承臺施工監測與有限元模擬

劉 燕，向 高，彭 馳

承臺是橋梁的重要傳力結構，通過承臺將上部柱的荷載傳遞到下方的樁基礎，并向樁基礎均勻分配荷載，使得樁的受力均衡。承臺施工質量的好壞，直接影響到橋梁結構的安全，因此需要高度重視。為了保證施工質量，在施工過程中，會采用一些監測手段，包括樁基礎監測、圍堰應力監測、混凝土溫度監測等。

1 承臺施工中的監測技術

1.1 承臺樁基礎監測

樁基的常見缺陷問題有：夾泥、斷裂、縮頸、混凝土密實性差等；隨著無損檢測技術的發展，承臺樁基礎施工監測的超聲波透射法、應力波反射法、高應變動力實驗等，已逐漸成為施工質量控制不可或缺的手段。文獻[1]在一維桿波動理論的基礎上，結合小波變換，對樁基完整性進行監測。

該監測的原理是，由于缺陷區的干擾，缺陷面形成波阻抗界面，會使檢測波形發生畸變，利用信號分析方法，能夠監測判定樁基礎混凝土的均勻性、定位樁身缺陷的位置、判斷樁基的完整性。

1.2 圍堰施工監測

通過對圍堰的受力狀態進行應力監測、及支撐內的位移監測，以確保圍堰施工的安全性。監測點選擇變形幅值大的部位，監測內容如圖1，包括每個監測點的水平位移量和沉降量，繪制位移量、沉降量的時間關系曲線，出現異常，馬上匯報。

1.3 混凝土溫度監測

根據GB 50496-2009大體積混凝土施工規范，在混凝土施工過程中，要預防溫度原因造成混凝土裂紋的產生，需要采用冷卻循環水的方式降溫，并在混凝土的養護過程中，對溫度進行監測。監測的內容如圖2，數據包括混凝土的表面溫度和環境溫度、濕度以及風速等，監測布控如圖3[2]所示。

圖1 圍堰監測內容

圖2 溫度監測內容

圖3 測溫點布置示意圖

2 承臺施工中的有限元模擬

有限元模擬可以將復雜的力學模型，通過細化分為若干單元，利用規則進行單元的求解，從而得到復雜模型的應力、應變和位移。承臺施工中，對于鋼筋混凝土這樣復雜本構模型的構件，通過有限元方法模擬完成其應力場、溫度場等的計算，研究受力狀態、環境狀態，從而為施工工藝的選擇，提供依據。

Ansys與midas是這一領域常用的模擬軟件。文獻[1]采用ANSYS-DYNA軟件，對橋墩和樁基進行檢測模擬，讀取監測點的速度曲線，并進行分析。文獻[3]采用Ansys對承臺建模，從而對大體積混凝土施工過程中的溫度場、應力場進行有限元模擬；文獻[4]采用midas模擬承臺施工過程，特別是對溫度應力的分布情況以及混凝土的水化熱傳播過程進行模擬，得到溫度分布云圖，從而輔助優化混凝土的配合比以及冷卻水管的布置；文獻[5]對鋼筋混凝土和裂紋的有限元模擬，按照裂紋深入構件內部的程度不同，將裂紋分為表面細小裂紋、中等裂紋和貫穿裂紋，采用降低材料的剛度和強度來模擬裂紋的擴展，并用三維混凝土單元模擬2m內的樁，用梁單元模擬2m以上的樁；模擬所用的鋼筋混凝土參數見表1。

作為成熟的支護技術，模板式鋼套箱主要的質量控制環節在于側模和底模的設計，國內外很多學者對理論方面進行了深入地研究，其中重要的方法和手段就是利用有限元方法研究支護基礎的三維整體仿真模型，研究結構在各種工況下的受力，進行設計分析。文獻[6]采用Ansys中的Beam188、Shell63單元模擬鋼套箱圍堰，針對圍堰內部抽水后，從第一層支撐焊接完畢到第六層支撐焊接完畢的六種工況，模擬監測了圍堰的受力和變形情況。文獻[7]通過midas程序建模的鋼套箱模型和靜水壓力荷載圖如圖4、圖5。

3 結語

將承臺施工監測與有限元模擬相結合，通過有限元模擬指導具體施工過程中應采取的相應措施，同時監測數據也能對模擬結果進行驗證，二者的有機結合，是保證承臺施工質量的有效方法。

圖4 鋼套箱模型

圖5 靜水壓力荷載圖

表1 鋼筋混凝土有限元模擬參數表