三维信息建模在练江1号桥施工中的应用

王一汉

摘要：文章结合练江1号桥梁施工实例，通过应用有限元等软件，针对施工期间的具体情况建立完善的三维信息模型，对施工期间的应力、挠度等重要参数进行模拟，并以此对施工工作提供指导。研究发现：将整个施工周期划分为19个不同的阶段，在承载力以及正常使用极限状态下，均能够满足规范条款与行业标准的要求;具体施工期间通过控制主梁、接头以及0#块等重要位置的施工技术与工艺，能够全面提高整个桥梁工程的施工质量。

关键词：桥梁工程;三维信息建模;施工应用;有限元软件

中国分类号：U445文献标识码：A

0 引言

桥梁事业的迅猛发展，极大地加快了国内经济社会的发展速度与进程。虽然前人在橋梁设计与施工领域中做出了深入的研究，但是在实际工程与软件应用的结合方面存在一定的问题。因此，当前在开展桥梁工程的设计、施工中，要加强对信息化软件的应用，不断提高设计工作的合理性，对施工方案进行有效的优化。

1 工程概况

在本工程中，拟建大桥为练江1号桥，其中心桩号是K62+793，起迄里程桩号是K62+327.5～K63+258.5，于前溪船闸上游约2 km处跨越练江。经过专家论证与比选后，最终决定主桥使用（37.5+68+68+37.5） m连续刚构桥形式。具体施工期间，主要使用的是挂篮悬臂浇筑工艺与技术。另外，对于主桥箱梁结构而言，施工时使用的是预应力混凝土箱梁结构。其中，单箱单室截面的顶部宽度设计为12.5 m，单箱的底部宽度设计为6.2 m。在主墩位置处，将截面的高度设定为4.2 m，跨中的高度达到了2 m。图1是主桥桥型布置图。

2.1 计算模型

2.1.1 结构计算有限元模型

在进行三维模型的建立环节中，主要应用的是有限元软件Midas Civil 2013等先进的专业软件。通过建立分析模型，可以发现在本工程中，全桥共设置了613个节点，由574个单元共同组成。图2是利用软件建立起来的全桥整体模型图。

2.1.2 施工阶段的划分

根据本工程的实际状况，并综合施工期间的各项影响因素，将整个施工过程划分为19个不同的施工阶段：

（1）在第一施工阶段中，主要开展下部结构的施工。

（2）在第二施工阶段中，主要进行墩顶0#块的浇筑工作，施工期间要对混凝土质量以及振捣工作进行严格的控制。

（3）在第3～10施工阶段中，主要开展上挂篮以及块件1到块件8的悬浇工作。

（4）当工程进入到第11～14施工阶段时，主要进行边跨满堂支架施工以及上边跨合龙吊架施工，并完成合龙压重。之后，还要做好边跨合龙、边跨满堂支架的拆除以及上中跨吊架的合龙、压重等工作。对于中跨合龙段而言，其预顶力应控制在2 500 kN左右。

（5）当工程进入到第17～19施工阶段时，工程已经接近尾声，主要进行的是中跨合龙等工作。

2.2 计算内容

2.2.1 承载能力极限状态验算结果

图3为正截面抗弯承载能力验算结果曲线。从图中信息能够看出，该构件的承载力设计值能够达到规范规定的承载要求。

图4所验算的是斜截面抗剪承载力。通过图中信息能够看出，该结构的斜截面抗剪承载能力可以达到规范规定的承载要求。

2.2.2 正常使用极限状态抗裂验算结果

（1）通过有限元软件建立三维信息模型，并对其进行模拟之后，发现梁端局部单元应力存在失真问题。但是，在进行主梁正截面抗裂性能的验算过程中，发现全预应力构件能够满足性能方面的具体要求。（2）对于梁端单元的验算发现，正截面的抗裂性能可以满足A类预应力构件的相关要求。（3）借助于有限元等软件进行模拟之后，得出了主梁最大主拉应力的具体计算值：0.47 MPa<0.4 ftk=1.1 MPa，从这一数值能够看出结构可以满足应力要求。图5所展示的是斜截面抗裂验算状况。

2.2.3 持久状况应力验算结果

（1）在进行正截面压应力验算时，通过建模能够看出，在主梁截面的上缘位置处，受压区混凝土受到的压应力是最大的，通过计算结果16.3 MPa<0.5 fck=17.75 MPa可以看出，应力状况可以满足设计要求。（2）在进行斜截面主压应力的具体验算工作时，计算结果为16.3 MPa<0.6 fck=21.3 MPa，因此对于主梁来说也能满足应力方面的要求。

2.2.4 正常使用极限状态下的主梁挠度验算

借助于所建立的三维信息模型，在进行长期挠度（主要由自身重力产生）的消除之后，该桥梁工程的主梁结构产生的最大挠度是4÷0.95×1.412 5=6 mm

2.2.5 预应力钢筋最大拉应力的验算分析

在结构的受拉区域内，钢筋的拉应力验算结果如表1所示。

通过计算可得：σpe+σp=1 193 MPa≤0.65 fpk=1 209.00 MPa，表明最大拉应力值能够满足规范的要求。

2.3 施工期间应力验算结果的分析

在本次的模型建立过程中，对于短暂状况构件应力验算结果如图7所示。通过分析表明，因为σtcc=13.89 MPa≤0.70 f′ck=19.88 MPa，所以能够满足规范的要求。

2.4 支座反力计算结果的分析

本桥过渡墩支座在各工况下的反力状况如表2所示。

由表2能够看出，过渡墩采用抗拉抗震球形支座，垂直承载力为5 000 kN，满足要求。

2.5 施工注意事项与三维信息建模的具体应用

2.5.1 预制梁施工

在本次的设计与建模期间，对于预制小箱梁以及T梁的使用，均采用通用設计图。预制梁具体施工期间，需要注意以下几点问题：（1）由于预制工作完成后需要经过堆放、运输以及安装等众多环节，因此应该根据梁片的架设顺序以及具体孔号等做好编号与管理工作;（2）为避免施工前混凝土发生收缩裂缝或者是边棱破损等一系列问题，需做好相关的养护工作;（3）具体施工期间要做好上部构造预埋件的施工与埋设，确保后续施工的顺利开展;（4）预制梁架设应根据工期安排，控制好每一联的安装时间，每一联各孔宜连续架设，不宜出现间断架设等问题。

2.5.2 主桥箱梁施工

本工程中主桥箱梁桥采用的是悬臂浇筑预应力混凝土连续刚构梁桥，施工过程中应进行专项施工控制。（1）图纸中提供的设计施工步骤为基本工序要求，所有梁段施工均应按照该步骤进行，如确有必要进行个别调整，应自行验算对施工及成桥阶段结构的影响，并报设计人员审核。需要注意的是，主桥箱梁上部悬浇施工悬臂较大，应有切实可行的防范台风的应急措施。结构受力分析表明，主桥箱梁施工中不允许发生掉块、掉挂篮及掉水箱等导致大的悬臂施工不平衡荷载的情况，特别是在大风、洪水及大悬臂时，应做到万无一失。（2）应注意采取措施严格控制悬臂尺寸及混凝土容重差，以防给后期施工造成不便。此外，主桥箱梁应设置预拱度，依据计算的最大预拱度值拟合成平顺的预拱度曲线。成桥主跨跨中预拱度为35 mm，边跨为14 mm。施工阶段立模预抬量由施工监控单位根据现场实际情况进行控制。

2.5.3 0#块施工

由于本工程中的0#块混凝土方量相对较大，而且内部的钢筋较密，因此在开展施工工作时，应重点进行施工质量的把控，以防出现裂缝等问题。（1）在进行0#块的浇筑期间，要确保做到一次浇筑完成。（2）在具体施工期间，要有效降低水化热温的升高现象。这一过程中，可以预先进行相关的混凝土配合比试验，以确定出最佳的配合比参数。（3）在进行0#块水泥品种的选择时，应优选水化热相对较低的水泥，并且要确保水泥的凝结时间较长，以提高混凝土工程的施工质量。

2.5.4 预应力管道施工

（1）在开展预应力管道的施工时，首先要控制好管材的质量，并根据工程实际需求选择管材的种类。（2）具体施工期间，要确保管道轴线与垫板保持高度的垂直，以防对后期施工产生不利影响。（3）参考规范要求，应适当截取2～3 m长的波纹管，并严格做好相关的漏水检查，以提高波纹管的密封性。

2.5.5 下部结构

（1）施工前应做好放样工作，在这一过程中要对设计文件中的重点桩号、坐标进行复核，并对不同控制点的高程状况进行检查与复核，严格做好净空要求的复查。（2）具体检查工作中，一旦发现计算结果和设计图中的相关数据不一致，要与设计单位及时进行沟通并做好复查等工作。（3）由于本标段设计阶段钻孔资料较少，施工桩基前应对没有地质资料的桩位进行补钻。

2.5.6 主桥钢管复合桩的制造与施工分析

（1）对于钢管的制造而言，桩基主要使用的钢管钢材是Q345c号钢，这也是经过多方考虑之后最终确定下来的。工程所用钢材应确保满足设计要求，同时还应要求供应商或生产商提供相应的出厂合格证以及检验报告等重要证明。在进行钢管的制作、焊接以及后期的拼装、接长等工作时，要严格按桩基规范开展。（2）钢管桩制作检验合格后将其吊运至防腐涂装车间进行内外表面防腐。外防腐完成后直接进行内防腐，涂装前应采取措施保护预留吊耳安装位置。吊耳采用提前预制、整体安装的方法进行。吊耳安装在钢管桩防腐完成后进行。设计文件中吊耳形状尺寸和位置可供参考，施工单位可根据钢管吊装、运输和打桩工艺确定吊耳的形状、尺寸和吊点的位置，实施前需征得设计单位许可。（3）防腐涂装后用砂轮机磨出吊耳安装位置，吊耳焊接完成后，对需要补涂的部位打磨清除铁锈后补涂，再进行液体环氧防腐涂装。（4）为便于钢管插打施工时测量观察其下沉情况，需在钢管上标注刻度标线。刻度标线对称布置在钢管的两侧，与两组吊耳面垂直，标线刻度颜色需与钢管的外表面颜色对比鲜明，便于观测读数。根据施工要求，钢管的上端9 m按0.1 m间距刻度，9 m以下按1 m间距刻度。

在进行钢管桩现场施工时，主要采用平台打桩船进行沉桩施工。具体施工时，要确保钢管打到设计高程。钢管下沉应选择平潮或流速较小的时段，确保钢管在水流作用下的稳定性。钢管的插打宜在施工平台完全形成后进行，若使钢管与平台钢管桩共同形成施工平台，则必须保证钢管定位准确、受力牢靠。需要注意的是，钢管水上接长不宜超过一次。此外，钢管宜按照以道路中心线向四周对称施工的顺序进行插打，也可根据施工需要合理安排插打顺序和分区。钢管插打顺序和分区安排应考虑减小钢管之间的相互影响和尽量减小施工过程引起的冲刷。另外，应设置临时护筒段，施工中应根据潮汐水位确定钢管顶部高程，应至少高于施工期间最高水位2.0 m以上。钢管上部的板条段，其具体切割位置应根据便于承台底部主筋通过来确定，必要时可对承台主筋进行微调。伸入承台的钢管及板条表面应进行精细的清理，不得有泥沙、油污。具体施工时，钢管的切割应分次进行，按设计图纸形式切割。在进行吊放钢筋笼前，需要在钻头处安装钢刷，利用钻锥对钢管内壁进行全面反复的清扫，以清除附着在钢管内壁上的泥沙。

2.5.7 主桥承台施工

（1）承台套箱采用双壁钢箱结构，分段制作，现场拼装就位。施工单位应根据套箱设计和施工实际工况，对封底混凝土的强度进行验算。（2）在开展封底混凝土浇筑时，应采取有效措施确保其强度、密实度、整体性和水密性。建议在整个承台范围内一次浇筑完成。（3）承台混凝土在平面内尽量整体连续浇筑，若施工能力有限，也可划分为2个部分进行施工。在厚度方面，承台分2层浇筑，每层层厚1.5 m，应保证层间的可靠连接，要求前后两次浇筑分界面凿毛，冲洗干净，没有油污，严格满足施工规范要求。（4）由于承台底部钢筋网较密，并与桩身锚固钢筋交错布置，因而不同种类的钢筋位置难免会发生冲突，在这一过程中可采用调整桩身锚固钢筋位置的方式进行处理。（5）本桥承台钢筋布置较为复杂，鉴于现场的实际情况，可以采用劲性骨架作为钢筋精确定位的手段。对复杂结构部位，应进行专门的施工工艺设计。

2.5.8 引桥下构施工

（1）基础施工时应本着“先已知，后未知”的原则，从有钻孔资料的桩位先行施工，对于岩层变化比较大、岩层性质难以判断的桩位，需进行补钻地质钻孔，待确定岩层性质后再施工附近桩基。在进行系梁顶高程确定时，应遵循以下原则：系梁采用桩顶系梁，顶面标高定位于地面线之下约20～50 cm处;桩顶系梁高程可根据实际情况作相应调整。（2）施工期间应对桩基施工过程进行监控，依据要求按实际地质情况调整桩基终孔高程，并相应调整钢筋笼。桥型图中地质纵断面图仅反映桥位处地质的总体分布情况，桩位处的详细地质情况应以对应钻孔的地质描述为准。对岩面倾角>30°的基础桩基，在施工中如发现特别情况应及时与业主、监理联系，要特别注意桩基的垂直度。（3）桩基终孔时，如有参考地质钻孔，且桩底基岩标高及岩性与原钻孔资料相符，则按设计孔底标高终孔;对桩底岩面倾斜的桩基础，桩基嵌岩深度为桩基础边缘最小入岩深度。本工程中，由于部分路段桥位区存在着孤石揭露的问题，因而施工期间不能把孤石当作桩端的持力层，而是应穿透孤石，将桩端落在底部完整的基岩上。在出现孤石或岩面倾斜较大的情况，而又无法满足嵌岩要求或承载能力的要求时，要求施工单位采用冲击钻施工。

2.5.9 其他注意事项

（1）主墩承台部分出露河床，可能引起桥位局部河床冲刷加强的问题。因此，要求对主河槽内桥墩周边5 m范围抛石笼防护，抛石厚度≥2 m，抛石粒径≥0.3 m。抛石前先清除垃圾及河堤淤泥，抛石面应不高于清淤后的河床面高程，以减小桥梁建设引起的河道冲刷。（2）在桥梁基础施工前应对桥位附近堤防岸坡采取防护措施，可以对水流的冲刷破坏与影响进行有效的消解，同时显著提高堤防的安全效果。具体施工时，可以对桥位左岸上游七里港水闸至下游80 m、右岸上游50 m至下游80 m范围内两岸堤防迎水坡采用生态混凝土护坡。桥墩基础施工结束后，对桥位左右岸上下游各80 m堤脚外10 m范围增加抛石防护，抛石上覆盖一层模袋混凝土。抛石前先清除表层垃圾。需要注意的是，抛石厚度应≥2 m，粒径要控制在0.3 m以上。

3 结语

Midas Civil等软件的广泛应用，为桥梁工程的设计、施工提供了重要便利，其模拟功能还可以为施工提供引导，并及时发现施工期间可能存在的危险。因此，当前应加强对三维信息建模技术与软件的工程應用。

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