连续箱梁桥悬浇施工阶段仿真分析与控制技术

　　摘要：通过对一连续箱梁桥悬臂浇筑施工法的实桥案例进行施工阶段的仿真分析，在施工过程中监测桥梁的线形、应力和温度影响，不断修正计算模型中的相应参数，并重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行工程控制。
　　关键词：连续箱梁；悬臂施工法；仿真分析；施工控制
　　0引言
　　预应力混凝土连续梁桥结构采用悬臂浇筑的分段施工方法，要经历一个长期而又复杂的施工过程以及结构体系转换的过程。随着施工阶段的推进，桥梁结构形式、支承约束条件、荷载作用方式等都在不断地变化。分段施工中的结构受力状态是逐工况逐阶段累计形成的，每个工况或者每个阶段的结构受力分析必须独立进行，而中间施工阶段或最终成桥状态的结构受力是已经完成的各个工况和各个阶段的结构受力状态的叠加结果[1]。因此，对施工阶段进行仿真分析，同时对线形、应力和温度影响进行监测，最终实现对工程的施工控制。
　　1工程概况
　　1.1桥梁构造概述
　　某桥为75m+125m+75m三跨预应力混凝土连续梁桥，上部构造采用单箱、单室PC箱梁，箱梁顶板全宽16.25米，梁底宽8米，两侧悬臂长均为4.125米。跨中及边跨支点处截面梁高3.0米，顶板厚0.3米，底板厚0.3米，腹板厚0.55米；墩顶支点处截面梁高7.5米，顶板厚0.8米，底板厚1.40米，腹板厚1.0米。箱梁梁高及底板厚度均按二次抛物线变化。在墩顶处设三道0.6米、1.0米、0.6米厚的横隔板，中跨合龙段设置两道0.5米厚的横隔板。
　　1.2施工工况分析
　　每个悬臂划分为15个节段和合龙节段，整个施工分为19个节段的施工过程及1个运营阶段，在每个节段施工过程中，采用3个工况模拟：即挂篮前移、模板定位；绑扎钢筋、浇筑混凝土、养生；张拉预应力、压浆。在浇筑梁段混凝土阶段就激活梁段单元，并处理好自重的加载时间及混凝土的养护、加载龄期，使之与实际施工一致。
　　1.3挂篮构造及技术参数
　　挂篮由贝雷梁拼成，横向布置两幅主纵桁梁，每幅主纵梁由五片贝雷梁并排组成，利用角钢将其连成一个整体。前上、前下、后上、后下横梁采用I40a组合焊接而成，前吊杆、后锚杆采用直径32mm的精扎螺纹钢筋，具体布置见图1-1和图1-2。
　　
　　图1-1挂篮结构纵向布置图图1-2挂篮结构横向布置图
　　贝雷桁架主要构件有：桁架、桁架连接销、反保险销、加强弦杆、弦杆螺栓、桁架螺栓6种构件组成。
　　2施工阶段仿真分析
　　2.1有限元计算模型
　　采用变截面形式建立有限元模型，将全桥离散为76个单元，每个节段的悬浇过程分为：挂篮前移与模板定位→绑扎钢筋、混凝土浇筑、养生→张拉预应力筋与拆模三个受力阶段。整个模拟过程分为19个施工阶段及1个运营阶段，使每个施工过程中出现的荷载、边界条件、计算图式的改变都能在分析模型中得到准确的体现，如桥墩的临时支座和永久支座、边跨的满堂支架，都有精确的模拟。
　　
　　图2-1全桥空间模型
　　按三维空间预应力钢束建模，考虑净截面与换算截面、张拉方式、各种预应力损失、一次效应、二次效应的影响。预应力等效荷载包括锚头处的集中力及其引起的力矩、沿钢束曲线作用的切向及法向分布力以及它们引起的力矩。预应力钢束布置见图2-2。
　　
　　图2-2预应力钢束布置立体图
　　
　　2.2仿真分析结果
　　假定设计标高为0，下面给出设计线形、抛高线形、立模线形、长期恒载线形以及活载作用时的变形数据及轨迹图。
　　
　　图2-3线形变化理论轨迹图
　　考虑到施工中全桥的结构安全，首先给出有限元模型计算的全桥顶板及底板在施工过程中的应力包络图，以此应力值来控制大桥在施工过程中所受的应力。
　　
　　图2-4全桥应力包络图
　　3施工控制技术
　　3.1线形监测与控制
　　悬臂箱梁的挠度观测，使用自动安平水准仪（DSZ2）和水准尺，采用水准测量的方法，周期性地对预埋在悬臂中每一块箱梁上的监测点进行监测。监测点在主梁各块件顶板及底板上用短钢筋预埋。如图3-1和图3-2所示：
　　
　　图3-1桥面高程测点布置示意图图3-2悬浇节段高程测点布置示意图
　　给出某墩施工过程中的线形监测与理论值比较结果如图3-3所示：
　　
　　图3-314＃块张拉后理论与实测挠度比较
　　3.2应力监测与控制
　　监测箱梁的纵桥向正应力是施工监控的主要内容之一，采用JMZX-215智能弦式数码应变计沿纵桥向分别布置在底板、腹板、顶板内，分别为两个主桥墩的3#块截面及中跨合龙断面，一共5个断面38个测点，其中顶板3个，腹板4个，底板3个。布置情况如图3-4和3-5所示（单位:cm）。
　　图3-43#块截面应变计布置示意图图3-5中跨合龙段截面应变计布置示意图
　　主桥中跨合龙段应力监测数据（单位:MPa）：
　　中跨合龙段 顶板 底板 压应力极限 拉应力极限
　　 理论值 实测值 理论值 实测值  
　　 4.10 4.42 13.05 14.17 38.50 -2.85
　　3.3温度引起挠度变化监测
　　在主桥最大悬臂段（中跨合龙前）观测左右幅15#块梁端点由温差引起的高程变化，时间选择为早上5：00气温最低和下午15：00桥面气温最高的时刻。通过观测，得出结论：
　　最大悬臂端点的高程在温度最高时比温度最低时最多低5cm,大致范围在3-5cm之间。最大悬臂端点由温差引起的挠度变化与桥墩锚固状态有关，在桥墩有两个临时支座锚固和换为永久支座两种情况下，最大悬臂端点挠度不同，说明桥墩与主梁的锚固情况对悬臂端的挠度变化影响佷大。在测量主梁挠度时应尽量避免由温差引起的高程误差；浇筑合龙段时应采取在温度最低的情况下，此时最大悬臂端高程最高，符合设计的高程需要；主梁与桥墩的体系转换对悬臂端挠度影响佷大，应密切关注由此引起的挠度变化[2]。
　　4结语
　　连续箱梁桥采用自架设的悬臂施工方法，经过多个施工阶段形成最终结构体系，成桥线形、应力，与施工方法、施工顺序密切相关。在整个施工过程中，结构的几何形态、边界条件、材料特性随时间而变化，载荷作用的数值与位置也随时间发生变化，使得结构效应(位移、内力、应力、反力等)在施工过程中具有时空演变特征。整个施工过程是一个结构逐渐形成，线形、应力不断变化的过程。通过对施工工况的分析，合理划分施工阶段，建立有限元模型进行施工阶段仿真分析，不仅可以检验设计计算，还能有效指导施工。同时通过对各施工阶段的线形、应力和温度场的监测，可以修正计算模型中的参数，重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制。
　　
　　参考文献
　　[1]葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京:人民交通出版社，2003.
　　[2]刘永健等.楠溪江大桥施工监控报告[R].西安:长安大学，2008.

《连续箱梁桥悬浇施工阶段仿真分析与控制技术》

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