承台施工监测与有限元模拟

刘 燕，向 高，彭 驰

承台是桥梁的重要传力结构，通过承台将上部柱的荷载传递到下方的桩基础，并向桩基础均匀分配荷载，使得桩的受力均衡。承台施工质量的好坏，直接影响到桥梁结构的安全，因此需要高度重视。为了保证施工质量，在施工过程中，会采用一些监测手段，包括桩基础监测、围堰应力监测、混凝土温度监测等。

1 承台施工中的监测技术

1.1 承台桩基础监测

桩基的常见缺陷问题有：夹泥、断裂、缩颈、混凝土密实性差等；随着无损检测技术的发展，承台桩基础施工监测的超声波透射法、应力波反射法、高应变动力实验等，已逐渐成为施工质量控制不可或缺的手段。文献[1]在一维杆波动理论的基础上，结合小波变换，对桩基完整性进行监测。

该监测的原理是，由于缺陷区的干扰，缺陷面形成波阻抗界面，会使检测波形发生畸变，利用信号分析方法，能够监测判定桩基础混凝土的均匀性、定位桩身缺陷的位置、判断桩基的完整性。

1.2 围堰施工监测

通过对围堰的受力状态进行应力监测、及支撑内的位移监测，以确保围堰施工的安全性。监测点选择变形幅值大的部位，监测内容如图1，包括每个监测点的水平位移量和沉降量，绘制位移量、沉降量的时间关系曲线，出现异常，马上汇报。

1.3 混凝土温度监测

根据GB 50496-2009大体积混凝土施工规范，在混凝土施工过程中，要预防温度原因造成混凝土裂纹的产生，需要采用冷却循环水的方式降温，并在混凝土的养护过程中，对温度进行监测。监测的内容如图2，数据包括混凝土的表面温度和环境温度、湿度以及风速等，监测布控如图3[2]所示。

图1 围堰监测内容

图2 温度监测内容

图3 测温点布置示意图

2 承台施工中的有限元模拟

有限元模拟可以将复杂的力学模型，通过细化分为若干单元，利用规则进行单元的求解，从而得到复杂模型的应力、应变和位移。承台施工中，对于钢筋混凝土这样复杂本构模型的构件，通过有限元方法模拟完成其应力场、温度场等的计算，研究受力状态、环境状态，从而为施工工艺的选择，提供依据。

Ansys与midas是这一领域常用的模拟软件。文献[1]采用ANSYS-DYNA软件，对桥墩和桩基进行检测模拟，读取监测点的速度曲线，并进行分析。文献[3]采用Ansys对承台建模，从而对大体积混凝土施工过程中的温度场、应力场进行有限元模拟；文献[4]采用midas模拟承台施工过程，特别是对温度应力的分布情况以及混凝土的水化热传播过程进行模拟，得到温度分布云图，从而辅助优化混凝土的配合比以及冷却水管的布置；文献[5]对钢筋混凝土和裂纹的有限元模拟，按照裂纹深入构件内部的程度不同，将裂纹分为表面细小裂纹、中等裂纹和贯穿裂纹，采用降低材料的刚度和强度来模拟裂纹的扩展，并用三维混凝土单元模拟2m内的桩，用梁单元模拟2m以上的桩；模拟所用的钢筋混凝土参数见表1。

作为成熟的支护技术，模板式钢套箱主要的质量控制环节在于侧模和底模的设计，国内外很多学者对理论方面进行了深入地研究，其中重要的方法和手段就是利用有限元方法研究支护基础的三维整体仿真模型，研究结构在各种工况下的受力，进行设计分析。文献[6]采用Ansys中的Beam188、Shell63单元模拟钢套箱围堰，针对围堰内部抽水后，从第一层支撑焊接完毕到第六层支撑焊接完毕的六种工况，模拟监测了围堰的受力和变形情况。文献[7]通过midas程序建模的钢套箱模型和静水压力荷载图如图4、图5。

3 结语

将承台施工监测与有限元模拟相结合，通过有限元模拟指导具体施工过程中应采取的相应措施，同时监测数据也能对模拟结果进行验证，二者的有机结合，是保证承台施工质量的有效方法。

图4 钢套箱模型

图5 静水压力荷载图

表1 钢筋混凝土有限元模拟参数表