桁架式钢混组合结构桥施工控制技术

马建侨，李 飞，李福利

(天津城建集团有限公司，天津市 300211)

桁架式钢混组合结构桥施工控制技术

马建侨，李 飞，李福利

(天津城建集团有限公司，天津市 300211)

随着社会的进步，国内桥梁结构多样化、施工技术日趋成熟，各种新兴结构应运而生，对桥梁结构设计的合理性、使用的安全性、长久化、结构的轻量化提出了更高的要求，钢-混凝土叠合梁桥便是兼具以上诸多特点的新型结构桥梁，但整体桥面系受力较为复杂，每进行一步施工都有可能影响桥梁整体质量和受力性能，为此需要在桥梁施工全过程中使用BIM软件、利用有限元程序ANSYS对桥梁主体结构建立完整、统一的桥梁结构仿真分析模型，全程模拟计算，分析各施工阶段的的受力特点，在施工过程中检测每道工序施工后，桥梁的应力与挠度，为下一步施工提供科学依据和理论基础。

新型结构;程序软件;仿真模型;模拟计算;应力;挠度

0 引言

随着现代桥梁结构的多样化、复杂化，使用计算机软件进行模拟计算，施工前对方案进行优化，施工过程中进行控制、修正并指导下一步施工，让不可预见的问题始终在可控状态，确保桥梁施工质量与安全已变得尤为重要。

本文以天津市吉兆桥为工程背景，论述了在在施工前通过建立正确的模型和性能指标之后，就要依据设计参数和控制参数，结合桥梁结构的结构状态、施工工况、施工荷载、二期恒载、活载等，获得结构按施工阶段进行的每阶段的内力和挠度及最终成桥状态的内力和挠度。假设成桥时为理想状态，对桥梁结构进行倒拆，利用前进分析所得的数据，可获得使桥梁结构最终为理想状态的各阶段的预抛高值，得出各施工阶段的立模标高以临时支撑、砼浇筑后、钢筋张拉前、钢筋张拉后的预计标高，对方案进行优化，在施工过程中通过预先安装和埋设的感应原件监测出各阶段的实际状态值，再由最后的最优控制，结合实际观测值，得出最优调整方案，最终完成整个控制过程。

1 施工过程全程模拟计算

钢混组合结构桥梁整体桥面系受力较为复杂，每进行一步施工都有可能影响桥梁整体质量和受力性能，为此项目部聘请国内较权威的机构做为第三方使用BIM软件、利用有限元程序ANSYS对桥梁主体结构建立完整、统一的桥梁结构仿真分析模型，全程模拟计算，分析各施工阶段的受力特点，为下一步施工提供科学依据和理论基础[1]。

1.1 仿真模型的定义

根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的桥梁结构模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

1.2 施工监测过程及大数据计算

桥梁施工监控是一个“施工→测量→计算分析→修正→预报→施工”的循环过程。事先在塔、梁、索等主要结构部位布设相关的传感器和测试仪器以获得大量的控制数据，包括几何参量和力学参量;利用高效计算机程序，对数据进行分析处理，确定一个阶段的施工参数。通过二者的有机结合，对施工过程结构状态的变化进行有效的预测和控制，实现桥跨结构的内力和线形符合设计要求，确保桥梁施工安全和正常运营，并保证其具有优美的外观形状。

1.2.1 监控监测的任务

施工监控监测的工作任务:

(1)在施工过程中，与施工协调配合，通过监测反馈的数据，对大桥进行实时控制，使桥梁达到设计所希望的几何形状和合理的内力状态，确保桥梁在实际施工过程中的安全与稳定。

(2)与设计单位、监测单位密切配合，制定安全、最优、合理的详细施工方案和步骤。并根据选定的施工方法，对施工阶段进行仿真计算，提供各施工阶段的施工控制参数。

(3)针对桥梁实际施工状态与理想设计模型的差异以及理论值与实测值不一致的问题，及时调整计算模型及参数，并根据实际情况及时调整下一施工阶段的控制预报参数。

1.2.2 监控监测的实施

施工监控采用预测控制法，即在全面考虑影响结构状态的各种因素和施工所要达到的目标任务后，对结构的每一个施工阶段形成前后状态进行预测，使施工沿着预定状态进行。由于预测状态与实际状态之间总有误差存在，某种误差对施工目标的影响则在后续施工状态的预测予以考虑，以此循环直到施工完成和获得与设计相符的结构状态。

(1)监控计算模型的建立

在结构仿真计算分析中，建立用于分析计算的有限元数学模型是至关重要的一环。

a. 建模的基本要求

在结构仿真分析计算模型的建立过程中，主要考虑以下几个方面的要求:

结构形状(包括构件的长度、宽度、厚度等)变化的要求;

材料特性(模量、容重、泊松比、温度膨胀系数等)变化的要求;

桥面恒载、施工荷载、汽车活载等作用模拟的要求;

问题求解计算精度的要求;

计算求解过程中为避免出现病态问题的要求。

b. 换算(等效)模量和容重

在分析中，把钢筋混凝土视为匀质材料，这就需要对其弹性模量和容重进行换算，也即进行等效处理。

式中:Ecs、Dcs分别为钢筋混凝土的等效弹性模量、等效容重;Ec、Dc分别为混凝土的弹性模量、容重; Es、Ds分别为钢筋的弹性模量、容重;G为配筋率，小于2%时可以忽略。

全桥其他各钢筋混凝土部位配筋率各不相同，因此各个部分就会有不同的等效模量和等效容重。

c. 收缩、徐变及温度影响

对于塔柱等分段浇注的混凝土或钢筋混凝土结构的收缩影响力，相当于降温10℃～15℃，对应的收缩终极值为15×10-5～20×10-5。

徐变在计算分析中用调整龄期的有效弹性模量法来考虑。有效弹性模量

式中:E(τ)为加载龄期τ时的弹性模量;χ(t，τ)为老化系数;Φ(t，τ)为徐变系数。

在超静定钢结构结构中，温度的影响是不可忽视的。无论是年温差还是日温差，或者是各构件之间的温差，都会引起结构的内力重分布。按照设计要求的温差计入温度影响力。

d. 基础与地基

地基和基础均由三维实体单元来模拟，不同岩性的地基作为不同材料来处理。把地基作为不同性质的材料做成模型，共同参与受力分析，这样使分析具有完整统一的计算模型，减少甚至避免了由于边界条件的假定而带来的缺陷。

(2)结构计算与分析

依照以上建模方法，利用有限元程序ANSYS建立完整、统一的桥梁结构仿真分析模型。然后依据此模型，采用ANSYS计算模块进行调试计算，对该桥在各种工况下、各部分的受力及变形特点进行分析研究，以期提出合理的分析结果或对施工有利的建议。

监控计算包括以下内容:

a. 全桥恒、活载作用下结构整体空间计算分析;

b. 主梁受力与变形分析;

c. 温度对全桥结构受力性能影响分析;

d. 风荷载对全桥结构受力性能影响分析;

2 应用

吉兆桥主桥钢结构全长200 m，充分考虑场内加工，道路运输、吊装以及高空组装焊接的问题，经过多次研究，确定将钢结构不均匀划分为13段。

施工方案确定与空间仿真分析:

通过计算分析，确定详细的钢结构与预应力混凝土结合板的施工顺序，并对结构进行模拟施工的空间仿真计算，分析各个施工阶段的应力、应变状态，验证施工方案的可实施性和结构设计的安全性。

监控计算采用倒拆法，通过从成桥状态倒拆结构的过程进行结构分析来得到每一工况段结构的内力状态和位移状态。计算时由于设计所采用的计算参数(诸如材料弹性模量、构件的重量、施工中温度变化以及施工临时荷载条件等)与实际工程中所表现出来的并不完全一致，因此计算只能按假定的理想状态进行计算，然后再根据施工过程中所监测到的实际结构参数对原假定计算施工控制的目标值进行必要的调整，以保证主体结构在施工过程中的安全并最终达到或接近设计成桥状态[2]。

主梁应力测量与线形控制:主桥钢梁结构为钢管桩临时支撑，先拼接钢结构主梁和浇筑除负弯距区外的混凝土，然后进行体系转换，再浇筑剩余部分混凝土并张拉预应力束。在钢梁各施工阶段，必须实时进行主梁线形控制和应力测量，以便及时调整施工状态。

2.1 各施工工况监测重点

本工程桥梁结构较为复杂，施工工序较为繁琐，主要包含支架拆除、负弯矩下弦杆配种混凝土浇筑、分段混凝土浇筑及预应力张拉等12个工序，施工过程中应主要对桥梁主体结构的应力及挠度变化进行监测。

2.2 应力应变分析

本次施工过程中，通过在结构中预先安装的监测元件，测得了桥梁跨中的应力和挠度变形数值，并与理论计算值进行了比对[3];加测了主桥7号断面的应力值变化，具体数值见图1～图4。

图1 跨中断面计算挠度

图2 跨中计算应力

从图1中的数据可以看出，跨中断面的混凝土桥面板、上弦杆顶面以及下弦杆底面的挠度变化成正比，即拆除临时支撑后浇筑配种混凝土增加了下弦杆的稳定性，但基本不影响桥梁主体的整体挠度，负弯矩混凝土的浇筑与预应力张拉也未对桥梁主体结构挠度变化产生较大的影响，然后随着正弯矩桥面板混凝土的浇筑正加了桥梁跨中区域的自重，进而使挠度变化增大，而后进行预应力张拉又使桥梁主体结构有较大的上挠幅度，后期增加的二期恒载也增大了桥梁整体的挠度。

从图2和图4中的数据可以看出，每道工序对混凝土的应力数值影响不大，上弦杆的应力仅收到正弯矩混凝土的预应力张拉影响，随着预应力的张拉，应力数值逐渐减小，下弦杆的应力与挠度变化呈现出负相关的变化趋势，主要由于上承式桥梁结构随着桥梁整体结构的逐渐成型，应力也会逐渐向上转移。

从图3中的数据可以看出，拆除临时支撑后，由于桥梁主体结构自重的承载方式的转变，结构挠度瞬间增加，随着桥面混凝土板的张拉，使结构的挠度逐渐减小，由于施工监测存在微小误差，同种结构在桥梁上下游的施工也不能保证完全一致，就出现了数据上微弱的差异，但仍在合理范围内。

图3 跨中实测挠度数据图

图4 吉兆桥应力测表量(7截面)

3 结语

通过对模拟结构的计算可以得出桥梁理论挠度变形和应力值，我们可以以此作为依据指导施工，在实际施工中，通过预先设置的测量元件以及光学测量仪器对实体结构进行测量，可以得到桥梁结构在各工序中最为真实的应力和应变数据。通过将理论值和实测值得对比可以得出两组数据具有极为相似的规律性变化，进一步证明了使用BIM软件、利用有限元程序ANSYS对吉兆桥主体结构建立完整、统一的桥梁结构仿真分析模型，全程模拟计算对此列桥梁施工的指导性作用，这也为今后同类型桥梁施工提供理论依据。

[1] 高广义，李锡胤.中山二桥施工监测报蘙[R].天津港湾工程研究所，1995.

[2] 高广义，李哓军.天津彩虹大桥施工监测监控技术试验研究[R].交通部天津港湾质量检测中心，1998.

[3] 张和水，高广义.韩庄104国道公路桥施工监测和结构试验研究报告[R].天津港湾工程研究所，1999.

U445

B

1009-7716(2015)11-0114-04

2015-07-13

“十二五”国家科技支撑计划《钢-混凝土组合结构现代化施工技术研究》(课题编号:2011BAJ09B0403)。

马建侨(1976-)，男，广东紫金人，高级工程师，从事道桥施工管理工作。