运河大桥悬浇施工控制与结构有限元分析

姜富强 ，范 明 ，吕新建 ，张炜瑶 ，王有志

(1.山东省路桥集团有限公司，山东济南 250023；2.机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007；3.华侨大学，福建厦门 361021；4.山东大学，山东济南 250061)

0 前言

预应力混凝土连续梁桥属于超静定结构，其设计与施工相关性很强，但是设计参数的理想取值与施工时的实际参数间一般存在客观上的差异，很多差异如所采用的施工方法、材料性能、浇筑程序、环境温度场、立模标高等都会直接影响箱梁的线形与受力，因此必须对整个桥梁的施工过程进行详尽的分析与监控控制。该过程一般分为三步，首先在施工现场采集必要的数据，通过参数辩识后，对理论值进行修正计算；其次对浇筑箱梁立模标高和主墩标高、垂直度、结构应力等予以适当的调整与控制，以确保设计值得以准确的实现；最后在施工过程中依据己建梁段的指标，预测未来梁段的指标。

本文结合济嘉线火头湾运河大桥工程实际探讨预应力混凝土连续梁桥悬浇施工仿真分析与控制技术。通过对该桥进行科学合理的施工仿真分析与控制，减少施工误差，缩短了工期，还大大节省了项目建设投资。

1 工程背景

济嘉线火头湾运河大桥，位于济宁市黄井镇前王村西京杭大运河上，已有老桥位于济宁与嘉祥来往的重要道路上，交通量大，重载车辆多。为此新建一座预应力混凝土连续梁桥，建成后新桥与老桥联合运营，可以缓解交通压力，提高行车安全。

新建济嘉线火头湾运河大桥主桥为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，引桥为等截面连续箱梁，见图1。桥梁全宽16.5 m，横向布置为0.50 m护栏+15.5 m行车道+0.50 m护栏(与北幅老桥对孔布置)。设计荷载为公路Ⅰ级，设计速度80 km/h，桥梁位于直线段上，桥头路线接坡，顺老路。桥梁两头纵坡为3%，桥梁在竖曲线段内，竖曲线R=8 000 m。因建成桥梁与北幅老桥联合运营，本桥设2%单向横坡。本桥桥址处月平均最高温度为34℃，月平均最低温度为-10℃。

图1 济嘉线火头湾运河大桥总体布置图

济嘉线火头湾运河大桥采用悬臂浇筑施工方法，即在已建成的桥墩上，以桥墩为中心，利用挂篮对称向两岸逐段浇筑梁段混凝土，待混凝土达到强度要求后，张拉预应力束，再移动挂篮，进行下一节段的施工。这样不断重复同一作业，直至合拢。

2 有限元仿真分析

2.1 模型的建立

在全桥空间结构分析中，建立用于分析计算的有限元模型，分析的成功与否在很大程度上取决于模型建立的好坏，为了精确的分析火头湾运河大桥的整个施工过程，需要对主梁施工的每一阶段进行跟踪模拟计算。本文采用桥梁分析专业软件MIDAS/Civil进行整个桥梁结构的有限元分析，根据火头湾运河大桥主桥施工工艺流程，划分了火头湾运河大桥主桥箱梁施工控制模拟计算的施工阶段及步骤。主桥上部结构分为66个节点、63个单元，整个结构形成过程共分为35个施工阶段和1个运营阶段，使整个施工过程中出现的改变都能在有限元模型中得到准确的体现。全桥有限元计算模型见图2。

图2 Midas/Civil有限元分析模型

2.2 主要影响因素的考虑

火头湾运河大桥的主梁施工是分段悬臂浇注的，每浇注一个新梁段都要经历一个移动挂篮→立模→浇注主梁梁段→混凝土养护→张拉主梁预应力的过程[1]，同时，在梁段的施工过程中，还有预应力筋的应力损失、混凝土收缩徐变、温度变化等因素的影响，所有这些过程及因素导致结构的内力和变形不断的发生变化，从而使得分析的难度提高，精度降低。

为了使模型分析结果更加接近实际，需要考虑到各种可能影响分析结果的因素并使其在模型中精确表达出来。关于预应力筋的应力损失的影响方面，MIDAS软件采用三维空间建模方式，可以准确的反映出桥梁预应力钢筋的平弯及竖弯情况，同时在施加预应力时，MIDAS会考虑到管道摩擦对预应力钢筋的影响，然后软件会自动计算出施加在桥上的有效预应力，对于钢筋松弛、锚具压缩变形等影响预应力的因素都会按规范要求考虑在内。关于混凝土收缩徐变的影响方面，在建立模型时程序会建立一个混凝土收缩徐变函数，再利用时间依存材料连接，将收缩徐变特性赋予到所建立的模型的混凝土上，使其具有了收缩徐变特性[2]。关于温度变化的影响方面，MIDAS软件提供系统温度(初始温度)设定的服务，而且模型建成后，可以考虑整体温度升降、温度梯度、温度场等变化产生的影响。

3 有限元分析结果及监控

3.1 温度对高程的影响

温度应力属于可变荷载，对混凝土桥梁结构来说，由自然环境条件变化而产生的温度荷载一般分为三种，一种是由年温度变化引起的，一种是由日照温度变化引起的，还有一种是由寒流影响的也就是温度骤降。年温度变化能使桥梁结构产生伸缩变形，并引起桥梁纵向位移，但这种变形和位移是缓慢而均匀的，这种纵向位移一般会通过伸缩缝等措施相协调，不会受到限制，所以一般不会产生次内力。日照温度变化能使桥梁各结构迅速产生不均匀的温度分布，短时间内形成相当大的温差，从而会产生温度应力，该应力一般很大。温度骤降也能使桥梁结构产生不均匀的温度分布，不过产生的温度应力一般比日照温度变化引起的温度应力小[3]。

日照温度变化对桥梁结构的影响是非线性的，且其变化对桥梁合拢前的影响是很大的，直接决定着合拢时间的选择。

3.1.1 日照温差的影响

下面以2#墩边跨合拢前悬臂端的最前端9#块为例，通过24 h监测结果说明温度对高程的影响大小，见表1。

表1 温度对高程影响监测数据

为了方便数据的观察分析，我们设定初始温度及高程为零，通过绘制温度及高程的即时值与初始值的差值图来更加形象的说明温度变化与高程变化的关系及温度对高程的影响大小,见图3、图4。

图3 河岸方向温度对高程影响图

图4 河心方向温度对高程影响图

从以上表格及图示中可以看到，当一天之中温度达到最高时，梁体下挠却不是最大，有一定的滞后性[3]。在最大悬臂施工阶段，温度对高程影响是比较明显的，一天之中最大温差下的高程能达到11 mm。

3.1.2 合理合拢时间的选择

对于悬臂浇筑的预应力混凝土连续梁桥来说，一般情况下桥梁跨度比较大，悬臂比较长。白天在太阳的照射下，箱梁的顶板和底板会形成较大温差，顶板温度高会导致混凝土膨胀，而相对而言，底板温度低则会导致混凝土收缩，从而使悬臂箱梁有向下的挠度变形，到晚上，箱梁顶板和底板温差很小几乎可忽略不计，顶底板混凝土收缩徐变程度相等，所以悬臂箱梁的挠度变形会逐步变小。由此可见，大跨度预应力混凝土连续梁桥在悬臂浇筑施工过程中，由于受日照温差的影响，悬臂箱梁挠度处于不断的变化之中，这种变形不仅会随着日照温差的增大而增大，也会随着悬臂长度的增长而增大。

从以上对温度应力的分析得知，温度变化对长悬臂箱梁的标高及应力都会产生较大的影响，所以说在桥梁合拢前通过反复不断观测，掌握住时间-温度-挠度变化规律曲线是相当重要的。通过有限元模型及现场观测数据的分析，火头湾运河大桥的合龙时间选择到了温度比较低的时候，两边边跨在凌晨合龙完毕，中跨在天气比较凉爽的下雨天顺利的合龙完毕。

3.2 线形分析与控制

火头湾运河大桥悬臂施工过程中，随着悬臂长度的不断变化，梁体挠度也随着当前施工块的浇筑和张拉不断变化，此变化在施工0～4号块时不明显，测量数据显示梁端挠度变化值在0～8 mm，除去一些测量误差等因素的影响，与模型理论计值0～4 mm基本吻合。而在施工5～9号块时变化则较为明显，最大下沉量为9#浇混凝土后，其前面3块(8#、7#、6#)下挠值在 12～19 mm，与理论计算值在14～21 mm基本吻合；而9#块张拉后6#～9#上挠值在10～19 mm，理论计算值为7～16 mm，两者基本吻合。总体看来，前期仿真分析模型是可信的。

表2为合龙后进行全桥桥面点高程联测测量而得出的桥梁底板高程结果。

对合龙后高程数据分析得知，全桥3个合拢段合拢精度符合设计要求，最大合龙高差6 mm；全桥合龙后，箱梁实际线形与目标线形数值吻合，主桥无折线突变，线形光滑流畅，达到了预期的目标；从实测数据与理论数据的对比来看，本文理论方法运用及计算比较准确、预拱度的预测误差比较小。

表2 合拢后桥梁底板高程结果

3.3 应力分析与控制

火头湾运河大桥的应力测试仪器采用的是金坛市海岩工程仪器厂生产的YBJ-4501型振弦式应变计。测点布置见图6、图7。

在预应力混凝土连续梁桥悬臂施工中，箱梁根部附近的截面应力测试基本上贯穿于整个桥梁箱梁的施工过程中，且该处应力变化最为复杂，所以预应力混凝土连续梁桥箱梁根部截面应力控制尤为重要[4]，本文选择1#墩中跨侧0#块箱梁截面的应力作为分析研究对象，结果见表3。

图6 应力监测截面布置图(单位：mm)

图7 截面应力测点布置图

表3 1#墩0#块中跨侧应力理论值与实测值对比结果

从表3及图中可以看出，箱梁在悬臂施工时施工阶段不断进行的情况下，实测应力变化与理论应力变化规律一致且相差不大，说明箱梁工作正常。底板实测数值与理论数值基本吻合，规律一致，部分数值有一定误差，但满足规范要求，分析其原因主要为：局部应力影响，比如测点正好接近某根预应力束；测量时桥面施工荷载等施工因素亦会影响应力测量结果。

4 结语

(1)对火头湾运河大桥进行了结构分析计算，通过理论数据和实测数据的对比分析，结果表明计算分析结果很好反映该类桥梁的各施工阶段及成桥状态的实际情况。

(2)温度效应对控制成果的影响是很大的。日照温差和年温差都对主梁的顺桥向变形有影响，但对于连续梁桥来说，墩梁的支座连接方式及伸缩缝的设置都能够很好的解决这个问题。日照温差决定着合龙时间的选择，桥梁合龙质量的好坏又对成桥运营后的状态有很大影响，所以，合龙时间可选择在日照温差较小的时候。

(3)火头湾运河大桥的边跨合龙后，济宁方向边跨合龙高差为5 mm，嘉祥方向边跨合龙高差为6 mm，中跨合龙高差为6 mm，满足规范要求，说明对该桥梁的监测控制是比较成功的。

[1]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]高金港,周世军.大跨径高速铁路连续梁仿真分析与施工监控[J].甘肃科技,2010(20):154-157.

[3]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,2004.

[4]叶见曙,贾琳,钱培舒.混凝土箱形温度分布观测与研究[J].东南大学学报:自然科学版,2002,32(5):788-793.

[5]区展锴.大跨度连续刚构桥悬臂施工控制分析[J].科学技术与工程,2009,9(24):7561-7564.

[6]Choi,C.K.,Kim,K.H.,Hong,H.S.Spline finite strip analysisof prestressed concrete box-girder bridges[J].Engineering Structures,2002,24(12):1575-1586.

[7]Okeil,Ayman M.Allowable Tensile Stress for Webs of Prestressed Segmental Concrete Bridges[J].ACI Structural Journal-American Concrete Institute,2006,103(4):488-495.

[8]Qing-Jie Wen.Long-term effect analysis of prestressed concrete box-girder bridge widening[J].Construction and Building Materials,2011,25(4):1580-1586.

[9]Baoguo Chen,Rui Ding,Junjie Zheng,etc.Field test on temperature field and thermal stress for prestressed concrete box-girder bridge[J].Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China,2009,3(2):158.