基于温度变化的中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换工程施工监控

杨绍兵 苗荣海

摘 要:介绍了中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换过程中的施工监测, 运用大型有限元软件MIDAS/Civil建立了其有限元计算模型，通过在MIDAS/Civil中设置温度变化进行计算分析并与施工监测实测值对比，分析了施工过程中温度效应对大跨径中承式钢管混凝土拱桥整体稳定性和桥面线形的影响,确保主桥拱结构在吊杆更换施工过程中的安全可靠;其研究结果对桥梁吊杆更换监控及施工提供一定的参考。

关键词: 施工监测 温度 稳定性安全系数 桥面线形；

中图分类号：TU997文献标识码： A

1 工程概况

重庆某桥跨经组合为58m(引跨)+130m(边跨)+200m(主跨)+130m(边跨)+58m(引跨)，桥面全宽为22.5m[净7.5×2(行连道)+2m(绿化带)+2×2.75m(人行道)]。荷载等级为汽一超20，挂一120，人群荷载为3.5kN/m2，桥位地震烈度为6度。引跨为上承式钢筋混凝土拱桥，其主跨和边跨为中承式钢管混凝土拱桥，主跨吊杆为46根，两边跨吊杆各28根，总共需更换吊杆102根，由于主跨跨径为200米，本文由于篇幅所限主要研究主跨在更换吊杆工程中的温度影响下的线形控制和稳定性分析。

2 模型建立

模型的建立首先要满足施工监控的计算要求，其次是在精度满足要求的基础上对实桥的简化，任何模型都不可能完全按照实桥进行建模，所以结合实际工程需要的模型精度要求和计算效率，对该桥进行了适当简化，并保证简化后的力学模型符合结构计算的准确度以及精确度。

本文运用大型通用有限元软件MIDAS/Civil建立计算模型。在该桥的建模过程中，充分考虑各种构件的形状以及受力特点，分别在MIDAS/Civil软件中选取最适用的单元类型。该模型共建立3510个单元，其中有3464个梁单元，46个桁架单元。这两种单元的特点如下：(1)空间梁单元空间梁单元是由2个节点连接组成的，而且它具有拉、压、弯、扭、剪5种刚度。利用MIDAS/Civil建模时，如果要建的是等截面梁单元，只需要输入该单元对应构件的截面面积就行了；如果要建的是变截面变刚度的梁单元(即梁截面的刚度是沿长度发生变化的)，则需要输入梁两端的两个不同截面的面积，此种情况通常都是假设该梁单元的相关参数(比如横截面面积和刚度等)是沿着某一方向成线性分布的(一般假设沿x轴)，而其他参数则可以根据不同的情况而形成沿x轴的n次方函数［1-3］。(2)桁架单元

在MIDAS/Civil中，桁架单元也是由2个节点连接而构成的单元，且为线性，在受力方面只是单向受拉、压，且只传递轴向力。通常情况下，在研究空间桁架结构或者交叉支撑结构时会选取桁架单元［1-3］。该桥拱肋的主弦杆、竖向腹杆、斜腹杆、横向支撑、主梁和吊杆横梁以及纵梁都是采用的梁单元，吊杆选择的是桁架单元，该工程的空间计算模型如图1所示。

图1：midas模型标准图

3施工控制理論

3.1施工监测、控制目的

施工检测的目的就是为了保证大桥质量,保证全桥吊杆更换施工完成后，使主拱结构的线形和桥面系线形和原线形误差在规范要求范围内，即与吊杆更换前的主拱结构线形以及桥面系线形一致，并且使主拱结构的受力状态与更换前相一致。施工控制目的就是为了保证施工中和施工后的安全，在吊杆更换施工过程中，通过监测主拱结构的应力、吊杆张拉力、变形及桥面系线形高程来达到及时了解结构实际状态。根据监测的数据，保证主拱结构安全和稳定；其次保证结构的受力合理，为大桥安全吊杆更换施工中吊杆更换和张拉提供技术保障[4]。

3.2桥面及拱肋高程施工控制监测方法

桥面高程监测的目的主要是确定吊杆更换过程中桥面挠度的变化情况，监测数据通过与吊杆更换前原标高相比，保证吊杆更换过程中挠度不发生异常.其中，以测量施工各阶段吊杆张拉前后以及施工荷载的高程作为控制吊杆更换前后桥面线的依据，确保桥梁线形达到设计要求。测量点布置在横梁上桥面吊杆处，由于吊杆生产量及其微小，拱肋高程变化采用桥面吊杆处高程减去吊杆伸长量得到。高程监测点在横梁两侧靠近吊杆附近每隔7m布置1点,即吊杆锚固处布置标高测试点，上、下游均设置，共46个测点。

高程测试采用精密水准仪，测量精度可达到0.15mm，测站检核采用双面尺法，仪器高度不变，对立在前视点和后视点水准点上的水准尺分别用黑面和红面各进行1次读数，测得2次高差，相互进行检核。若同一水准尺红面与黑面读数之差不超过3mm,则取其平均值作为该测站观测高差。成果检校采用闭合水准路线的办法，即进行闭合回路的测量，各点之间高差的代数和应等0，如果不为0，便产生高差闭合差,其大小不应超过容许值，并将闭合差进行分配。

4数据分析

4.1有限元分析

在施工中重庆在春夏交界的一周时间内突然从气温十几度升至近四十度，本文中运用midas/civil软件按照施工中实际天气和温度升降情况施加温度荷载，进行稳定性分析，并提取温度对桥面位移数据，分析温度对桥梁的线型影响，并与实测值对比，应严格控制桥梁的稳定性，保证施工中桥梁的安全。本文采取系统温度整体上升20℃，得到前四阶的稳定安全系数分别为5.1、5.8、6.9、7.8，失稳模态图如图2，并得到桥面线型在升温20℃时理论分析变化如图3。

图2：升温20℃的一阶失稳模态标准视图

图3：升温20℃的模型理论桥面线形变化值

4.2桥面标高实测变化分析

由于吊杆更换施工处于春夏交界时，重庆出现极端天气，在短时间内升温20左右，因此在施工中在升温前后对桥面标高进行测量，并与理论计算分析结果对照以便指导施工。桥面标高升温前后桥面吊杆处标高变化如图4。

图4：升温20℃桥面线形变化实测值

5结论

在吊杆更换施工监控中,应考虑吊杆索力和主桥线形的控制，由于施工中极端天气的出现，本文主要考虑温度对桥梁线形的影响，通过了理论与实测值对比，两者基本相符，又通过对全桥升温20℃的稳定性进行分析，得出以下结论：（1）在升温20℃的极端天气下桥梁稳定性系数较大，符合安全施工过程中桥梁稳定性系数，且该工况下实测值与理论计算值符合，不影响施工。（2）在出现极端天气时应加强施工中监控量测，一旦出现实测值与理论值相比明显偏大应进行分析，以免施工中出现危险。(3)通过理论计算和实测中得到的桥面标高变化表中，可以得出桥梁跨中桥面的高程受温度影响最大，两边则相对较小。

参考文献:

［1］盛可鉴．风荷载作用下的钢管混凝土拱桥非线性稳定性分析［J］．森林工程，2006，22(2):53-54．

［2］李自林.刘明燕，李妲．大跨度钢管混凝土拱桥温度效应研究［J］．铁道建筑，2010(8):18-20．

［3］刘明燕．桁式钢管混凝土拱桥地震响应研究［D］．天津:天津城市建设学院，2010．

［4］吕宏亮.钢管混凝土系杆拱桥施工控制研究[J] 建筑技术,2008,39(10):80528081

［5］李国豪．桥梁结构稳定与振动［M］．北京:中国铁道出版社，2010．

作者简介：杨绍兵、男、汉族、出生日期：1986年3月，2011年至今就读于重庆交通大学土木建筑学院建筑与土木工程专业硕士研究生