鋼箱梁頂推施工過程監測與模擬

孫國良，朱慶慶

（中交路橋建設有限公司，北京100027）

0 引言

近年來，為保障橋梁結構安全運營，國內許多大跨橋梁安裝了健康監測系統，如蘇通大橋、東海大橋等[1-2]。作為保障橋梁結構安全運營的有效措施，橋梁健康監測在橋梁結構預警方面能提供實時預警和結構評估兩方面的服務[3]。然而在橋梁的施工階段，因施工過程與設計終態的差異導致成橋狀態與理論不一致，橋梁健康監測缺少基礎數據，所以橋梁施工過程監測的作用同樣重要。在橋梁施工過程中，必然存在內力和變形與理論狀態的差異，為確保成橋狀態符合設計要求，利用監測技術可降低施工風險[4]。王景全等[5]利用監測技術對鋼-混凝土連續組合梁施工全過程進行監測與數值分析對比，指出施工過程中關鍵性問題；許潤鋒[6]利用監測技術對鋼箱梁疊合拱橋施工進行監測，掌握結構施工狀態，為安全施工提供保障，提高工作效率；張慎偉等[7]利用監測技術跟蹤監測施工過程中鋼管混凝土表面的應力變化，掌握結構在施工過程中的時變效應；吳水根等[8]利用監測技術和施工模擬對懸掛鋼結構進行合理施工順序和卸載步驟的劃分。因此大型結構施工過程監測的研究是當前的熱點課題[9]。

1 工程概況

集通高速DK1+135.4匝道橋結構為鋼箱梁形式。因施工路徑需跨越鶴大高速公路，故使用鋼箱梁頂推法施工。主梁跨徑33.00m+52.00m+33.00m，如圖1所示。頂推長度92m，施工過程中最大懸臂長度約33m，導梁總長24m。主梁截面采用單箱雙室形式，底寬6.56m，橋面板寬10.00m，中心線處高度為1.90m。導梁由2個HN700×300片體組成，片體之間用325mm×6mm鋼管連接，截面高1.4m，長24m，寬6.26m。頂推采用1臺200t連續頂推千斤頂，單個千斤頂配10根15.2mm預應力鋼鉸線。

鋼箱梁頂推過程中存在3個難點：[1]懸臂長度長達33m；[2]鋼箱梁頂推過程跨越鶴大高速；[3]施工工序復雜，存在多次結構體系轉變。

圖1 鋼箱梁頂推施工

2 施工工況

在鋼箱梁頂推過程中，因臨時支撐點數量和位置變化，即鋼箱梁邊界條件變化，鋼箱梁受力和變形隨施工步發生變化。根據主要變化的邊界條件，將整個施工過程分為8個工況，如圖2所示。

3 監測系統

3.1 監測流程

監測系統主要包括4個子系統，包括傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據管理子系統和結構狀態評估子系統[10]。傳感器子系統由各類傳感器組成，如應變傳感器、位移傳感器等。數據采集與傳輸子系統由數據采集儀和數據傳輸裝置構成。數據管理子系統由服務器構成。結構狀態評估子系統由軟件系統和專家評估組成。監測流程如圖3所示。

3.2 測點布置

應力監測對象為應力變化較大的構件和結構重要構件，依據這2條原則，導梁在頂推施工過程中受力體系變化，其上下翼緣的應力符號呈現正負的變化；鶴大高速公路中間的臨時支撐ZC1為鋼箱梁行徑過程中的重要施工措施。因此本項目的監測對象為導梁和支撐ZC1，測點布置如圖4，5所示。導梁為受彎構件，因此在左右兩側導梁的上下翼緣各設置1個應變傳感器，共4個應變傳感器，編號為YA-1～YA-4，在臨時支撐ZC1支座上方左右各設置1個應變傳感器，共2個應變傳感器YB-1和YB-2。

圖2 頂推施工工況劃分

圖3 監測系統流程

圖4 導梁測點布置

圖5 支撐ZC1測點布置

4 數值模擬

4.1 計算模型

采用有限元軟件Midas Civil對鋼箱梁頂推施工過程進行仿真模擬。支架采用梁單元，鋼箱梁和導梁采用板單元。為簡化模型，支架與鋼箱梁和導梁分開建模，如圖6，7所示。將鋼箱梁施工模擬過程中的反力值提供給支架模型，可計算支架施工模擬過程中的受力狀態。

圖6 鋼箱梁模型

圖7 臨時支撐ZC1模型

4.2 荷載工況

1）鋼箱梁模型的荷載工況 鋼箱梁和導梁自重，軟件自動計算。

2）支架模型的荷載工況[1]豎向荷載為鋼箱梁和導梁自重；[2]支架自重由軟件自動計算。

由此可得出鋼箱梁和臨時支撐各種工況應力云圖。

5 監測值與模擬值對比分析

選取編號為YA-1、YA-2和YB-1三個監測點重點分析，YA-1位于導梁根部上翼緣，YA-2位于導梁根部下翼緣，YB-1位于臨時支撐ZC1下部。監測值在原有編號基礎上加前綴JC，模擬值在原有基礎上加前綴MN。具體的對比分析結果如圖8，9所示，對比結果如下。

圖8 導梁測點監測值與模擬值對比

圖9 臨時支撐ZC1測點監測值與模擬值對比

1）從整體分析看，同一測點的監測值與模擬值數值曲線吻合，數據變化趨勢較一致。監測數據的準確性與Midas施工過程模擬數據相互印證，說明監測值較好地反映了結構實際受力狀態，Midas模擬對施工過程結構受力變化提供了有效理論依據。

2）從單個施工步的測點值分析來看，顯然監測值的絕對值小于模擬值的絕對值。原因如下：[1]鋼結構零應力σ0無法由監測可知，因此從施工過程中監測的數值為應力的變化值Δσ；[2]結構邊界條件現場實際狀態與理論狀態不一致，實際施工過程中鋼箱梁有側向限位約束，局部使用千斤頂頂升糾偏。

6 結語

隨著我國基礎設施建設快速發展，大型結構施工越來越普遍，因此采用有效措施保障施工過程的質量和安全尤為重要。本文以橋梁工程中鋼箱梁的頂推施工為例，運用監測技術和數值分析方法，對比分析鋼箱梁頂推過程中的結構受力狀態，可得如下結論與展望。

1）監測值與模擬值變化趨勢一致，說明兩種方法對比分析可有效反映結構受力狀態，為保障結構安全施工提供了理論依據。

2）如何有效監測結構的零應力狀態將是下一步需研究的內容。

3）數值模擬的準確性是指導施工順序的關鍵，以工程實際情況細化理論模型，將更準確地反映施工過程中結構的實際狀態。