基于有限元分析的大跨度桥梁结构仿真模拟与验证

孔令常

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089)

0 引 言

随着国内基础设施建设技术的日益提高，桥梁跨度也越来越大，但随之而来的潜在危险因素也越来越多。因此，在大跨度桥梁施工过程中，安全预警成为安全文明施工的重要评价指标之一。不少研究学者通过理论、建模和监测等方法，对大跨度桥梁施工过程的安全性能进行了计算分析。

一方面，在桥梁上安装结构健康系统来实时监测桥梁的安全性能，已成为预警手段之一。张启伟运用结构健康系统对桥梁整体行为进行实时监控，和对桥梁状态的智能化进行评估[1]。王戒躁等对目前的结构健康监测系统进行了回顾，阐述桥梁健康监测与评估项目的发展现状、趋势及前景[2]。张谢东等利用光纤布喇格光栅传感器对悬臂施工的混凝土箱梁截面应变进行了短期监测，验证了光纤布喇格光栅传感器的高可信性[3]。曾德荣提出了一套误差值及监测应力真实值计算方法，并指出了应力监测中避免误差的一些工作方法[4]。施洲等探讨建立应力与变形监测系统的具体方法，并分析影响精度的因素[5]。樊学平等基于贝叶斯原理建立了桥梁监测应力的状态方程和观测方程[6]。王滢等验证了润扬大桥结构健康监测系统中的局部应变监测系统能够提供有效的钢箱梁结构疲劳应力监测信息[7]。

另一方面，随着计算机处理技术的大力发展，有限元模拟仿真也成为评估预警方法之一。余继东等通过对建造在陡坡地段的某高速公路桥梁桩基开展从施工到通车的全阶段监测，分析了在施工荷载作用下桥梁桩基和陡坡土体的位移分布和变化规律[8]。熊彪等以厦漳跨海大桥主桥钢箱梁的架设过程为背景，通过有限元模拟，分析计算桥面吊机附近瞬态工作最大应力，确保施工安全[9]。王百林等通过有限元软件模拟分析桥梁桩基受力情况，并与前期实际位移监测数据进行对比，消除了桥梁位移病害[10]。李永乐等对比研究大跨度悬索桥施工阶段中动力特性的变化规律，讨论了不同模拟方法对施工阶段扭弯频率比及颤振临界风速的影响[11]。任志刚等采用有限元方法，对府河盘龙大桥主桥三跨预应力连续箱梁桥的悬臂挂篮施工过程进行了数值模拟分析与预测[12]。

本文以大跨度桥梁工程为背景，结合桥梁上的结构健康监测系统，对施工期间桥梁系杆的应力变化进行分析。同时结合有限元软件，对桥梁进行建模计算，再将计算结果与实测结果进行对比，验证模型的可靠性。进一步对桥梁施工过程中产生的挠度变形、对周边环境的影响、连接处的应力等进行分析，并提出施工指导方法。

1 工程概况

1.1 工程背景

某特大桥位于赤壁市泉口镇，中心里程为DK1289+164(K1323+972)，全长4 368.71 m。其主跨1-140 m钢箱系杆与高速公路成30°夹角。系梁高3.5 m，宽同拱肋均为2 m，拱肋变截面平行布置，横向中心间距16 m，拱轴中心线形为二次抛物线，矢高30 m，矢跨比1/4.67，吊杆间距8 m。全桥设5道横撑，横撑高度适应拱肋变化。全桥均用高强螺栓连接，钢结构总重约3 642 t，如图1所示。

图1 某特大桥

1.2 工程难点与监测

该桥位于汀泗河南岸的黄土垄岗上，覆盖层为稳定性较好的黄黏土，夹杂卵石土(流沙)及淤泥质粉质黏土，厚17～35 m，岩面落差极大，溶洞最大净高30 m，埋深约45 m，且各桩之间均已贯通，溶洞呈半填充状态，填充物为淤泥质黏土及卵石土(流沙)。

在该桥上安装了应力传感器，以便实时监测桥梁的应力变化情况。应力监测点主要分布于钢箱和系杆之上，如图2所示。

2 仿真方法及可靠度验证

2.1 方法与模型建立

本文采用大型通用有限元软件Midas对工程开挖期进行模拟分析。根据工程项目背景，将桥梁模型划分为513个单元、386个节点，如图3所示。各计算参数如下：吊杆和桥面等构件采用Q345钢(容重为76.6 kN·m-3，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.25)；混凝土板采用C50混凝土(容重为26.5 kN·m-3，弹性模量为3.6×104MPa，泊松比为0.35)。

图2 应力监测点布置

图3 桥梁的有限元模型

2.2 可靠度验证

通过有限元模型计算系杆处的应力值，并与实测值进行对比，得到图4。

图4 模拟计算值与实测值对比

从图4可以得知，在初始时刻，仿真模拟计算结果均为0 MPa，而实测系杆在初始时刻均有一定的压力值，这是因为施工过程中的安装、搬运导致系杆出现一定的压应力。随着施工过程的推进，系杆的应力值不断地呈非线性增加，而模拟计算值比实测值偏大。这是因为模拟计算已经简化外界环境的因素：温度设置为恒定35 ℃，风荷载假定为10 m·s-1，大跨度桥梁上的荷载为恒荷载(自重)，不考虑临时机械对施工的影响等。这使得计算值与实测值有一定的误差，最大误差为11.2%；计算值的误差比实测值大，在施工监测过程中能够起到安全预警的作用。因此，有限元模型的计算结果能够有效地反映施工现场的安全指标，模型具有相应的可靠度。

3 模拟结果分析

3.1 挠度的计算

通过满布加载(包括自重、施工临时荷载、已铺设材料的自重)，得到跨中的挠度变形曲线，如图5所示。

图5 跨中挠度变形

从图5中可以得出，随着时间的增加，跨中挠度变形增长速率先逐渐增大，后逐渐减小：在第2天时，跨中挠度为1.11 mm，增长速率为0.555 mm·d-1；在第10天时，跨中挠度为1.56 mm，增长速率为0.056 mm·d-1。这是因为荷载的突然施加会使得大跨度桥梁产生较大的突然变形，即在动力响应下桥梁挠度变形会突然增加。随着时间的增长，荷载对大跨度桥梁的作用转换为长期恒荷载对大跨度桥梁的影响，即徐变的影响，因此桥梁挠度的增长速率变缓。

为了解决这一问题，可以采用及时卸载的办法：如在用完临时施工荷载后及时将其放回原处，采用质轻高强的新型材料，减少材料的自重，减缓跨中沉降[13]。

3.2 临近5 m处轨道沉降

利用本文模型，对距离开挖点5 m处的轨道进行沉降模拟仿真，得到了周边5 m处的轨道沉降随时间的变化曲线，如图6所示。

图6 临近5 m处轨道沉降

这是因为在大跨度桥梁施工过程中，打桩、搬运和卸载会对周围轨道产生较大的影响。根据施工方案，在开挖过程中抽取地下水，使得地下水位下降至开挖低层。而地下水位的变化，会使得基坑土体失水，形成不饱和土体，从而导致沉降。

为了解决这一问题，可以改善施工方案：打桩时重锤低击、对称打桩等。对于地下水位情况，可以采取多次真空降水方案，在坑内设置明水坑，将坑内明水引流到明水坑内，及时排出[14]。

3.3 桥墩沉降

结合有限元模型，对桥墩进行分析，得出其沉降随时间变化的曲线，如图7所示。

图7 桥墩沉降

桥墩沉降的原因与临近5 m处轨道沉降的原因类似。但不同之处在于，桥墩的质量与体积较大，沉降主要来自自重，外界环境对桥墩处的沉降影响不大。

为了解决这一问题，可以改善施工方案：打桩时重锤低击、对称打桩等。对于地下水位情况，可以采取多次真空降水方案，在坑内设置明水坑，将坑内明水引流到明水坑内，及时排出。还可以采取钻孔灌注或打锚杆等方式，加强土体的凝结作用，使得桥墩不会由于自重过大而产生较大的沉降[15]。

3.4 跨中连接处螺栓应力

结合有限元模型，对跨中连接处的螺栓进行应力计算，得出其应力值随时间变化的曲线，如图8所示。

图8 跨中拼接处螺栓应力

这是因为随着施工方案的实施，跨中拼接处的螺栓应力也逐渐增大，但增大的速率会因为施工技术而有所不同。一方面，随着施工的进一步进行，螺栓连接的杆件逐渐增多，导致拼接处螺栓的应力激增。另一方面，杆件受力传递由各拼接螺栓分担完成，从而使得跨中的螺栓应力增长速率减小。

为了解决这一问题，可以优化施工组织设计，例如合理地安排施工顺序，对称式施工，从而改变杆件单受力的状况，减小跨中连接处螺栓的应力值；还可以在螺栓拼接处加上保地护垫块，从而增加传力的表面积，减小螺栓的受力[16]。

4 结 语

(1)结合大跨度桥梁工程背景，通过ANSYS有限元软件模拟桥梁在施工过程中的系杆应力，其最大误差为11.2%。ANSYS计算的结果与实测数据较为吻合，可以在工程施工中用来进行安全预警。

(2)随着施工的推进，跨中挠度变形增长速率先逐渐增大，后逐渐减小。在第2天时，跨中挠度为1.11 mm，增长速率为0.555 mm·d-1；在第10天时，跨中挠度为1.56 mm，增长速率为0.056 mm·d-1。为了解决这一问题，可以采用及时卸载的办法：如在用完临时施工荷载后及时将其放回原处，采用质轻高强的新型材料，减少材料的自重，减缓跨中沉降。

(3)随着开挖时间的推移，周边轨道沉降在第10天高达0.62 mm。在实际工程中，可以改善施工方案：打桩时重锤低击、对称打桩等。对于地下水位情况，可以采取多次真空降水方案，在坑内设置明水坑，将坑内明水引流到明水坑内，再及时排出。

(4)随着开挖时间的推移，桥墩沉降在第10天高达0.24 mm。在实际工程中，可以采取钻孔灌注或打锚杆等方式加强土体的凝结作用，使得桥墩不会由于自重过大而产生较大的沉降。

(5)跨中拼接处的螺栓应力随着施工的推进而逐渐增大，在第10天时，螺栓应力为653.48 MPa。在实际工程中，可以优化施工组织设计，合理地安排施工顺序，对称式施工，从而改变杆件单受力的状况，减小跨中连接处螺栓的应力值；还可以在螺栓拼接处加上保护垫块，从而增加传力的表面积，减小螺栓的受力。