與線形控制:主橋鋼梁結構為鋼管樁臨時支撐，先拼接鋼結構主梁和澆筑除負彎距區外的混凝土，然后進行體系轉換，再澆筑剩余部分混凝土并張拉預應力束。在鋼梁各施工階段，必須實時進行主梁線形控制和應力測量，以便及時調整施工狀態。

2.1 各施工工況監測重點

本工程橋梁結構較為復雜，施工工序較為繁瑣，主要包含支架拆除、負彎矩下弦桿配種混凝土澆筑、分段混凝土澆筑及預應力張拉等12個工序，施工過程中應主要對橋梁主體結構的應力及撓度變化進行監測。

2.2 應力應變分析

本次施工過程中，通過在結構中預先安裝的監測元件，測得了橋梁跨中的應力和撓度變形數值，并與理論計算值進行了比對[3];加測了主橋7號斷面的應力值變化，具體數值見圖1～圖4。

圖1 跨中斷面計算撓度

圖2 跨中計算應力

從圖1中的數據可以看出，跨中斷面的混凝土橋面板、上弦桿頂面以及下弦桿底面的撓度變化成正比，即拆除臨時支撐后澆筑配種混凝土增加了下弦桿的穩定性，但基本不影響橋梁主體的整體撓度，負彎矩混凝土的澆筑與預應力張拉也未對橋梁主體結構撓度變化產生較大的影響，然后隨著正彎矩橋面板混凝土的澆筑正加了橋梁跨中區域的自重，進而使撓度變化增大，而后進行預應力張拉又使橋梁主體結構有較大的上撓幅度，后期增加的二期恒載也增大了橋梁整體的撓度。

從圖2和圖4中的數據可以看出，每道工序對混凝土的應力數值影響不大，上弦桿的應力僅收到正彎矩混凝土的預應力張拉影響，隨著預應力的張拉，應力數值逐漸減小，下弦桿的應力與撓度變化呈現出負相關的變化趨勢，主要由于上承式橋梁結構隨著橋梁整體結構的逐漸成型，應力也會逐漸向上轉移。

從圖3中的數據可以看出，拆除臨時支撐后，由于橋梁主體結構自重的承載方式的轉變，結構撓度瞬間增加，隨著橋面混凝土板的張拉，使結構的撓度逐漸減小，由于施工監測存在微小誤差，同種結構在橋梁上下游的施工也不能保證完全一致，就出現了數據上微弱的差異，但仍在合理范圍內。

圖3 跨中實測撓度數據圖

圖4 吉兆橋應力測表量(7截面)

3 結語

通過對模擬結構的計算可以得出橋梁理論撓度變形和應力值，我們可以以此作為依據指導施工，在實際施工中，通過預先設置的測量元件以及光學測量儀器對實體結構進行測量，可以得到橋梁結構在各工序中最為真實的應力和應變數據。通過將理論值和實測值得對比可以得出兩組數據具有極為相似的規律性變化，進一步證明了使用BIM軟件、利用有限元程序ANSYS對吉兆橋主體結構建立完整、統一的橋梁結構仿真分析模型，全程模擬計算對此列橋梁施工的指導性作用，這也為今后同類型橋梁施工提供理論依據。

[1] 高廣義，李錫胤.中山二橋施工監測報蘙[R].天津港灣工程研究所，1995.

[2] 高廣義，李嘵軍.天津彩虹大橋施工監測監控技術試驗研究[R].交通部天津港灣質量檢測中心，1998.

[3] 張和水，高廣義.韓莊104國道公路橋施工監測和結構試驗研究報告[R].天津港灣工程研究所，1999.

U445

B

1009-7716(2015)11-0114-04

2015-07-13

“十二五”國家科技支撐計劃《鋼-混凝土組合結構現代化施工技術研究》(課題編號:2011BAJ09B0403)。

馬建僑(1976-)，男，廣東紫金人，高級工程師，從事道橋施工管理工作。