龙浦大桥施工过程仿真模拟与监控分析

吴文锦，许涛

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门361021）

1 引言

目前，大跨度预应力钢筋混凝土连续梁桥结构体系的设计与整个桥梁施工过程的相关性非常强，特别是施工工艺、施工方法、混凝土的质量、施工浇筑的先后顺序、现场的环境温度、立模时的监控指令以及所采用的挂篮构造体系等都会直接或间接地影响成桥结构体系在成桥阶段的线形和受力情况，而实际施工中的参数实际值与设计的参数理想取值之间的差异是客观存在的。因此，为了进一步确保大跨度连续梁桥的结构体系在成桥以后能够顺利地通车运营，十分有必要在桥梁的施工过程中建立与桥梁结构成桥状态相对应的各种环境及边界条件。鉴于大跨度连续梁桥工程结构设计与施工过程的高度相关性，当桥梁结构体系在施工过程中对应的结构体系发生不断变换时，主梁悬臂浇筑的过程中，主梁结构的受力情况和位移变化较大，影响的因素也较多，从而使得实际的桥梁工程在各个施工阶段的临时状态难以与设计理想状态保持一致。

总的来说，导致桥梁工程的实际成桥状态与原设计理想状态不一致的主要原因包括[1]：（1）桥梁工程的设计参数与实际工程结构有可能不完全一样；（2）实际工程环境的影响，如施工现场的温度和湿度条件、采用的挂篮自重等；（3）桥梁在施工过程因施工水平与施工工艺所产生误差的影响；（4）桥梁施工过程中的实际受力状态与简化的理论计算模型之间的误差影响；（5）施工量测误差所产生的影响。在实际施工过程中，以上主要因子的影响在桥梁结构的设计阶段难以完全考虑到，如果在施工过程中不能根据实际情况进行有效控制，逐步积累的误差可能会导致成桥后桥梁工程的整体受力及主梁线形与初始设计目标发生严重偏离，从而可能会影响桥梁工程的服役可靠性[2]。

本项目以华安县经济开发区龙浦大桥主桥上部结构为具体的控制对象，对其施工过程中结构的受力和变形进行有效的监测和控制。通过桥梁结构悬臂浇筑施工过程中实测的数据反馈，在施工过程中逐步做到把握当前、避免施工误差，保证桥梁的施工和使用安全，并尽可能地缩短施工的有效工期和节省项目的投资。同时，还能够为本桥梁工程的正常运营和长期健康监测提供可靠的依据。

2 工程概况

龙浦（龙径）大桥及连接线工程项目位于福建省华安县丰山镇龙径村，在厦蓉高速九龙江大桥以东约300m 处，路线起点位于华安县经济开发区南北大道二期的终点（K0+830），沿线分别与龙南路、规划路相交，于K1+525 位置新建龙浦（龙径）大桥（以下简称“龙浦大桥”）跨越江滨路和九龙江北溪，终点接于规划中的国省干线联六线（K1+840）。龙浦大桥桥梁全长427m，桥型布置为3×30m+4×30m+40m+70m+40m+2×30m，桥梁采用分幅设计，左幅与右幅桥梁间距0.5m，单幅桥面宽16m。引桥上部采用先简支后结构连续30m T 梁，下部桥墩采用双柱式墩配桩基础，桥台采用肋板式桥台，基础采用钻孔灌注桩基础，桩基均为端承桩；主桥上部结构采用40m+70m+40m 单箱双室变截面预应力混凝土箱梁，设纵竖双向预应力体系，主桥下部结构桥墩采用矩形实体薄壁墩，承台为高桩承台，群桩基础，桩基均为端承桩。桩基采用C30 水下混凝土，圆柱墩、系梁、承台采用C35 混凝土，薄壁墩、盖梁、台帽采用C40 混凝土，T 梁、箱梁主梁采用C50 混凝土，桥面铺装采用C50 防水混凝土加双层沥青混凝土。主桥为40m+70m+40m 的3 跨预应力混凝土连续梁桥。

3 桥梁有限元建模与施工过程仿真分析

3.1 桥梁有限元建模

在桥梁的有限元建模中，需要对桥梁结构的刚度特性、质量参数和边界条件等进行准确无误的模拟，这也是后面进行施工阶段仿真模拟和受力分析的基础，在建模过程中应尽量保证以上3 个方面的情况与工程实际情况相一致[3]。主梁采用弹性梁单元直接进行模拟，桩基采用规范中的MIDAS 法来考虑桩-土的相互作用，桩底则采用完全固结的结构形式。本文按照有利于计算和保证计算准确性的原则以及按实际施工过程要求来划分单元节段长度，采用MIDAS CIVIL 程序进行有限元建模，全桥共123 个节点，95 个单元，其中主梁单元54 个。

3.2 施工过程仿真模拟

根据龙浦大桥的设计施工图纸和相应的施工组织实施方案，拟采用挂篮悬臂现浇施工工艺进行施工，其中，主桥变截面连续箱梁悬浇施工的主要程序如下：（1）安装托架浇筑0 号梁段；（2）安装8 号、9 号主桥墩挂篮，对称悬臂浇筑1 号～8 号梁段；（3）搭设边跨支架浇筑边跨现浇段；（4）该跨合龙前拆除该跨合龙跨的挂篮；（5）合龙边跨，拆除边跨支架；（6）合龙中跨，拆除中跨吊架。采用MIDAS CIVIL（迈达斯）程序对以上工序进行有限元仿真模拟，其中，挂篮质量采用集中荷载进行模拟，现浇阶段梁段的质量也采用荷载进行模拟，混凝土养护完成并张拉预应力以后梁段才参与结构受力，此时，采用激活相应梁段单元的形式来实现。

3.3 成桥阶段理论计算

根据前面建立的桥梁有限元模型及相应的施工过程，对桥梁施工过程进行仿真模拟和计算，在混凝土主梁的施工阶段分析中可以根据施工实际情况来假定结构成形时的材龄，并通过迭代计算来考虑不同梁段混凝土收缩/徐变等时变效应的影响，最终得到主梁在成桥阶段的应力和变形情况。通过合理的施工阶段划分，理论情况下主梁上下缘在成桥状态下都处于受压状态，而且压应力的安全储备充足。此外，由于桥梁的预应力效应明显，成桥阶段主梁的跨中最大竖向位移仅为13.39mm，而边跨则还有向上翘的趋势，且最大变形为25.6mm。主梁结构的以上变形特点有必要在施工控制中予以考虑。

4 施工监控与理论值对比分析

根据主梁浇筑过程中各节段施工过程监控实测数据，以及MIDAS CIVIL 计算得到的理论分析数据，可以得到施工过程中主梁现浇模板立模标高的理论值与施工中模板立模标高的实测值的对比情况。在各梁段悬臂现浇施工的过程中，计算理论值与实际测量值的高程最大偏差仅仅为5mm，以上数据均是在稳定的温度场下测定。由此可见，龙浦大桥的施工安装误差均在监控控制允许的范围内，符合控制精度和设计要求。

除此以外，还可以得到主梁上、下缘应力实测值和理论值比较情况，如图1 所示。由图1 中的对比数据可以看出，施工过程中的实测值与理论值十分接近，而且大多数实测值均略小于理论值，表明桥梁结构的应力控制精度满足要求。

同时，由图1 还可以发现，主梁的上、下缘对应的应力都是负值，表明主梁各截面均有较强的压应力储备，可以满足运营状态的要求，满足设计规范的要求，从而确保桥梁结构的使用在安全范围以内。

图1 施工过程主梁应力监控结果对比分析

5 结语

本文基于龙浦大桥的施工方案，采用有限元分析软件对其桥梁施工全过程进行仿真模拟，并基于现场监控测试的数据，对施工过程中以及成桥状态下的主梁线形和受力情况进行了分析。分析结果表明，龙浦大桥主梁线形控制在合理范围内，符合控制精度和设计要求，桥梁的应力控制精度也满足要求。此外，主梁各截面均有较强的压应力储备，可满足运营状态的要求。