转体施工技术下的T构梁施工监控和仿真模拟分析

费家林，宋满荣，柳炳康，陈金彪

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009)



转体施工技术下的T构梁施工监控和仿真模拟分析

费家林，宋满荣，柳炳康，陈金彪

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009)

摘要：预应力转体施工桥梁受力和变形情况十分复杂。以某桥梁工程为例，采用Midas/Civil软件建立有限元仿真分析模型，计算桥梁各施工阶段的应力和变形情况。将施工过程中线形控制与应力控制的实测数据与理论数据进行对比分析，探讨桥梁关键部位在施工过程中的线形及应力变化，以及有限元分析软件在工程建设中的应用价值。

关键词：转体刚构桥；线形监控；应力监控；仿真分析

1工程概况

转体T构梁全长129.5 m，其中转体部分长度118.5 m，转体重量达11 000 t。主梁共划分35个梁段，A0#梁段长12.0 m、边墩现浇梁段长3.5 m、合龙段2.0 m，其余梁段长分别为3.0 m、3.5 m、3.625 m、4.0 m。高度：主梁采用单箱单式变高度箱型截面，边支点处梁高3.8 m，中支点处梁高7.4 m，梁高按二次抛物线变化。主梁顶板宽度为11.9 m，顶板厚0.45 m，中支点及边支点处局部加厚为0.95 m。主梁底板宽6.8 m底板厚按二次抛物线由0.45变化至0.95 m，中支点处局部底板厚1.5 m，边支点处局部加厚为0.95 m。腹板：主梁腹板采用直腹板，厚度由0.5 m按折线分两次变化至0.8 m边支点附近线性增加至1.0m。主梁共设4道横隔板，边支点横隔板厚1.5 m共2个；中支点横隔板厚1.4 m共2个，均设置过人孔。

2施工控制方法及措施

科学合理的线形控制可以保证桥梁顺利合龙，使桥梁线形最终符合设计要求。主梁悬臂根部高程测点位置如图1所示，标高的监测与控制可以在另一角度校核对应力的监测工作，在每节段箱梁顶面标高布置2个测点。每一节段施工混凝土浇筑完成后测量本节段的箱梁顶面标高和底板标高，并建立与上述测点标高的换算关系。

图1　主梁悬臂根部高程测点位置

对桥梁关键截面的应力进行监测十分重要，它直接反映了主梁的受力状况，是结构安全性能的重要指标。在T构两侧1号块内远离根部3/4节段长度截面处，每侧截面设10个测点作为梁根部截面应力测点。在4号块内离根部3/4节段长度截面处，布置6个测点，作为梁端1/4跨应力测点。在8号块离根部1/2节段长度截面处，布置6个测点，作为梁跨中应力测点。主梁悬臂根部应变测点位置如图2所示[1-3]。

图2　主梁悬臂根部应变测点位置

3有限元仿真及计算

本文采用Midas/Civil有限元软件建立主桥三维仿真模型，计算桥梁整体受力及关键截面的应力情况。由于转体T构结构较复杂，所以在有限元建模过程中，在不影响结构受力的情况下，需对结构进行必要的简化，如忽略箱梁中的人洞和横隔板等结构的影响。尽量按照实际材料参数来取模型单元材料的参数；并且在划分施工阶段时，也应尽可能与实际施工阶段相一致。

计算模型按平面杆系计算，对施工阶段的桥跨结构进行有限元分析时，采用桥梁专业的常见有限元模型分析软件Midas/civil建模。

根据分段施工桥梁的块段数、桥梁临时支承、支座等布置情况，划分单元及节点。单元包括主梁单元、桥墩单元以及临时支承单元等类型。

考虑主桥竖曲线要数，建立相对坐标系(选取跨中为原点Y坐标值为箱梁顶面标高，这样方便立模标高的给出)，通过计算求出节点的相对坐标值，输入全桥单元信息[4]。

在建模时不考虑桩基础的作用，将墩底和地面定位固结，通过约束墩底全部自由度来实现。悬臂端根据实际施工情况，视为自由端，不做任何约束。梁体与桥墩的连接为弹性连接[5-6]。

全桥三维模型如图3所示。

3.1结构材料参数

墩顶以下3 m采用与梁体相同的C55混凝土，弹性模量34.5 GPa；其余采用C40混凝土，弹性模量32.5 GPa；容重均为2.5×104N/m3，泊松比均为0.2。采用预应力钢绞线，标准强度1 860 MPa，弹性模量1.95×105MPa。混凝土徐变系数2.0，收缩应变1.5×10-4，钢束松弛率3.5%。

图3　全桥计算模型

3.2结构模型的建立

转体桥梁T构悬臂部分各分为17对梁段施工，在有限元模拟时，T构包括合龙段在内共分为81个计算单元，其中桥面系74个单元，桥墩7个单元。全桥计算模型如图3所示。0#块由于受力复杂，分为6个单元，即为：2.5 m+1.4 m+2.1 m+2.1 m+1.4 m+2.5 m。桥墩共划分为7个单元从顶部到底部分别为：1.5 m+1.5 m+2 m+2 m+2 m+2 m+2 m。主桥计算模型共分为53个施工工况。每号块梁段施工分为4个工况(浇注混凝土、混凝土养护、张拉预应力、挂篮移动)。

4施工监控数据对比分析

4.1线性控制

转体桥T构悬臂浇筑施工中标高的预测、监测与控制十分重要，施工阶段中的梁体的位移、高程、变形的控制是安全、高效、高质量施工的前提和手段，线性监控起到重要的作用，需要在每个施工阶段对各种工况进行预测和监控。

为了减小温度的影响，高程的测量安排在日出之前。主要监测内容包括挂篮移动前后、混凝土浇筑前后、预加力张拉前后、合龙前后、成桥前后的各项标高值。按照“预告-施工-量测-识别-修正-预告”的循环过程进行[7]。

桥梁施工过程中施工预拱度为

(1)

其中，F预为施工预拱度; f成桥为结构某一点在立模后，由于以后的施工操作使该点产生变形,这种变形直到成桥后为止，以向下为正；f后期徐变为桥梁成桥3年后由混凝土收缩徐变所产生的变形，以向下为正；f1/2活载为桥梁受到1/2汽车荷载时所产生的变形，以向下为正。

科学合理的线形控制可以保证桥梁顺利合龙，使桥梁线形最终符合设计要求。另外，根据截面应力与应变的关系，标高的监测与控制可以在另一角度校核对应力监测工作。

由图4看出桥梁上的各点的向下的位移主要由恒载和收缩徐变产生，其中起主要作用的是恒荷载的作用，但是收缩徐变产生的位移值11.8 mm达到了总位移值的35.12%，因此收缩徐变产生的位移不能忽略。

梁上各点的向上的位移由预应力产生，预应力产生的向上的位移不足以抵消由恒载和收缩徐变产生的向下的位移，抵消之后的位移绝对值沿桥墩向两端逐渐增大，位移最大值发生在13号块，随后逐渐缩小。主梁在不同荷载组合的作用下梁段的最大位移值较小，符合设计要求。

图5为施工阶段各梁段在浇筑前直至预应力张拉后的高程变化值，由图可知各梁段在浇筑前至张拉后的总位移是向下的，在5至12号梁段所产生的位移较大，在靠近桥墩处位移较小，这符合理论分析结果，同时与图6中实测位移可知悬臂施工阶段梁跨中心附近处位移所受后续悬臂施工影响较大。

由图4可知，须在施工过程中需要给桥梁立模标高设置一个预拱度，图6可知在各梁段上设置的预拱度随之距离中心桥墩的距离增大而增大直到13号块，然后随之逐渐减小，实测梁段位移值与所设预拱度的和值如图6所示。实测位移值与预拱度值大致相当，误差比较小，满足后期要求。也印证了预拱度的预测合理性以及立模标高设置的正确性。

图4全桥模型各节点理论位移

图5各梁段浇筑前至张拉后控制高程变化

图6梁段的实际位移情况

4.2应力控制

在转体桥连续悬臂施工阶段的过程中，需要进行应力、应变监控以保证施工过程中的梁体变形和受力安全。在施工过程中所获得的应力的监测数据实际受到多种因素的影响，例如混凝土收缩徐变产生的应力，混凝土水化热产生的应力，环境温度变化产生的应力，以及悬臂挂篮施工机械施工荷载等。按照规范要求，可将混凝土收缩徐变荷载予以排除。通过测量混凝土浇筑后和养护后的应力对比排除收缩徐变水化热的影响，实施桥梁应力测量的时间应在夜22∶00到早上日出的时段内，此时段内全桥的温度最为均匀，每次测量均在相对固定的时间段内以此排除环境温度的影响。表1为梁段施工阶段各控制截面处的应力变化值与计算值的对比表[8-9]。

表1　混凝土梁控制截面应力变化值表　MPa

从表1可知，在施工阶段各工况下截面顶部应力值在浇筑前后应力差值为正，张拉前后应力差值为负，代表着由结构自重荷载在截面顶部产生了拉应力，由预应力荷载在截面顶部产生了压应力；在施工阶段各工况状态下截面底部应力值在浇筑前后应力差值为负，张拉前后应力差值为正，代表着由结构自重荷载在截面底部产生了压应力，由预应力荷载在截面底部产生了拉应力。在施工阶段实测应力差值与计算应力差值的误差较小，符合设计要求时施工的安全性设计。

梁段靠近桥墩处、1/4桥跨处以及1/2桥跨处在悬臂施工结束时截面处监测点的实测应力值与理论应力值对比表明，截面顶板应力值较截面底板应力值小，截面底板以及各顶板之间的应力差值较小，大小里程方向各控制截面的应力实测值与理论值误差很小，且应力值均在规范要求之内，实测应力值符合软件模拟结果，有限元软件分析较好地反映桥梁的实际施工情况。

图7、8、9反映控制截面内的应力变化趋势，后续施工对此截面的应力影响，图7可看出在浇筑阶段截面应力很小，然后再进行下一梁块施工前进行了预应力张拉，导致截面顶部应力变为拉应力，最大拉应力为0.45 MPa，随着下一施工梁段的进行，截面顶拉应力变为压应力，并且随之增大，在11号块施工时截面顶部应力增大趋势减缓并随之减小，进行到13号块施工时又进一步增大，直至施工结束。图8、9在浇筑完该梁段的控制截面时应力都很小，随后面各悬臂梁段的施工进行，该截面板顶以及板底应力逐渐增大，截面底的应力增大大致成线性关系，截面顶的应力刚开始和截面底的应力增大趋势大致相同，但是随着施工的进行，截面顶的应力增大逐渐变缓，张拉预应力荷载以及后续梁段的自重荷载对截面顶的影响随之距离截面的距离增大而逐渐减小。

图7　1号块控制截面实测应力

图8　1/4跨控制截面实测应力

图9　1/2跨控制截面实测应力

整个悬臂施工过程中，最大压应力计算值为13.25 MPa，实测值为11.91 MPa，均在规范要求范围内，说明桥梁在施工过程中结构处于安全状态，并有一定的安全储备。

5结论和展望

(1) 本文通过建立有限元模型对桥梁施工阶段进行分析计算，指导桥梁施工的有效进行，同时施工阶段得到的高程、应力监测反馈数据进一步修正了计算模型的精确性，保证了桥梁的顺利安全施工。

(2) 通过实测位移高程值的变化，可以看出理论值与实测值误差比较小，说明施工预拱度的设计合理，悬臂阶段立模标高符合设计要求，桥梁T构模型的建立以及参数的选取能够基本上反映该桥的线形实际变化。

(3) 通过实测各截面应力值以及应力值的变化情况，对比有限元设计模型处理结果，说明施工期的各应力符合设计要求，有限元计算模型对于实际施工的安全性以及可靠性起到了很大的保障作用。实测应力值与理论应力值相差不大，应力值均在规范要求之内。

(4) 通过现场应力监控，采集到了大量的施工监控数据，主梁关键截面的受力和变形规律均符合实际工程情况，说明有限元软件能够较好地反映桥梁的实际施工情况，为同类型的桥梁施工起到了借鉴作用。

〔参考文献〕

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[5]张继尧，王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，2005.

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[9]傅贤超,王兴猛,张三峰,等.桥梁平转法施工监控关键技术研究[J].铁道建筑,2013(11):8-10.

收稿日期：2016-03-18；修改日期：2016-03-23

作者简介：费家林(1990-)，男，安徽淮北人，合肥工业大学硕士生； 柳炳康(1952-)，男，安徽凤阳人，硕士，合肥工业大学教授．

中图分类号：U445.466

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0250-04