王祥蕴，杨林楠，王 欢
(中交路桥北方工程有限公司 北京市 100020)
随着公路工程项目的不断增多和公路技术的发展，公路等级以及所处的地理环境也日益复杂多样，位于高速匝道或者由于山区地形限制而设计成的圆曲线上的小半径曲线梁桥得到了快速的发展。目前，对于曲线梁桥，国内外研究重点大多都在桥梁的设计方面，包括结构尺寸设计、受力性能分析、抗倾覆性能研究、抗震分析等理论研究阶段；
此类桥梁施工过程中重难点较多、质量控制困难，同时又由于小半径曲线梁桥施工过程的理论研究较少，可借鉴经验不足，使其往往成为制约项目施工的难点。通过软件模型与现场实际施工经验相结合的方式，进行现场施工控制技术措施和质量控制方法研究，为类似桥梁工程施工积累宝贵经验。
赤峰省道505项目 K15+785.5盆地沟中桥为小半径曲线梁桥，设计采用13m预应力混凝土简支空心板梁桥，共计5跨，每跨设置空心板梁9片，桥面横坡为单向6%，纵断面纵坡为0.35%，路线设计时速为60km/h，而本项目盆地沟中桥桥梁平面位于R=148m的右偏圆曲线上，紧邻规范规定的极限值。《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)中4.0.17规定：最大超高为6%，设计速度为60km/h，最小极限半径为135m。如图1所示，施工过程中存在较多技术难点和质量控制要点。本项目拟通过BIM+有限元分析软件，对小半径曲线梁桥梁板架设进行方案比选，根据实际情况制定合理的梁板架设方案，确定架梁顺序，保证架梁过程的安全性、高效性，制定科学合理的控制措施，确保曲线桥的梁板架设位置准确[1-2]。
图1 桥型平面布置图
施工前采用三维施工模拟技术，对桥梁桩基、墩柱、盖梁、空心板吊装及路面铺装进行施工模拟，如图2所示。通过BIM技术建立桥梁上部和下部结构的几何模型和施工过程模型，实现对桥梁上部和下部结构施工方案进行实时、交互和逼真的模拟，对已有的施工方案进行验证、优化和完善[3]。预知在实际施工过程中可能碰到的问题，提前避免和减少返工以及资源浪费的现象，优化施工方案，合理配置施工资源，节省施工成本，加快施工进度，控制施工质量，提高施工效率[4-5]。
图2 施工工序BIM模拟
采用Altair hypermesh联合Ansys 程序进行计算。对预制安装桥梁上部结构施工过程进行有限元模拟方案如下，研究上部结构的施工次序，根据对称性原理，只进行了1号跨主梁施工次序的有限元模拟，有限元模拟过程中只进行线性范围的研究，综合考量主梁各板不同的施工次序对应位移和应力的不同，综合比对分析，得到相对较佳的施工方案[6-8]。
根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中4.4.3桥梁结构必要时可考虑汽车的撞击作用，汽车撞击力设计值在车辆行驶方向应取1000kN,在施工过程中，也有可能遭到汽车或施工机械的撞击，同时撞击力则可能并未达到极限，因此，本论文对桥梁下部结构施工过程的有限元模拟研究方案如下，分别研究单柱在冲击力200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN时的变形工况，绑定其下端六个自由度，对该柱子进行有限元模拟；
分别研究墩柱盖梁在正向冲击力200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN时的变形工况，对墩柱盖梁进行有限元模拟；
分别研究墩柱盖梁在侧向冲击力200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN时的变形工况，并对墩柱盖梁进行模拟。
4.1 偶然碰撞作用下柱式墩施工过程稳定性数值模拟
单柱子冲击力为200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN时，位移有限元模拟结果如图3所示。
图3 墩柱在承受不同载荷下的位移云图
表1 单柱在冲击力不同时变形对比
通过以上计算和对比分析可知：随着碰撞力增大，墩柱最大位移随之线性增大，且施加载荷的增长倍数与所产生最大位移的倍数几乎一致，如施加载荷从200kN增大5倍到1000kN后，所产生的位移也几乎是施加200kN时所产生位移的5倍。
4.2 偶然碰撞作用下盖梁施工过程稳定性数值模拟
对墩柱盖梁正向和侧向分别承受200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN冲击载荷的情况下进行了有限元模拟分析，位移有限元模拟云图分别如图4和图5所示。
图4 墩柱盖梁正向承受不同载荷下的位移云图
图5 墩柱盖梁侧向承受不同载荷下的位移云图
墩柱盖梁在受到正向和侧向冲击力时的位移有限元模拟结果如表2、表3所示。
表2 墩柱盖梁在受到正向冲击力时变形对比
表3 墩柱盖梁在受到侧向冲击力时变形对比
通过以上计算和对比分析可知，随着碰撞力增大，墩柱最大位移随之线性增大，施加载荷与最大位移的曲线斜率保持一个定值不变，如图6所示。
图6 最大位移随载荷变化曲线
由图5和表3知，相比于正向受载，侧向受载时墩柱盖梁及柱体所产生的位移变形整体减小，同时，墩柱盖梁侧向受载时，柱体顶端的最大位移与盖梁的最大位移差距较小，而在正向受载时，柱体顶端的最大位移与盖梁的最大位移差距较大。墩柱盖梁侧向承受载荷为200kN时，盖梁所产生的最大位移为0.8492mm；
而在侧向承受载荷为1000kN时，对应的盖梁所产生的最大位移线性增加到了4.246mm。
通过模型建立出1号跨的桥墩和桥板，导入仿真软件中，固定桥柱下端六个自由度，依次从1#-2#-3#-4#-5#-6#-7#-8#-9#，从9#-8#-7#-6#-5#-4#-3#-2#-1#，从5#-6#-4#-7#-3#-8#-2# -9#-1#逐根添加桥板进行仿真，将其归类为A、B、C三组，仿真结果如表4～表6所示。
表4 桥梁板装配A组次序位移散点图
表5 桥梁板装配B组次序位移散点图
表6 桥梁板装配C组次序位位移散点图
分析得出，A组和B组逐根排布时位移最大值分别为2.387mm和3.218mm，且位移变形量由梁的中部向两侧逐渐减小。C组的位移最大值为3.22mm，与A、B两组不同，C组最大位移值出现波动，且波动越来越大。
通过计算桥板装配的三种方式：A组装配的平均位移为1.971mm，B组装配的平均位移为2.089mm，C组装配的平均位移为2.085mm，因此最优选择为A组装配方式。
通过小半径平曲线预制安装桥梁施工全过程及成桥安全控制数值模拟技术研究，利用工程软件模拟桥梁施工过程，具体研究结论如下：
(1)通过BIM技术实现对小半径曲线桥梁施工方案进行实时、交互和逼真的模拟，对已有的施工方案进行验证、优化和完善。可以合理配置施工资源，节省施工成本，加快施工进度，控制施工质量，提高施工效率。
(2)利用有限元软件建立小半径曲线桥梁等比例模型，根据软件建模，验算桥梁结构尺寸，明确桥梁各个部位的当前设计在圆曲线上是否冲突，结构位置、尺寸是否需要优化。
(3)利用有限元软件模拟小半径曲线桥梁吊装施工过程，通过梁板架设进行方案比选，确定梁板最优吊装顺序，保证架梁过程的安全性、高效性，制定科学合理的控制措施，确保曲线桥的梁板架设位置准确。
猜你喜欢盖梁墩柱侧向大悬臂双柱预应力盖梁设计的影响因素分析建筑与装饰(2022年19期)2022-10-14军航无人机与民航航班侧向碰撞风险评估北京航空航天大学学报(2021年4期)2021-11-24装配式墩柱施工技术建材发展导向(2021年6期)2021-06-09桥梁40m以上墩柱混凝土施工新工艺探讨山东交通科技(2020年1期)2020-07-24超高墩柱翻模施工工艺及其安全措施分析中华建设(2019年7期)2019-08-27土木工程加宽桥梁的墩柱及其盖梁标准施工技术探究智能城市(2018年8期)2018-07-06大型立交墩柱施工工艺及施工方法中华建设(2017年3期)2017-06-08弯月薄镜的侧向支撑光学精密工程(2016年3期)2016-11-07侧向风场中无人机的飞行研究通信电源技术(2016年1期)2016-04-16基于 L1自适应控制的无人机横侧向控制西北工业大学学报(2015年1期)2016-01-19