預應力混凝土連續梁橋線形監控及施工質量控制研究

李鹍鵬 （中鐵二十局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710016）

預應力混凝土連續梁橋最常用的施工方法是對稱懸臂法澆注施工[1]，釆用懸臂澆筑法施工的連續梁橋施工工序復雜，不但需要安裝掛籃、澆筑混凝土和張拉預應力束，而且橋梁施工還要經歷一個復雜的體系轉換過程，這會給橋梁結構帶來較為復雜的內力和位移變化，為確保達到最優的橋梁施工線形監控及施工質量控制目標，可采用MIDAS有限元軟件計算橋梁各施工階段的預拱度，從而確定施工立模標高。此外，BIM具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性五大特點[2]，可針對復雜的懸臂澆筑法連續梁橋施工進行工程量統計、虛擬施工、仿真漫游等，對于指導連續梁橋懸臂法施工具有重大意義。

1 工程概況

圖1 連續梁橋立面布置示意圖（單位：cm）

以南彭三線道岔特大橋第二聯為例來進行施工線形監控。該聯（36m+64m+36m）為三跨變截面預應力混凝土連續梁橋，主梁為單箱雙室箱梁結構，箱梁頂板寬17.6m，底寬11.7m。箱梁跨中高度為3.2m，墩頂高5.6m，跨中底板厚0.42m，墩頂底板厚2m，變高梁段梁底曲線為二次拋物線，拋物線方程為：y=2.4×x2/242+2.9(x=0～24m)，。該聯共設 11 種梁段，即 0～7 號梁段、邊跨段（9號段）、邊跨合龍段及中跨合龍段，共35個梁段。其總體布置如圖1所示。

2 施工線形監控與結果分析

2.1 有限元分析模型的建立

采用MIDAS/Civil 2017軟件，對橋梁結構進行全過程的模擬分析計算，選用平面桿系單元建立施工線形監控計算所需的有限元分析模型。全橋主梁共劃53個單元，78個節點。全橋可細分41個施工階段。每一個預應力張拉施工階段都應待澆筑混凝土強度達到混凝土實際強度的95%，彈性模量達到設計值的100%后（不少于5天齡期）方可張拉預應力鋼束，二期恒載250kN/m。最后一個施工階段為：成橋收縮徐變十年。施工合龍順序：先邊跨合龍，后中跨合龍。有限元模型單元劃分示意圖如圖2所示。

圖2 連續梁節點號、單元號、節段號示意圖（單元：cm）

2.2 立模標高的確定

線形監控的關鍵是控制各個梁段的立模標高，通過將各個梁段的實測竣工標高與理論竣工標高進行對比，發現誤差，分析誤差并進行糾偏，指導下個梁段的澆筑作業。立模標高的計算式如下：

式中：H為待澆梁段底板前端立模標高；H0為待澆梁段底板前端設計標高；f為預拱度；δ為掛籃變形值；Δ為施工調整值。

由上式可知，因為待澆梁段底板前端的設計標高在設計文件或設計圖紙中已經給出，要想求得待澆梁段底板前端的立模標高，就必須知道另外三個因數：預拱度f、掛籃變形值δ和施工調整值Δ。

①對于預拱度，在預應力混凝土連續梁橋中，由施工預拱度和成橋預拱度兩部分組成，即：

式中：fs為施工預拱度；fc為成橋預拱度。

橋梁的立模標高并不一定是橋梁竣工后的設計值標高，通常會設定一定的預拱度數值，用以消除施工過程中產生的橋梁撓度變形值[3]。使用成橋預拱度來抵消后期運營階段收縮徐變、溫度變化、支座沉降、活載作用對梁體線形的影響。考慮施工預拱度和成橋預拱度的組成因素，兩者的定義式如式（3）和式（4）：

式中：fsi為第i節段施工預拱度；∑fti為現有階段和以后階段梁體自重產生的預拱度和；∑fyi為本節段和后續施工節段張拉預應力產生的預拱度和；fl為施工臨時荷載在第i節段產生的預拱度；fb為前期收縮徐變影響在第i節段產生的預拱度；fw為前期溫度變化影響在第i節段產生的預拱度；fg為施工時掛籃變形影響在第i節段產生的預拱度；fh為體系轉換和二期荷載在第i節段產生的預拱度。

式中：f1為成橋后考慮后期收縮徐變影響的預拱度；f2為成橋后考慮活載作用影響的預拱度；f3為成橋后考慮后期溫度變化影響的預拱度；f4為成橋后考慮后期支座沉降影響的預拱度。

②掛籃變形值δ

根據現場掛籃預壓試驗得到的實測數據，取掛籃變形值為20mm。

③對于施工調整值Δ，針對施工過程中的一些關鍵參數，例如完成后梁段的竣工標高，需要有實測數據，將實測數據與計算得到的理論竣工標高進行對比，對得出的誤差進行識別和糾偏，用來指導下個梁段的立模標高。

計算出以上三個計算參數，即可得出每個梁段立模標高，這些數據可以用來指導連續梁施工線形監控的整個過程。

通過數值計算分析后，南彭三線道岔特大橋連續梁橋的預拱度設計值如表1所示。

根據施工圖紙信息和MIDAS模型分析計算結果可得施工過程中線形控制參數預測值，篇幅所限，本文僅提供橋梁部分關鍵節點的監控數據如表2所示。該模型計算分析數據可用于指導現場施工，為實際立模標高提供參考，對連續梁橋施工線性控制具有重要意義。

全橋最終各節點預拱度明細表(單位：mm) 表1

立模標高預測（單位：m）表2

3 BIM在連續梁橋施工過程中的應用

BIM全稱為Building Information Modeling，其中文含義為“建筑信息模型”，此概念于21世紀初期被提出。BIM技術是以三維數字技術為基礎，集成了各種相關信息的工程數據模型，可以為設計、施工和運營提供相協調的、內部保持一致的并可進行運算的信息[4]。

3.1 基于“族”的三維參數化建模

利用Autodesk公司開發的Revit系列軟件，根據南彭三線道岔特大橋的結構特點，細化結構構件，分別建立參數化構件—“族”。Revit中零號塊族如圖3所示。

圖3 Revit中的零號塊族

橋梁構件“族”建好以后橋梁整體模型的建立就是一個簡單的搭“積木”的過程：將橋梁各構件“族”導入項目，通過調整相對標高確定各族之間的位置，完成橋梁整體模型的創建。橋梁BIM模型包含尺寸、形狀、材質等參數化信息，是后續BIM工作的基礎。橋梁整體模型如圖4所示。同時族的建立和整理可形成有效的族庫系統，日后類似工程的建模可從族庫中直接調用，然后進行參數控制以滿足項目所需。

圖4 橋梁整體模型三維視圖

3.2 施工工序模擬

本連續梁橋采用掛籃施工，施工工序復雜，因此對該橋進行施工工序的模擬就顯得十分有必要。本項目按項目工期計劃表和具體施工方案制作了施工工序模擬動畫，近似地模擬施工工藝及進度，可以作為實際施工的參考，同時也為連續梁橋施工進度管理和施工組織計劃的制定提供依據。施工工序模擬動畫如圖5所示。

3.3 可視化交底

圖5 施工工序模擬動畫截圖

圖6 零號塊模型的三視圖和剖面圖

圖7 鋼筋模型局部

圖8 “項目明細表”統計的部分工程量

BIM模型可任意旋轉、放大縮小、剖切出圖，再加上重難點工序的施工模擬動畫，可輕松實現可視化交底。有利于打破一線施工人員與技術員之間的溝通障礙，提高橋梁施工的工作效率。以零號塊為例，將BIM模型在指定的平面上進行投影、剖切，即可自動生成所需平面視圖及構件詳圖，快速生成二維工程圖，實現三維模型向二維圖紙的轉化。

3.4 工程量統計

除混凝土BIM模型外，本項目亦采用建“族”和Dynamo插件項目內建模型兩種方式實現鋼筋模型的創建，如圖7所示。然后利用Revit中自帶的“項目明細表”功能準確的統計各個構件的工程量信息。對于連續梁橋施工過程中實現精確下料、節省資源和降低成本有重大意義。圖8為利用“項目明細表”統計的橋梁各墩和連續梁各節段混凝土算量。

3.5 BIM+GIS的融合與應用

BIM是用來整合和管理建筑物全生命周期的信息，GIS則是用來整合及管理建筑外部環境信息。BIM全生命周期的管理需要GIS的參與，BIM也將開拓三維GIS的應用領域，把GIS從宏觀領域帶入微觀領域。本項目利用BIM軟件Revit建立了整橋的三維模型，利用GIS軟件建立了地形模型。最后將兩個模型融合在一起，模擬真實地形環境下的橋梁模型。

圖9 BIM+GIS的融合的模型

4 結論

①筆者利用有限元軟件MIDAS/Civil 2017建立計算模型，通過數值計算分析得到全橋最終各節點預拱度和施工過程中的立模標高。立模標高的確定為整個橋梁的施工監測提供了一個可靠的系統的依據。

②本文詳細介紹了BIM在連續梁橋施工過程中的應用：三維參數化建模，施工工序模擬，可視化交底，工程量統計。以上應用在本工程中的實現有利于大幅度提高橋梁施工的工作效率。

③南彭三線道岔特大橋在BIM技術應用方面做了有益的嘗試，但如何將連續梁橋施工過程的線形監控數據融入到BIM模型中，仍然是一個難題。筆者認為這一難題的解決有賴于國產輕量化BIM平臺的研發。我們應該在學習國外先進技術的同時結合我國橋梁工程的特點，開發出有自主知識產權的集BIM展示和有限元分析于一體的輕量化BIM平臺，形成中國交通人自己的核心技術和核心產品。