钢桁架顶推施工过程数值模拟与监测

马强

摘要：为探究顶推施工过程中钢桁架变形和应力变化情况，本文以连云港某新建钢桁架为工程背景，通过现场监测对顶推施工全过程进行应力监测，掌握鋼桁架和导梁的应力变化，利用Midas软件进行顶推施工模拟，对比分析模拟计算结果与实际监测结果，为钢桁架顶推施工提供技术保障。

关键词：钢桁架;顶推施工;数值模拟;监测

1 工程概况

本文钢桁架桥位于徐圩港区液体散货区、二突堤东侧通用泊位及装备制造发展区。1#桥全长55.00m，桁架宽13.1m，桁架中心高7.78m，桥墩采用盖梁柱式墩结构，基础采用8根D1200mm大直径预应力管桩。2#桥全长197.2m，跨径布置为16m+3×55m+16m，两边16m引桥结构形式为预应力混凝土刚接空心板，主桥为钢桁架结构，桁架宽10.66m，桁架中心高8.0m，桥梁净宽9m。桥墩采用盖梁柱式墩结构，跨中墩基础采用D1600mm灌注桩，过渡墩及桥台处基础采用D1200mm钻孔灌注桩。

2 施工监测方法

针对钢桁架桥顶推施工特点，施工监控工作从以下几个着重点展开[1]-[2]：（1）钢桁架桥面线形监测分析;（2）钢桁架轴向偏位监测分析;（3）钢桁架关键断面应力监测分析;（4）导梁前端挠度监测分析;（5）导梁关键断面应力监测分析。

通过施工监测，实时掌握桥梁结构各组成部分的应力（应变）和变形情况。作为分析依据，得出以下结果：（1）判断桥梁结构的安全状态，为施工质量控制提供技术数据;（2）为下一步施工方案及安全保障措施的决定提供决策依据。因此，通过施工监测，分析实测数据与理论计算结果，验证桥梁结构分析方法及其所用假定的合理性。成桥后，监测数据可为桥梁交竣工验收提供重要依据，为养护维修建立科学的数据档案。

施工控制内容包括以下几方面[3]：（1）线形控制：钢桁架横向偏位;桥面线形与导梁线形;临时墩横向偏位及沉降;（2）应力控制：钢桁架关键断面应力。

2.1 测点布置及测试方法

在第1跨桁架距导梁前端55断面（最大悬臂断面）处布置应力测试断面，应力测试断面及应力测点布置如图1～图3所示。

2.2 应力测试仪器

选用质量高的外贴式钢结构应变计与配套的频率接收仪作为应力观测仪器。该应变计具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点。传感器如图4所示。

3 施工数值模拟分析

由于顶推方案为整体顶推，不涉及影响较大的顶推结构体系转换过程，且原顶推施工过程已较为具体，考虑到对顶推结构应力及变形影响较为关键的是跨越右侧永久墩的悬臂状态，因此，根据顶推专项施工方案，计算复核分析工况与顶推施工计算分析工况相同，主要分析以下几个工况：CS1：拼装第一跨55m钢梁和31m导梁，整体顶推50m;CS2：继续拼装55m钢梁后整体顶推55m;CS3：继续拼装剩余55m钢梁后，整体顶推60m至钢梁顶推到设计位置。

根据钢桁架设计图纸与顶推专项施工方案，基于大型有限元软件Midas/Civil，建立有限元模型，对钢桁架顶推施工工况进行分析复核。为考虑施工过程中的设备荷载及模型中未能考虑的部分加劲肋等重量，模型中自重荷载乘以1.1的放大系数。各分析工况的有限元分析模型如图5～图7所示。

4 施工监测结果分析

4.1 结构变形及线形监控结果

根据现场实测数据，钢桁架桥在监控周期内的最大横向偏位如图8所示，其中最大横向偏位为8mm，未超过《公路工程质量检验评定标准》JTG F80/1-2017第8.7.3条的允许偏差10mm限制，满足要求。根据现场实测数据，得到监控周期内每天导梁前端底面与桥墩千斤顶顶部相对高差如图9所示。

4.2 应力（应变）监控结果

在第1跨桁架距导梁前端55断面（最大悬臂断面）处布置应力测试断面在以下七个工况下的应力进行监测。工况一：第一跨拼装就位;工况二：第一跨顶推52m;工况三：第二跨拼装就位;工况四：第二跨顶推55m（顶推16m时到达最大悬臂，悬臂长度55m）;工况五：第三跨拼装就位;工况六：第三跨顶推100.5m（顶推16m时到达第一次最大悬臂，悬臂长度55m;顶推71m时到达第二次最大悬臂，悬臂长度55m）;工况七：拆除临时构件，完成体系转换，到达成桥状态。监测结果如表1所示。各工况最不利状态应力云图，如图10～图13所示。由表1和图8～图11可知：测试断面的实测应力均小于理论值，均在设计范围内。

5 结语

随着我国基础设施建设的迅速发展，大型结构被广泛应用。因此采用有效措施保障施工过程中的安全尤为重要。本文以某钢桁架的顶推施工为工程背景，运用监测技术和数值模拟方法，对比分析钢桁架在顶推过程中的变形和应力变化情况，得到以下结论：监测值与模拟值变化趋势一致，且实测应力均小于理论值，均在设计范围内。表明两种方法能有效反映结构的受力状态，为保障安全施工提供理论依据。

参考文献：

[1]苏成，廖威，袁昆，韦锋.桥梁健康监测在线预警指标研究[J].桥梁建设，2015，45（03）：44-50.

[2]解祎，黄海燕.基于ANSYS的桥梁施工健康监测研究[J].低温建筑技术，2013，35（12）：59-61.

[3]吴水根，范亚斌，张铭，吴科一.高层建筑悬挂钢结构施工过程监测分析[J].施工技 术，2015，44（14）：39-41.