钢波腹板组合刚构桥施工监控过程模拟及仿真计算研究

1  工程概况

G109新线高速公路项目位于北京市门头沟区山岭地区，其中第10标段中达摩沟桥钢波腹板连续梁长60 m+2×105 m+60 m，幅宽27.5 m，双支薄壁墩高47 m，钻孔灌注桩直径2.2 m，右偏圆曲线半径3 150 m，纵坡坡度5‰，波形钢腹板波长1.6 m，波高0.22 m，水平折角30.7°，壁厚2.4 cm。整座桥除引桥外划分为11个梁段，标准节段长4.8 m/6.4 m，2~6号梁段长4.8 m，7~9号梁段长6.4 m。其中0号、1号梁段为中墩顶支架现浇段，长15.4 m；2~9号梁段为挂篮悬臂浇筑段；10号梁段为合龙段，长3.2 m；11号梁段为边跨支架现浇段，长5.66 m。设置横隔板纵向间距为12.8~16.7 m。在1号节段和过渡墩11号节段波形钢腹板内侧设置内衬混凝土。预应力体系以体内结合体外设置。波形钢腹板与混凝土顶板双PBL键连接、底板角钢、剪力钉连接，腹板之间连接采用先螺栓后焊接固定的形式。将桥梁断面设计为单箱单室直腹形式，单幅顶板宽13.75 m。主梁顶、底板浇筑C55混凝土，波形钢腹板采用Q355NH型材。

2  监控控制

监测控制主要集中在受力、线性两方面。波形钢腹板组合梁桥受力满足主梁截面上下缘正应力、波形腹板剪应力、成桥后各构件满足设计行车能力的应力要求；线性满足主梁绝对标高，在受到结构刚度、梁段重量、施工荷载、混凝土的收缩徐变、环境温度和预应力等作用下，通过施工架立模板调整预拱度，予以修正累计误差。

依据自适应控制调校方法，对作业过程中的内力和高程的理论值与实测值进行对比评估，对基本因数进行识别，找到理论值与实测值差异原因，将因数进行校对，获得应力和线性管制的效果。同时对重要设计因数偏差提示设计方实行优化调整理论设计值，对重要的施工工序进行复核优化，以缩短工期、降低风险、保证质量、节约造价。

3  监控内容

在异步轻型挂篮施工方法中，监控系统工作量庞大，通常较常规挂篮一个工作面施工工作量扩大3倍，对施工的指导更是重中之重。

对于挂篮预压工序，N–1顶板施工工作面，N底板施工工作面，以及N+1、N+2波形钢腹板施工工作面，合龙段工序是本次监控实施对标高、位置、几何形状、线型、受力检测预测的主要内容，包括波形钢腹板安装、挂篮滑移定位、底板浇筑成形、顶板浇筑成形、预应力施加前后、合龙前后、二期桥面铺装前后、温度湿度等监控量测模拟分析。达摩沟桥波形钢腹板组合梁桥施工如图1所示。

图1  达摩沟桥波形钢腹板组合梁桥施工示意

4  监控原则方法

选定Ⅲ等水准高程控制网配备高精度全站仪。观测前在达摩沟桥小里程和大里程设置稳固的国家四级标准建设网的测量控制点，遵循使用闭合回路测量观测基站的坐标。选用振弦式应变计，布置的各个测点以距离混凝土表面250 mm左右为宜，并具备保护措施。监控数据采集选择可兼顾量度温度和应力的传感器，可将单点监测的应力监控测点与温度监控测点合并。环境体系温度监测使用水银温度计标识大气温度，温度测试精度±0.5 ℃，测定元件都经过鉴定标定。监控量测设备仪器见表1。

表1  监控量测设备仪器

观测时间应选择一天中温度相对稳定、较低的时段，通常在早晨7∶00进行测量。由于梁体截面较大，芯部温度与表层温度存有后滞效应，延后观测时间影响不大。在主梁作业期间，梁体温度应选择具有代表性的天气，并以1次/h的频率进行连续观测。测试要求一切观测数据必须注明工况天气、气温、日期、时间，施工临时堆载应该按照施工方案排布，定点、定量。精度要求分段拼装，梁段轴线与设计轴线偏差不大于1 cm，内外侧波形钢腹板间距偏差不大于5 mm，标高误差偏离监控指令数值不大于5 mm，合龙段误差不大于2 cm。波形钢腹板连续刚构桥自适应控制系统如图2所示。

图2  波形钢腹板连续刚构桥自适应控制系统示意

5  过程模拟仿真计算

运用桥梁空间有限元midas Civil软件进行桥梁施工控制全过程的仿真跟踪分析、预测，并建立整桥空间有限元模型。本工程总共设置478个单元、524个节点，全部采用梁单元模拟，特别注意主梁长悬臂状态的稳定性。

运用结构有限元软件ABAQUS对全桥进行空间有限元分析验证，对施工全过程中各部位的应力集中现象、锚固应力等进行精确的空间分析。

对局部受力进行计算并予以复核，强调关注的作业段落建立有限元局部模型。其中顶底板混凝土、钢波腹板采用实体单元，体内体外预应力采用桁架单元模拟。主要材料计算弹性模量、强度等级、线膨胀系数、容重、抗压、抗弯、抗拉、断面承压的设计值、标准值。

计算荷载主梁、主墩单元自重按照单元安装容重划分时间阶段加载；组合梁横隔板、内衬混凝土等容量，按照节点荷载增加；二期永久荷载考虑防撞护栏、桥面铺装、机电交安管线等；施工临时载重依照作业班组执行施工组织设计估算；轻型挂篮、模板、人员以及措施设备等以节点荷载计算；人群荷载依据现行JTGD 60—2015《公路桥涵通用设计规范》选用、车辆可变荷载参照公路–Ⅰ级设计，其中冲击系数按照基频计算；温度荷载遵循JTGD 60—2015《公路桥涵设计通用规范》体系±20℃梯度温度标准；依据JTGD 60—2015《公路桥涵设计通用规范》选取混凝土的徐变、收缩；基础沉降按照主、过渡桥墩沉降1 cm最不利情况组合考虑。

钢混组合梁半跨T构包含10个节段，其中2号块186.5 t为最重节段，被列为计算节段。施工阶段模拟将全桥施工过程划分为CS1~CS94主要施工阶段进行分析，异步浇筑采用作业串联截面并对其部位执行分步激活模拟。主梁施工阶段预拱度收缩徐变+1/2可变荷载+永久荷载组合进行配置。边界条件模拟达摩沟大桥15号桥台位置处普通支承，桩基采用端承桩固定支座，承台与桩基采用刚体连接，13~14号桥墩与主梁采用刚接的弹性连接，支架现浇段采用单一承压弹性连接。主梁应变测试断面如图3所示。波形钢腹板组合梁桥监控模拟仿真如图4所示。

图3  主梁应变测试断面示意

图4  波形钢腹板组合梁桥监控模拟仿真示意

在施作阶段，主梁最大累积竖向位移发生于小桩号边侧桥墩合龙段浇筑混凝土步序，最大值是1.6 cm，竖直向下方向；主梁最大处发生于最长悬臂步序，接近桥墩上部位置底板混凝土区域，计算得出13.3MPa压应力。在通车阶段，在行车重载作用下，主梁最大竖向位移为向下12 mm，出现于梁体中跨跨中附近。以上结果符合图纸设计要求。当运动荷载与估算永久荷载共同效力作用时，大桩号侧边桥墩支座有充沛的压力安全储备，不会发生支座脱空情况。

在实际工作中，设想通过在前端（N+1）现有的第三个工作面前方再增加一个N+2工作面。由于轻型行走挂篮简支受力于悬挑出一步的N+1段落，然而在前方没有承重挂篮的N+2段落测试安装第二段超前波形钢腹板，需要分析出悬挑两段钢腹板的操作限定范围。根据剖析装配式波形钢板的长度、重量、自身高度及临时栓接特点，将前后波形钢腹板螺栓连接孔的工厂加工制作车铣圆孔增大至20 mm，这样在波形钢腹板紧邻的下一步安装调节整体线性标高时，有可调节的活动范围且不会影响施工安全稳定性。

通过分析腹板参数，悬臂端距离0号块位置，带入软件工况信息，建立三维立体仿真模型计算腹板挠度变形在规范允许范围内的超前安装长度范围。经实际测量，结合软件计算得出，本座桥可以操作N+2段的施工范围为2~6号钢波腹板段落。

此外，异步挂篮施工阶段中挂篮作为施工主要的承重措施，其支撑安全可靠性分析也是本次仿真计算的重要方面。挂篮预压模拟监测，本桥应用自行设计轻型异步施工挂篮，选取典型的刚构桥对称挂篮安装截面预压进行监测。

取其作业联合截面，在相应施作步骤中对组成单元分步激活模拟，采用二期永久荷载、内衬混凝土依靠单元荷载的形式加载，不计算叠加刚度，结果更安全，挂篮重量按单侧65 t取值，合龙钢架依托节点加载，依据底、顶板混凝土重量按照等效加载，以上用来模拟浇筑成型之前的工况。

挂篮模型中的杆件按梁单元模拟，模板按照薄板单元模拟，在各个锚固点位置设置固结支撑，板单元与梁单元之间选用刚性连接。根据预压步序对预压试验观测点数据与理论模型数值进行对比分析，降低或消除异形挂篮的非弹性变形，最终得出挂篮的变形数据辅以施工校正。轻型异步挂篮预压检测如图5所示。

图5  轻型异步挂篮预压检测示意

（1）在2号块钢波腹板上安装挂篮，并且锚固定位，观测挂篮前支点腹板上翼缘点位ZF–1~ZF–2、RF–1~RF–2变形，以及底板模板系统前支点底模点位ZB–1~ZB–3、RB–1~RB–3变形。

（2）使用水袋、沙袋或预制块进行2号块底模逐级堆载，当加载至1/2底板钢筋混凝土浇筑重量时，测量挂篮前支点腹板上翼缘点位ZF–1~ZF–2、RF–1~RF–2变形，以及底板模板系统前支点底模点位ZB–1~ZB–3、RB–1~RB–3变形。

（3）施工工序：底板钢筋混凝土浇筑重量→1.2倍底板钢筋混凝土浇筑重量→逐级卸载至底板钢筋混凝土浇筑重量→0.5倍底板钢筋混凝土浇筑重量→卸载完成。

（4）根据桥梁施工工序，2号块浇筑完成后挂篮前移，安装3号顶模挂篮构件。

（5）在2号顶模处堆载预压原理步骤同底模。观测点位为后支点位置处腹板上翼缘点位ZF–1~ZF–2、RF–1~RF–2，顶板模板系统前支点顶模点位ZT–1~ZT–5、RT–1~RT–6变形。

变形观测数据主要包括弹性变形、非弹性变形、腹板变形值3个部分。数值经过加载、持荷、卸载全过程中各观测点标高计算取得，对比分析得出对应加载、卸载工况，区分弹性和非弹性变形。

主要结论为各个模拟预压试验工况中预压荷载1.2倍2号块底板混凝土湿重＋3号块腹板重量为最不利工况。最不利状态下的结构除了预应力集中承压区混凝土存在较小的拉应力外，其他各部分受力均满足要求。波形腹板横桥向变形较大，悬臂端上下翼缘变形差值达到16 mm，不利于波形腹板稳定性，施工非对称荷载存在引起钢腹板横向失稳破坏可能性。

建议在波形腹板之间加设横向支撑，将150 mm×150 mm×5 mm型钢方管安装在纵向波形腹板悬臂中部、端部各1道，竖向距离上下翼缘50 cm，可达到左右侧波形钢腹板协同受力的效果。加设横撑后观测，悬臂之间联合受力，腹板横向变形显著减小，悬臂端上下翼缘变形差值为2 mm，有效增加了波形腹板横向刚度。

6  结束语

监控分析为桥梁智能化信息管理系统的核心。快速全面反应桥梁状态，准确消除桥梁隐患，指导施工提高工作效率，确保结构安全稳定，节约维护资金，增加行车舒适感，具有明显的技术优势。