鋼桁架頂推施工過程數值模擬與監測

馬強

摘要：為探究頂推施工過程中鋼桁架變形和應力變化情況，本文以連云港某新建鋼桁架為工程背景，通過現場監測對頂推施工全過程進行應力監測，掌握鋼桁架和導梁的應力變化，利用Midas軟件進行頂推施工模擬，對比分析模擬計算結果與實際監測結果，為鋼桁架頂推施工提供技術保障。

關鍵詞：鋼桁架;頂推施工;數值模擬;監測

1 工程概況

本文鋼桁架橋位于徐圩港區液體散貨區、二突堤東側通用泊位及裝備制造發展區。1#橋全長55.00m，桁架寬13.1m，桁架中心高7.78m，橋墩采用蓋梁柱式墩結構，基礎采用8根D1200mm大直徑預應力管樁。2#橋全長197.2m，跨徑布置為16m+3×55m+16m，兩邊16m引橋結構形式為預應力混凝土剛接空心板，主橋為鋼桁架結構，桁架寬10.66m，桁架中心高8.0m，橋梁凈寬9m。橋墩采用蓋梁柱式墩結構，跨中墩基礎采用D1600mm灌注樁，過渡墩及橋臺處基礎采用D1200mm鉆孔灌注樁。

2 施工監測方法

針對鋼桁架橋頂推施工特點，施工監控工作從以下幾個著重點展開[1]-[2]：（1）鋼桁架橋面線形監測分析;（2）鋼桁架軸向偏位監測分析;（3）鋼桁架關鍵斷面應力監測分析;（4）導梁前端撓度監測分析;（5）導梁關鍵斷面應力監測分析。

通過施工監測，實時掌握橋梁結構各組成部分的應力（應變）和變形情況。作為分析依據，得出以下結果：（1）判斷橋梁結構的安全狀態，為施工質量控制提供技術數據;（2）為下一步施工方案及安全保障措施的決定提供決策依據。因此，通過施工監測，分析實測數據與理論計算結果，驗證橋梁結構分析方法及其所用假定的合理性。成橋后，監測數據可為橋梁交竣工驗收提供重要依據，為養護維修建立科學的數據檔案。

施工控制內容包括以下幾方面[3]：（1）線形控制：鋼桁架橫向偏位;橋面線形與導梁線形;臨時墩橫向偏位及沉降;（2）應力控制：鋼桁架關鍵斷面應力。

2.1 測點布置及測試方法

在第1跨桁架距導梁前端55斷面（最大懸臂斷面）處布置應力測試斷面，應力測試斷面及應力測點布置如圖1～圖3所示。

2.2 應力測試儀器

選用質量高的外貼式鋼結構應變計與配套的頻率接收儀作為應力觀測儀器。該應變計具有高靈敏度、高精度、高穩定性的優點。傳感器如圖4所示。

3 施工數值模擬分析

由于頂推方案為整體頂推，不涉及影響較大的頂推結構體系轉換過程，且原頂推施工過程已較為具體，考慮到對頂推結構應力及變形影響較為關鍵的是跨越右側永久墩的懸臂狀態，因此，根據頂推專項施工方案，計算復核分析工況與頂推施工計算分析工況相同，主要分析以下幾個工況：CS1：拼裝第一跨55m鋼梁和31m導梁，整體頂推50m;CS2：繼續拼裝55m鋼梁后整體頂推55m;CS3：繼續拼裝剩余55m鋼梁后，整體頂推60m至鋼梁頂推到設計位置。

根據鋼桁架設計圖紙與頂推專項施工方案，基于大型有限元軟件Midas/Civil，建立有限元模型，對鋼桁架頂推施工工況進行分析復核。為考慮施工過程中的設備荷載及模型中未能考慮的部分加勁肋等重量，模型中自重荷載乘以1.1的放大系數。各分析工況的有限元分析模型如圖5～圖7所示。

4 施工監測結果分析

4.1 結構變形及線形監控結果

根據現場實測數據，鋼桁架橋在監控周期內的最大橫向偏位如圖8所示，其中最大橫向偏位為8mm，未超過《公路工程質量檢驗評定標準》JTG F80/1-2017第8.7.3條的允許偏差10mm限制，滿足要求。根據現場實測數據，得到監控周期內每天導梁前端底面與橋墩千斤頂頂部相對高差如圖9所示。

4.2 應力（應變）監控結果

在第1跨桁架距導梁前端55斷面（最大懸臂斷面）處布置應力測試斷面在以下七個工況下的應力進行監測。工況一：第一跨拼裝就位;工況二：第一跨頂推52m;工況三：第二跨拼裝就位;工況四：第二跨頂推55m（頂推16m時到達最大懸臂，懸臂長度55m）;工況五：第三跨拼裝就位;工況六：第三跨頂推100.5m（頂推16m時到達第一次最大懸臂，懸臂長度55m;頂推71m時到達第二次最大懸臂，懸臂長度55m）;工況七：拆除臨時構件，完成體系轉換，到達成橋狀態。監測結果如表1所示。各工況最不利狀態應力云圖，如圖10～圖13所示。由表1和圖8～圖11可知：測試斷面的實測應力均小于理論值，均在設計范圍內。

5 結語

隨著我國基礎設施建設的迅速發展，大型結構被廣泛應用。因此采用有效措施保障施工過程中的安全尤為重要。本文以某鋼桁架的頂推施工為工程背景，運用監測技術和數值模擬方法，對比分析鋼桁架在頂推過程中的變形和應力變化情況，得到以下結論：監測值與模擬值變化趨勢一致，且實測應力均小于理論值，均在設計范圍內。表明兩種方法能有效反映結構的受力狀態，為保障安全施工提供理論依據。

參考文獻：

[1]蘇成，廖威，袁昆，韋鋒.橋梁健康監測在線預警指標研究[J].橋梁建設，2015，45（03）：44-50.

[2]解祎，黃海燕.基于ANSYS的橋梁施工健康監測研究[J].低溫建筑技術，2013，35（12）：59-61.

[3]吳水根，范亞斌，張銘，吳科一.高層建筑懸掛鋼結構施工過程監測分析[J].施工技 術，2015，44（14）：39-41.