基于数值仿真的拱桥施工监控技术

杨 浩

（重庆交通大学 土木建筑学院 重庆 400074）

基于数值仿真的拱桥施工监控技术

杨 浩

（重庆交通大学 土木建筑学院 重庆 400074）

桥梁施工难度大，结构复杂，为保证桥梁施工安全，成桥后线形符合设计要求，结合数值仿真技术对全桥施工过程进行监控是很有必要的。以某1-100米渡水拱桥为研究对象，选择5个应力监测面，将实测数据与有限元模型数据进行对比分析，为实际施工提供真实可靠的数据支撑，利于施工方案的调整或修改，提高桥梁施工质量。

拱桥；施工监控；数值仿真

0 ．前言

桥梁施工监控的目的和意义就是保证施工过程中结构的安全性、桥梁分段顺利合拢。根据施工监测所得的结构参数真实值进行施工阶段计算，并在施工过程中根据施工监测的成果对误差进行分析、预测，从而通过施工方案进行调整，以此来保证施工沿着预定轨道进行。无论是挠度观测值还是截面应变观测值中都包含温度不均匀产生的影响。采用挠度和应力双控参数对整个施工过程进行监测，能够有效地实现施工控制，使结构的外观形状和内力均符合设计、施工规程的要求，保证大桥顺利建成及运营后结构内力和线形良好。

1 ．工程概况

渡水桥设计为1-100m箱形板拱桥，主拱圈为等截面悬链线无铰拱，净跨100米，矢跨比1/6，拱轴系数m=1.756，由于桥址区场地限制，主拱圈采用搭设钢拱架现浇施工。两岸引桥桥墩基础及桥台基础均采用双柱式基础，且岩层饱和极限抗压强度不小于6MPa。两岸主拱拱座均为砼圬工结构，嵌入除去强风化破碎层后的新鲜完整基岩内，拱座砼采用不立模浇筑，使拱座砼与岩体成一整体。

2 ．施工监控原则

拱桥的理想几何线形与合理内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法。如何通过对施工过程的控制，在成桥时得到预先设计的受力状态和几何线形，是桥梁施工中非常困难和关键的问题。同时，施工控制的结果为桥梁实行长期监测提供原始依据，是桥梁运营状态监测的起点。

根据以往钢筋混凝土箱拱桥施工控制经验，影响施工过程中桥梁结构内力和线形的因素主要有以下几方面：（1）桥梁施工临时荷载，（2）拱架刚度和稳定性，（3）主拱合拢时温度影响，（4）混凝土徐变及收缩，（5）混凝土弹性模量。

桥梁施工监控的目标，就是根据施工监测所得的结构参数真实值进行施工阶段计算，根据施工监测的成果对误差进行分析、预测，以此来保证施工沿着预定轨道进行，从而保证主梁合拢后桥面线形和结构内力符合设计要求，保证施工过程中结构的安全性、桥梁顺利合拢、桥梁成桥受力状态及合拢后桥面线形良好。然而，由于实际施工过程中各种条件的变化，结构在成桥时桥梁的内力和线形与设计总存在一定的误差，根据以往的该类桥型施工监控经验，在保证结构施工和营运内力安全的前提下，结构在成桥状态的线形与设计相比，高程线型最大偏差一般不超过20mm；桥轴线偏差一般不超过10mm；横向扭转一般不超过10mm。

渡水桥施工监控目标的选择应考虑两个方面的因素，一方面要选择用现有技术条件能实施的控制目标，另一方面要选择对主桥结构有重要影响的关键控制目标，并且量测到的控制目标能反映主桥结构的实际状况，对施工过程的安全能起到指导意义。

3.结构计算与分析

结构分析是结构施工控制的主要工作内容之一，该项工作根据施工过程与成桥运营情况来完成各施工状态及成桥后的内力与位移计算，进而确定出结构各施工阶段的内力与位移理论值。计算可考虑施工的进程、时间、相应状态临时荷载、环境温度、截面的变化、结构变化、混凝土的收缩与徐变、预加应力等因素。可确定预测下一施工状态及施工成桥状态的内力与位移。结构施工过程中结构分析采用倒退分析与前进分析两种方法。结构施工过程中结构行为分析采用非线性有限元法。该项分析包括如下几项内容：

（1）桥梁结构的检算复核：复核结构初始状态的预拱度；确定各施工理想状态的内力与位移。

（2）通过比较确定出结构最大内力与位移的相应状态。

（3）施工过程中的稳定性计算：确定最不利状态，提出相应的抗失稳措施。

（4）给出有关施工的建议。

按照设计图运用大型通用有限元分析软件Midas建立有限元分析。

根据桥梁的实际施工以及监测情况，将桥梁分成如下阶段（主拱圈顶板底板各分三个施工阶段阶段）：1、安装钢拱架；2、钢拱架进行试压；3、卸掉钢拱架试压荷载；4、安装腹板横隔板5、浇筑拱脚实腹段；6、主拱圈底板第一段（拱脚到跨中一段区域）；7、主拱圈底板第二段（拱顶底板浇筑）；8、主拱圈底板第三段（底板合龙）；9、主拱圈顶板第一段（拱脚到跨中一段区域）；10、主拱圈顶板第二段（拱顶顶板浇筑）；11、主拱圈顶板第三段（顶板合龙）12、拆钢拱架；13、浇筑5、6、7号墩立柱14、浇筑部分立柱和盖梁；15、立柱和盖梁浇筑完；16、主拱圈上浇筑部分桥面板；17、主拱圈上桥面板浇筑完。

根据不同的施工阶段得到监测截面的应力值、位移值的大小。

4.实测数据的获取

渡水桥施工监控的主要内容包括：施工阶段钢拱架与主拱圈的应力、应变、位移（主要是沉降）、拱轴线偏位。

考虑要适合长期施工过程观测并能保证足够的精度，对钢拱架和主拱圈分别选用长期性、稳定性较好，精度较高的 JMZX-212 型表面智能数码弦式应变计和JMZX-215型埋入式混凝土应变计，以及配套的数字频率接收仪进行应力测试。通过测定应变计的频率，从而换算得到应力值。

根据渡水桥施工时的方法、受力特点和施工控制的主要目的，确定钢拱架和主拱圈正应力截面各5个，分别为拱脚截面（2个），1/4截面（2个）和拱顶截面（1个）。

对于钢拱架，应变计采用 JMZX-212型表面智能数码弦式应变计，其安装点具体位置如图2；

对于主拱圈，应变计采用JMZX-215型埋入式混凝土应变计。

根据现场的环境情况，由于施工环境在发生变化，所以钢拱架和主拱圈均采用自由设点坐标的方法，在靠近施工现场区域选择一点作为仪器点，一点为后视点，标记完成后，用这些点作为固定点设立坐标系，观测桥上设立的观测点，测试每一个测点的 X、Y、Z坐标值，每次测试值与最初值和上一次的值进行比对，控制差值在合理范围以内。测试仪器选用进口的GPS全站仪，对于坐标值测试更加精准。

为消除日照温差引起的拱圈的不规则变化，线形测量选择在温度变化小、气温稳定的时间段进行，并应缩短测量工作持续的时间。

根据施工进度，及时获取不同施工阶段的实测数据，保留原始数据。如果测量中发现测量数据有较大的偏差，应当加强监测的频率，分析可能造成偏差的原因。

5 结论

运用桥梁专业有限元软件midas civil，通过建立符合现场实际的有限元仿真分析模型，对桥梁各施工阶段以及关键部位应力状态的实时预报分析，并辅以控制截面关键部位应力的实时测量分析。实时调整仿真分析参数，使其最大限度地反映现场实际的各种情况。调整后的仿真分析结果与现场实测数值吻合良好，充分说明了有限元仿真模型的建立、边界条件的模拟、荷载模式的选择以及桥梁物理参数的取值均符合现场实际，科学地预报了下阶段桥梁应力和变形状态，为大桥的安全施工提供了有效技术保障。

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