仿真分析模拟在桥梁同步顶升施工监控中的运用

■罗静静

（福州东南绕城高速公路有限公司，福州 350008）

仿真分析模拟在桥梁同步顶升施工监控中的运用

■罗静静

（福州东南绕城高速公路有限公司，福州 350008）

以某高速路面改造项目中桥梁顶升工程为依托，结合顶升系统的施工方案，介绍通过有限元仿真分析模型，对其顶升过程中的梁体变形和应力分布特征进行模拟，得到了理论上的监控控制阀值，保证分级顶升的安全性和控制标准，对梁体顶升过程的位移、应力多种指标进行综合监控。顶升施工监控结果表明，理论分析结果与实测结果相吻合，顶升施工过程中梁体应力、位移偏差均在允许范围内，顶升结束后落梁平稳安全。该工程的成功实施为接下来的类似工程提供较高的参考价值，进一步优化监控方案，提高了工程效率、节约了施工时间和施工成本。

同步顶升 顶升施工 监控 仿真模拟

1 引言

桥梁顶升技术近几年在旧路改造中，以其施工快捷、经济实惠、效果优良等优点，得到了广泛的应用[1]。为了减少梁体内力的变化，一般中小跨径桥梁都会采取整体同步顶升施工，但在具体施工过程中，由于无法保证各支点顶升高度完全同步，同时因施工队伍的施工质量问题，约束未完全解除，使得不同支点顶升出现高差，会引起梁体结构的不正常内力。因此通过计算机模拟顶升过程中的结构内力和变形，对顶升过程中的监控，保障主梁在顶升过程中的安全尤其重要。本工程在顶升施工中运用仿真分析的方法可以为接下来类似工程提供技术参考和经验。

2 工程概况

2.1 工程简介

某中桥为高速公路的一座主线桥，位于直线段上，桥梁分为左、右幅。上部结构为2孔16m预制空心板梁，先简支后桥面连续，全桥一联，桥梁全长38m。下部结构为双柱式墩台，钻孔灌注桩基础。全桥支座采用矩形板式橡胶支座。全桥只有一条伸缩缝，位于1#墩墩顶，两侧桥台为无缝化设计。路面改造需对全线进行加铺18cm厚沥青混凝土，因此需对路面与桥涵顺接方式进行处理。改造设计为了对原路线纵坡线型进行优化，不影响桥梁运营承载，桥梁需增高15.8cm。

2.2 顶升施工方案

该桥依据现场施工条件采用钢牛腿式顶升方案。该项目采用分阶段顶升方法，即为了保障顶升过程中的安全性，将设计顶升高度分为几个阶段进行。在每个支撑顶点布置处安装一组可主动施加顶力的千斤顶，并用控制台控制液压泵驱动进行顶升，待到达每阶段预计高度时，用临时垫块/垫片将梁体固定，提升千斤顶之后再进行第二阶段的顶升作业。如此重复一个周期直至顶升至设计高度[2]。

（1） 其系统分为：

液压系统（含检测传感器）、计算机自动控制系统两个部分。

（2）系统结构一般有8个部分：

①液压泵;

②带触摸屏的PLC控制装置;

③液压缸;

④位移传感器;

⑤液压软管;

⑥传感器电缆;

⑦电磁控制器;

⑧压力传感器。

3 仿真分析——梁体顶升过程中梁体安全阀值

根据设计资料，该桥空心板梁采用C40等级混凝土，截面设计采用交通部颁布的 《装配式后张法预应力混凝土简支空心板桥上部结构》16m跨径通用图纸[3]。模型约束考虑两种情况：情况一，顶升系统不同步高差；情况二，桥面连续未解除，按一端滑动、一端固定设置。以中梁为例，采用精细化实体仿真分析软件midas FEA建立单梁实体网格模型，如图1所示。

图1 单梁实体网格模型

为了模拟顶升过程中两侧支点可能出现的顶升不同位移量的情况，给予滑动端一定的强制位移量，通过计算梁体表面混凝土的受拉应力值与混凝土的抗拉强度设计值进行比较，确定两个支点最大位移差阀值。计算结果见表1，计算模型如图2、图3所示。

表1 单梁模型不同强制位移下梁体产生最大受拉应力值

图2 5mm强制位移的应变云图

图3 6mm强制位移的应力云图

4 顶升监控

4.1 位移变化监控

（1）桥面标高

桥面高程的观测点用于推算每个梁片支点处的实际顶升高度，使顶升到位后桥面标高得到有效控制。在每个桥跨两端控制点处布置测点，通过水准仪在每阶段顶升抬高前后分别测量其相对标高，并做好记录，同时结合顶升控制系统中顶升高度数据进行校核，现场桥面标高测点布置图如图4所示。顶升前后，桥面标高变化如表2所示，现场过程标高监控如图5所示。同一个墩台相邻顶升点之间的顶升高差在0.5mm之内，同一片梁的顶升高差在5.0mm之内，满足监控要求。

图4 桥面标高监控示意

图5 桥面标高监控

表2 梁片顶升前后标高变化汇总

（2）桥梁中线偏移

在主线桥路线中心线对应桥面上每侧梁端各布置两处中线控制点，采用钢直尺实时观测梁体中线偏移情况。顶升过程和落梁后，梁体均未出现中线偏移情况。

（3）梁体纵向位移

在每片梁端安装基准钢片，在每级顶升抬高完成后用钢直尺量测限位钢片与基准位置的刻度差值。顶升过程和落梁后，梁体均未出现纵向偏移情况。

4.2 应力应变变化监控

主梁应力监控是对顶升施工过程是否安全的最直接的手段，是施工过程安全的保证[4]。应变监控主要是在顶升、持荷和梁体回落过程中对边梁和中梁关键断面进行监控，监控顶升过程中梁体的应变情况，传感器采用工具式表面应变传感器，现场测点布置图如图6所示。根据有限元软件计算结果，最大应变监控位置布置在顶升支点处。根据计算结果，要求同一跨两侧支点顶升高差控制在5mm之内，应变按33με控制。该桥顶升（落梁）梁体应变记录见表3，现场梁体应变监控如图7所示。

图6 梁体应变监控示意

图7 现场应力应变监控

表3 顶升（落梁）过程梁体应变记录表

根据现场实测结果，同步顶升实测梁体最大应变变化值为7με，远小于理论极限控制值，结构受力安全。

4.3 裂缝变化监控

根据前期外观检查情况，对跨中截面附近的受力裂缝以及超限宽裂缝布置传感器，监控其在顶升过程中的开展情况。顶升过程和落梁后，梁体裂缝未见明显发展，均未有新裂缝的产生。

5 结语

（1）仿真分析在桥梁顶升施工中的运用，即分析不同步顶升，计算时应充分考虑不同情况下结构产生的内力，以材料强度标准值确定顶升允许高差和应力允许范围。

（2）顶升施工监控应同时采用位移和应力（应变）双重控制原则。在监控过程中应不间断，当示值超过阀值时应立即停止施工，并分析原因，保障顶升施工的安全。

（3）通过采用精细化实体仿真分析软件 midas FEA建立单梁实体网格模型，能够精确的模拟梁片顶升中梁体的极限受力情况，为监控提供准确的判断阀值。

（4）理论分析结果与实测结果相吻合，顶升施工过程中梁体应力、位移偏差均在允许范围内，顶升结束后落梁平稳安全。该工程的成功实施为同项目其它类似工程提供较高的参考价值，进一步优化监控方案，提高了工程效率。

[1]马亮,王天鹏等.连续梁整体顶升施工监测与数值模拟分析[J].工程施工技术,2016.

[2]交通部专家委员会.中华人民共和国交通行业公路桥梁通用图——装配式后张法预应力混凝土简支空心板梁上部构造[S].北京：人民交通出版社.2008.

[3]于心然.下草湾大桥同步顶升支座更换施工技术[J].公路,2015,（4）: 118-122.