钢桁架桥顶推施工数字化模拟安全预测技术
文/中建三局集团有限公司
乔凯，韩磊，郭一鹏，董超，张宇，王露
1 工程概况
206国道徐州段改建项目京杭运河大桥主桥采用1-127.6m简支钢桁架桥一孔跨越通航水域，横向采用2片主桁结构，主桁中心距27.5m，标准节间距10.5m，施工中预留70m京杭运河通航宽度。综合考虑，该工程施工采用悬臂顶推法分2次顶推完成。如何保证顶推施工过程中的安全是本桥施工面临的挑战。
结合施工实践，通过前进分析法建立施工过程精细化模拟，提取出施工阶段中的各种不利工况，在最不利工况出现前，根据模型数据进行工艺试验模拟不利工况，验证结构安全性。在施工中，建立应力与线形的监测网络系统，基于数字化模拟、工艺试验采集数据及实测数据，对桥梁、材料体系主要参数进行动态识别，修正既有仿真模型，提高预测精度，并重点分析敏感参数对结构施工监控影响的变化规律。通过以上技术手段预测施工中的安全风险，实现施工过程中风险预判。
2 基于BIM技术的钢桁架顶推施工过程模拟
结合施工工艺流程，采用施工BIM模型对整个施工过程进行推演模拟，在BIM推演过程中根据结构受力体系的转换，提取21个施工阶段工况：①CS1~CS3第1次拼装（拼装E3~E0′节点所有桁架杆件）安装导梁，钢导梁悬臂长16m；②CS4~CS8整体顶推，累计顶推66m，直至导梁上墩；③CS9第2次拼装（拼装剩余桁架杆件）；④CS10~CS17持续顶推，累计顶推129m；主桁最大10个节间处于悬臂状态；⑤CS18继续顶推6m，累计顶推135m，导向导梁全部拆除；⑥CS19继续顶推12.2m，累计顶推147.2m，主桁E0′节点到达5号主墩处；⑦CS20~CS21点动微调后落架，用于桁架桥有限元分析施工阶段的划分。
3 顶推滑移过程钢桁架受力分析
计算参数
1）材料参数京杭运河大桥主桁、横纵梁构件采用Q370qD，上下平联、桥门架采用Q345qD。
2）荷载参数恒荷载主要考虑结构自重，其余荷载按规范选取。
3）计算模型及假定主桁及导向导梁采用空间杆系单元建立结构纵向计算模型，构件采用钢材，模型边界条件与施工过程一致。纵向计算模型如图1所示。
施工阶段模拟
该工程采用MIDAS Civil软件对整个施工过程进行模拟分析，该桥在安装及顶推施工中，结构拼装、拆除及滑移支座滑出、滑入轨道等阶段均造成整个桥梁结构受力体系转变，根据整个施工过程桥梁结构受力体系变化，将模型分为21个工况进行阶段分析。
计算结果分析
1）CS7阶段（最大悬臂阶段）节点变形如图2所示，钢导梁最大竖向位移211mm。
2）CS15阶段单元上缘应力如图3所示，最大压应力为-159MPa，最大拉应力为133MPa；下缘应力如图4所示，最大压应力为-145MPa，最大拉应力为163MPa。
4 施工风险提取及化解
最大反力工况风险提取及化解
根据整个施工阶段模拟分析，在CS15~CS19施工阶段，桥体支点反力最大（见图5）。
1）原因分析随着桥体逐步顶推出滑道，桥体重心逐渐向河对岸接收支架移动，在桥体上对岸接收支架前，支撑在顶推支架上最前端的滑移支座支撑反力不断增大。在桥体支撑于对岸接收支架上后，桥体进行结构体系转换，顶推支架最前端滑移支座竖向支撑力逐渐减小。
2）风险点提取分析提取2个风险点：①最大反作用力会使河内顶推支架沉降，可能造成桥体侧翻；②最大反力支点可能导致桥体结构发生破坏或失稳。
3）风险点化解根据施工阶段模拟分析，单桩设计极限荷载为1 755kN，现场选取1根试验桩，采用锚桩法进行抗压试验。试桩每级荷载增量按预估极限荷载的1/10确定，第1级荷载为加荷增量的2倍，分9级加荷；卸荷量为加荷量的2倍，共分5级卸荷。单桩抗压静载试验Q-S曲线如图6所示。
单桩最大最大加载量为设计极限值的1.2倍，即1 800kN，试验实测沉降量为18.15mm，最大回弹量为5.89mm，回弹率为32.45%，均小于规范控制要求，且Q-S曲线呈缓变形，未出现徒降点。
根据试验数据，顶推平台由于钢管桩承载力不足，造成顶推支架沉降的风险从理论上已经排除，但在实际施工中，还要对钢管桩沉降进行密切监控。
最大应力工况风险提取及化解
根据整个施工阶段模拟分析，在CS13~CS18施工阶段，桥体结构出现最大应力阶段（见图7）。
4.2.1原因分析
1）此阶段导梁支点受力逐步增加，由于导梁结构与桥体结构刚度差异较大，在导梁与桥体节点处出现应力集中现象。
2）最大应力出现的施工阶段与最大支点反力出现的施工阶段基本重合，这是由于桥体结构悬挑不断增大，造成单个支点反力增大，引起此节点相关杆件出现较大应力。
4.2.2风险点提取
1）模拟最大应力虽然未超过结构设计应力，但施工过程中结构不断运动，且结构受力体系不断变化，导梁结构与桥体结构连接钢板可能会屈服或出现焊缝炸裂现象。
2）此阶段处于桥体重心脱离北岸顶推支架至桥体支撑于南岸接收支架工况下，桥体中间区域桁架腹杆模拟应力与设计应力较为接近。考虑到京杭运河钢桁桥顶推施工时间为徐州雨季，雷雨大风等强对流天气较为频繁，如在此阶段遇到强对流天气，此区域桁架腹杆可能会在外力作用下受力屈服，造成桥体破坏。
4.2.3风险点化解
1）导梁加载试验
通过对顶推施工全过程仿真模拟数值化分析，提取出顶推过程中导梁结构最不利工况。对整个顶推结构进行仿真加载工艺试验，采用液压千斤顶加载相应工况120%最大支反力（见图8），静置20min，观察桁架节点焊缝及构件是否有较大变形及裂纹，同时采集导梁构件上监测设备数据，并与设计理论数据进行对比分析（见图9）。
根据杆件应力分析可知，导梁加载仿真试验采集的数据与施工阶段模拟分析杆件的受力状况完全一致，实测数值与理论数据虽有偏差，但试验采集数值整体偏小于施工阶段模拟设计数据，实际施工较理论设计较为安全。
根据以上试验数据，导梁在施工中结构破坏的风险点从理论上已经排除，在施工过程中，节点焊缝未发现肉眼可见裂纹，杆件未发现肉眼可见变形，但在实际施工中，还要对导梁变形及应力进行密切监控。
2)薄弱节点结构加强
进行顶推施工模拟计算时，在CS13~CS18施工阶段，为保证桥体在顶推施工阶段的结构安全，特对此区域桥体桁架腹杆进行加固。加固杆件截面为φ245×14钢圆管，材质为Q355B。加固设计如图10所示。
加固后，采用SAP2000对桥及导梁进行整体建模计算模拟，桁架杆件应力比均<0.8（见图11），因此，在施工过程中桥体跨中腹杆失稳的风险点从理论上已经排除，但在实际施工中，还要对桁架应力进行密切监控。
最大竖向位移工况风险提取及化解
根据整个施工阶段模拟分析，在CS7~CS19施工阶段，出现较大竖向位移（见图12）。
1）原因分析CS7施工阶段为导梁最前端到达接收支架位置，达到最大位移峰值，也是整体结构最大悬挑工况；CS8~CS19竖向位移较大且平稳，这是由于导梁支撑于接收支架，但导梁刚度小，产生较大挠度。
2）风险点提取CS7工况导梁处于完全悬挑状态，导梁与桁架连接的上弦杆承受整个施工阶段最大拉力工况，导梁与桁架上弦节点焊缝有拉裂风险；在CS8~CS19施工阶段，导梁支撑于接收支架后，随着支撑点不断变化，导梁桁架受力结构体系也在不断转变，桁架构件也在进行拉力杆与压力杆转换，结构受力体系复杂，极易发生结构破环。
3）风险点化解钢导梁根部与钢桁架前端为应力集中区域，对其节点进行加强。现场采用30mm厚钢板对下弦连接焊缝进行加强（见图13），采用H700×300×13×24双拼型钢加强上弦连接焊缝（见图14，P1~P4为节点补强钢板，内厚30mm），通过在最不利工况前对不利节点的加固，保证施工过程安全。
5 钢桁架安装过程监控量测复核
位移监测
主桁架变形监测采用全站仪，测出控制点绝对标高，再根据各顶推阶段结束时的节点标高，推算顶推施工各节点挠度值。钢导梁与钢桁架位移测点布置如图15所示，两侧测点对称布置，监测桁架顶推过程的扭转变形。
支架沉降监控
对支架（横向支架及纵向支架）安装反光贴进行沉降监控。由沉降观测数据可知，顶推过程中，东西侧累计最大沉降量均接近2.5cm，与主桁架在顶推过程中节点相对位移减小的趋势较为一致。
应力监测
根据钢导梁应力监测数据分析可知，在顶推过程中，测点实测应力与理论应力接近（见图16,17），顶推过程中钢导梁应力基本处于可控状态。
横向偏位监测
根据主桁架轴线监测数据分析可知，顶推132m后，实测轴线与理论轴线偏差范围基本控制在2.5cm 以内，在主桁架到达临时墩后，轴线基本处于可控范围，在落架前可进行微调（见图18）。
6 结语
通过施工前期的施工全过程模拟和最不利工况工艺试验模拟及施工中的应力、变形监测结果对比分析，进一步证实本工程钢桁架桥施工方案的可行性及数值模拟的合理性。通过数字化仿真模拟结合实时监测结果比对分析及最不利工况工艺试验对安全风险进行预判，为整个施工过程的安全保障提供技术依据。
本文节选自：钢桁架桥顶推施工数字化模拟安全预测技术（全文刊登于《施工技术（中英文）》2023年第13期）
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