大跨径连续刚构桥梁施工控制与仿真分析 叶华强， 李凡 ２３０００９） （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥摘要：预应力连续刚构桥结构受力和变形情况十分复杂。以某桥梁工程为例，采用Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ软件建立有限元仿真分析模型， 计算桥梁各施工阶段的应力和变形情况。将施工过程中线形控制与应力控制的实测数据与理论数据进行对比分析，探讨桥梁关 键部位在施工过程中的应力变化规律，以及有限元分析软件在工程建没中的应用价值。 关键词：连续刚构桥；施工控制；仿真分析；悬臂施工 中图分类号：Ｕ４４８．２１５；Ｕ４４８．２３；Ｕ４４５．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—５７８１（２０１０）０６ ０８２９ ０３ 近年来，随着我国基础设施的建设，带动了我国 期。在主桥桥面上每隔５ ｍ设一个高程监测点，施 工过程中，对每一梁段的立模、混凝土浇筑前、混凝土 浇筑后、张拉预应力钢束和挂篮移动的标高进行监 桥梁行业的快速发展。连续刚构桥梁的结构特点是 梁体连续、墩梁固结，并利用高墩的柔度来适应结构 预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所产生的位 移ｌ１］。由于桥梁设计软件的不断升级完善及设计与 测，从而观察各点的挠度及箱梁曲线的变化，以保证 主桥合龙时的精度和桥面线形ｌ３］。并根据大跨径连 续刚构桥梁在悬臂浇注过程中的受力情况，在主桥每 跨１／２、１／４处和主墩两侧等关键控制截面布置应力 监测点，以观察在施工过程中这些截面的应力变化及 应力分布情况。共布置１２个截面，８Ｏ个应力测量点 （图１、图２）。 施工经验和能力的提高，预应力连续刚构桥的跨径将 越来越大，而这种桥型的使用也将越来越广泛Ⅲ２］。 本文利用某桥梁工程实际数据为例，通过使用 Ｍｉｄａｓ／ｃｉｖｉｌ有限元软件对桥梁悬臂施工阶段的应力 进行分析，研究桥梁在施工中的关键截面的变形和受 力情况。并与现场实测数据进行对比分析，探讨有限 元分析软件在工程建设中的应用和价值。 １ 工程概况 某桥梁为５跨预应力混凝土变截面连续刚构桥， 由左右两幅两座分离式桥梁组成，桥梁全长４７４ １Ｔｌ， 图１桥梁应力测点布置示意图 跨径组合为５０ ｍ＋ｌ１４ ｍ－ｔ－１４０ ｍ＋１１４ Ｉｎ＋５６ Ｉｎ。 桥梁上部结构采用单箱单室预应力混凝土变截面连 续刚构箱梁，箱梁根部梁高主墩为８ Ｉｎ、次主墩为６ ｍ，跨中及端部梁高均为３ ｍ，梁高以１．８次抛物线 变化，顶板宽１１．８ ｍ，底板宽６．５ １ＴＩ。桥梁下部主墩 采用双薄壁空心墩，墩顶与梁体固结，最高墩７８ １１＂１。 ＿’、 口： 图２截面应力计布置图 ２施工控制方法及措施 为了保证桥梁建成时尽可能地接近理想设计状 态，同时也确保施工过程安全并保证施工质量和工 收稿日期：２０１０—０３—１２；收稿日期：２０１０ ０４ １２ 作者简介：叶华强（１９８５一），男，安徽肥东人，合肥工业大学硕士生； 李凡（１９６７一），男，安徽明光人，博士，合肥工业大学副教授 ３有限元仿真及计算 本文采用Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ有限元软件建立主桥三 维仿真模型，计算桥梁整体受力及关键截面的应力情 《工程与建设》２０１０年第２４卷第６期８２９ 况。由于高墩大跨径桥梁的空间结构十分复杂，所以 在有限元建模过程中，在不影响结构受力的情况下， 需对结构进行必要的简化，如忽略箱梁中的齿板、人 成桥前后的各项标高值。以这些观测值为依据，并按 照合理的施工预拱度施工各块段，可以保证桥梁合龙 精度和桥面线形。 桥梁施工过程中施工预拱度为 Ｆ坝一／ 桥＋／ 期徐变＋／’１，２活裁 （１） 洞和横隔板等结构的影响。但为了使结构计算更接 近实际，仿真模型的结构尺寸和受力特点应尽可能的 与实际相符；应尽量按照实际材料参数来取模型单元 材料的参数；并且在划分施 ［阶段时，也应尽可能与 其中：Ｆ顸为施工预拱度；ｆ，ａｒ为结构某一点在立模 后，由于以后的施工操作使该点产生变形，这种变形 实际施工阶段相一致［ 。 ３．１结构材料参数 主梁材料为Ｃ５０混凝土，容重２．５×１０ Ｎ／ｍ。， 弹性模量３４．５ ＧＰａ，泊松比０．２；墩身材料为Ｃ４０混 凝土，容重２．５×１０ Ｎ／ｍ。，弹性模量３２．５ ＧＰａ，泊 松比０．２；预应力钢绞线为ＡＳＴＭ４１６—９２低松弛２７０ 级钢绞线，标准强度ｌ ８６０ ＭＰａ，弹性模量Ｉ．９５× １０ｊ ＭＰａ。混凝土徐变系数２．０，收缩应变１．５×１０～， 钢束松弛率３．５％。 ３．２结构模型的建立 桥梁仿真模型以顺桥向为 轴，横桥向为Ｙ轴， 竖向为ｚ轴建立，共２３０个节点；２１０个单元；其中主 梁共１４０个单元，单元尺寸以实际施工块段尺寸取值 （图３）。主桥按先次中跨合龙，然后解除１ 、４ 主墩 图３全桥仿真模型 墩顶临时锚固，再进行边跨合龙，最后中跨合龙的顺 序施工。在４个主墩处采用刚性连接与主梁０ 块连 接，以模拟实际施＿［中墩粱固结；主墩与承台连接模 拟为固定支座，并在边跨端侧设置活动铰支座。主桥 计算模型共分为５６个施工工况，每号块梁段施工分 为３个工况（浇注混凝土、张拉预应力、挂篮移动）。 ４施工监控数据对比分析 ４．１线形控制 在桥梁悬臂施工过程中，线形控制十分重要，需 对各个施工阶段进行高程监测，为尽量减小温度的影 响，挠度的观测安排在早晨太阳出来之前进行。在整 个施工过程中，主要观测内容包括：挂篮移动前后、混 凝土浇筑前后、预加力张拉前后、边（中）跨合龙前后、 ８３０《工程与建设》２０１０年第２４卷第６期 直到成桥后为止，以向下为正； 期徐变为桥梁成桥３ 年后由混凝土收缩徐变所产生的变形，以向下为正； ｆｌ， 活载为桥梁受到１／２汽车荷载时所产生的变形，以 向下为正。 表１为Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ有限元软件计算主桥２ 、 ３ 墩上主梁悬臂浇筑过程中所需设立的施工预拱度 数据。图４为主桥在成桥后２ 主墩上主梁各节点的 位移曲线图。 表１施工控制预棋度 ｒｎｍ ２ 墩施：【预拱度 ３ 墩施工预拱度 施一［段号 次中跨侧 中跨侧 次中跨侧 中跨侧 ｓ３ ３２．６４ ３１．６６ ３Ｏ．２３ ∞ 卯 船 … Ｌ耋¨ ２７．６３ ∞昭宅号瑚 瑚３１．９４ ２８．２Ｏ ３３．９９ ２９．１６ ３６．３６ ３Ｏ．５２ ３９．１１ ３２．３４ ４３．２３ ３５．３８ ４７．１７ ３８．４０ ５１．３１ ４１．８２ ５５．９２ ４５．９３ ６０．８２ ５Ｏ．５８ ６４．７８ ５４．５６ ６６．４３ ５６．５９ ６４．７５ ５５．６１ ６０．９２ ５２．７９ ５１．４９ ４４．６２ ３７．５２ ３２．Ｏ６ 罨 气 锷 ｛ ≤ 写 计： 图４桥梁成桥后２ 主墩上主梁各点位移 从图４可以看出，成桥后２ 主墩上主梁各点的 位移主要由预应力和恒荷载引起的。但由于预应力 使梁段产生向上的位移，恒荷载使梁段产生向下的位 砸移，两者相互抵消，致使主梁最终位移较小，均在 ３ ＣｉＴ￣．以内。主梁由混凝土收缩徐变引起的位移较 小。但是在１４ 梁块处，由混凝土收缩徐变引起的位 移达４．１ ｍｍ，占总位移的３６％。因此，不能忽视混 凝土收缩徐变的影响。 ４．２应力控制 在高墩连续梁桥悬臂施工过程中，进行应力控制 可以保证施工的安全。应力监测所测得的应力数据 受到多种因素（如温度、收缩、徐变以及施工临时荷载 等）的影响。因此实测应力数据包括了温度应力、混 凝土收缩徐变产生的应力等。所以在处理实测数据 时，应按照规范要求，将温度、混凝土收缩徐变应力给 予剔除。图５为成桥后全桥各应力监测点实测应力 值与计算值对比图；表２给出２ 墩Ｃ截面在各粱段 施工过程中对应工况的实测数据和理论数据。 ８ 委 ７ ５ ４３ ａ ｂ ｃ ｄ ｅ ｆ ｇ ｈ ｉ ｊ ｋ （ａ）成桥后各截面顶部应力对比 （ｂ）成桥后各截面胝郡应力对比 图５成桥后全桥各应力监测点实测应力值与计算值对比 从图５可知，成桥后各截面均处于受压状态，并 且应力值的实测值和计算值基本吻合，其变化趋势相 同。成桥后在跨中处（ａ、ｆ、ｇ、１）截面顶部均比墩顶附 近（Ｃ、ｄ、ｉ、ｊ）应力值小，而跨中的截面底部应力均比墩 顶附近大。截面顶部应力在跨中小于底部，但在各墩 顶附近截面顶部应力大于截面底部应力。这种截面 应力分布与桥梁在其自重荷载作用下分布相反，由此 可得，成桥后主梁各截面应力分布符合桥梁受力特 性，并有利于提高桥梁运营阶段的安全储备。 在整个悬臂施工过程中，最大拉应力计算值为 ０．０８ ＭＰａ，实测值为０．４５ ＭＰａ；最大压应力计算值 为８．３１ ＭＰａ，实测值为８．２５ ＭＰａ，均在规范要求范 围内 ，说明桥梁在施工过程中结构处于安全状态， 并有一定的安全储备。 表２主桥２ 墩Ｃ截面实测应力与计算值对比表 ｇＰａ 梁段工况 面顸—盖 １ 块 移挂篮 Ｏ．５９ —０．０８ １．３７ ０．２０ ０．１８ ３ 块 移挂篮 ２．６６ ０．０１ ２．５６ １．７９ ０．４８ ４ 块 移挂篮 ３．６８ ０．０６ ４．１７ ２．１２ ０．４５ ５ 块 移挂篮 ４．６４ ０．１９ ４．１０ ２．７４ ０．８０ ６ 块 张拉后 ５．６０ ０．３１ ４．１３ ２．８３ ０．９８ ７＃块 张拉后 ６．２７ ０．７０ ６．６２ ３．３７ １．Ｏ５ ８ 块 张拉后 ６．８３ １．１８ ５．８１ ３．６４ １．３５ ９ 块 张拉后 ７．３５ １．６８ ６．１９ ４．０７ １．７６ １０＃块浇筑后 ６．４３ ２．５９ ６．５３ ３．８６ ２．Ｏ４ １１＃块浇筑后 ６．８４ ３．１８ ６．６７ ４．７０ ２．２２ １４＃块浇筑后 ６．９５ ５．７３ ７．５ｌ ６．２０ ６．１７ １５ 块浇筑后 ６．９５ ６．６３ ７．０３ ６．３５ ６．４７ ｌ６ 块浇筑后 ６．８９ ７．６１ ７．９５ ６．５０ ６．８２ １６ 块 张拉后 ８．０７ ７．３Ｏ ８．１５ ６．５０ ７．２４ １７ 块张拉后 ７．９４ ８．３１ ７．８Ｏ ６．６７ ８．２５ 注：表中压应力为正，拉应力为负。 ５结束语 （１）在桥梁施工过程中，实测应力值与理论应力 值相差不大，且应力值均在规范要求之内。成桥后各 截面的应力分布有利于提高桥梁在今后运营阶段的 承载能力。 （２）主梁关键截面的受力和变形规律均符合实 际工程情况，可以说明有限元软件能够较好的反映桥 梁的实际施工情况。值得在今后的桥梁设计和施工 控制领域进行推广。 ［参考文献］ ［１］范立础．预应力混凝土连续梁桥［Ｍ］．北京：人民交通出版 社，１９９９． ［２］ 王文涛．刚构连续组合梁桥［Ｍ］．北京：人民交通出版 社，１９９７． ． ［３］马保林．高墩大跨径连续刚构桥［Ｍ］．北京：人民交通出版 社，２００１． ［４］武芳文，薛成风，赵 雷．连续刚构桥悬臂施工线形控制分析 ＥＪ］．铁道工程学报，２００６，４（４）：２９ ３３． ［５］王运涛，王维红，陈宇峰，等．预应力连续刚构桥施工空间仿真分 析＿Ｊ］．重庆交通大学学报，２００７，２６（５）：２１—２４． ［６］巩春领，肖汝诚．大跨径刚构连续组合梁桥整体受力分析与探 讨＿ＩＩ］．结构工程师，２００４，２０（５）：１４—１９． ［７］ＹｒＧ Ｄ６２—２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范Ｉｓ］． 《工程与建设》２ｏｌｏ年第２４卷第６期８３１
