钢桁架桥梁施工过程仿真分析与控制

引言

钢桁架桥梁凭借其强度高、跨度大、自重轻等优势，在市政、交通等工程领域应用广泛。然而，其施工过程复杂，涉及工厂制造、现场安装、体系转换等多个阶段，各阶段的结构行为与受力状态不断变化，若控制不当，易引发施工精度不足、结构失稳等问题，影响桥梁最终质量与安全。

一、钢桁架桥梁施工过程特点与关键问题

1.1 钢桁架桥梁施工阶段划分

钢桁架桥施工过程大致可以分为三个环节，其中三个环节之间的衔接是前后有致、各具技术特征的。加工厂制备环节是影响桥梁质量的源头环节，该环节主要是构件的切割、焊接和预拼装，要求对构件各杆件的几何尺寸准确无误，对各节点的连接形式要符合设计要求，对于预拼装环节，通过对模拟现场安装的情况提前预见构件的匹配状况，避免各构件间的匹配问题。现场拼装环节是最主要的施工环节，该环节主要可分为构件运输、构件吊装以及构件拼装等，其针对构件的运输环节要做好构件的加固处理工作，防止构件在运输过程中发生变形，对构件的吊装环节要根据构件的重量以及形状选择好构件的吊装点，对于构件的拼装环节，要注意节点对位的精确度和对连接螺栓或者焊接保证连接的坚固度等。

1.2 施工过程中的结构行为特征

钢桁架桥梁在施工阶段，结构受力状态变化复杂。在进行钢桁架桥梁构件吊装时，构件单独成件或构件拼合单元的钢桁架会在重力作用下弯曲变形，吊装时会在构件吊装点位置形成局部集中力，会出现构件应力超限，如吊装方向出现偏差时还会引起构件产生扭转。钢桁架桥梁进行拼接时，构件之间出现对位偏差，节点形成附加内力，当进行钢桁架的焊接时会产生局部高温，结构构件形成热变形，待构件冷却后会出现残余应力，进而影响节点受力状况。

1.3 施工过程面临的关键问题

一是装配精度问题，制作偏差会累加到实际施工中，造成组装节点不匹配需要现场调整，增加施工难度，且部分构件容易导致现场进行二次加工，从而增加时间和材料的浪费；二是结构安全问题，因施工时结构会受到一定的作用，所以临时支座能承担一定作用力，自身的承载力和刚度不高会存在一定的支座倾覆的风险，特别是多跨连续梁施工中的临时支座拆除顺序存在问题会使得自身结构具有一定的临界状态，发生整体失稳；三是焊缝质量影响桥梁使用寿命，焊接缺陷容易导致焊缝节点的失效，通过在实际中的使用问题会出现疲劳破坏，而且焊接环境在施工过程中的变化也加大了现场环境影响；四是施工过程中焊接质量控制对材料影响，焊接环境湿度、风速等施工因素的差异对焊接质量影响较大，不能充分发挥质量控制的经济效益。

二、钢桁架桥梁施工过程仿真分析技术

2.1 仿真模型构建方法

模型创建需注重细节和实用，几何建模可以采用基于参数的建模方式，根据设计图纸的比例信息对杆件的大小和节点结构进行精确建模，对重要的节点信息应进行细分，保留一些诸如螺栓和焊缝等结构形式，对于不重要的内容或区域可以进行合并精简，从而达到压缩运算的目的。材料本构上应符合钢的真实性质，采用满足设计规范的弹性系数和屈服强度等参数，针对焊接接头的力学性能的不同，对焊缝地区采用对应材料属性进行赋值。边界条件和荷载的输入应根据实际施工状态进行，吊装阶段对吊装点进行约束，可以模拟钢绳的弹性支撑作用；安装阶段对实际的临时支撑的位置施加约束为固定约束或弹性约束；对构件自重、施工人员和施工设备等的重力以及风荷载等影响进行荷载计算。

2.2 主要仿真分析内容

施工过程内力仿真主要分析结构在各个施工工况下各部件的内力，确定承力较大的关键构件，预测应力集中部位，以便完善施工过程。施工过程变形仿真主要对结构在施工时部件的挠度以及整体位移进行分析，主要研究对结构进行吊装时的最大杆件下垂长度，研究结构在安装阶段的整体变形量，结构在安装阶段的最大累积位移和变形量，检查结构拼接部位的相对位移是否过大或超出规定数值等，使施工精度满足要求。施工过程稳定性仿真主要校核结构的施工状态是否满足稳定安全储备，研究整体稳定，防结构失稳倾覆；研究局部稳定，防构件失稳屈曲等。

2.3 仿真结果验证方法

仿真结果要通过多种方式加以验证才能保证可信度。与理论计算结果核对，选取代表性施工工况，将仿真内力与变形取值与简单理论模型计算结果进行比对，检验模型基本正确性。与施工现场监测数据核对是最直接的方式，即对施工部位进行应力、变形等量测，在现场实际运行过程中获取相关数据，与同步仿真结果比较，从误差统计分析中找出模型参数取值的合理性。模型参数敏感性分析可以得知各模型参数对仿真结果的影响，比如调整材料的弹性模量、荷载的取值等，发现其变化规律，以指导模型优化，保证仿真结果可以有效指导实际施工。

三、钢桁架桥梁施工过程控制方法

3.1 施工精度控制方法

对构件进行精准的控制主要从源头把控，首先对下料进行控制，使用高精度切条机下料，保证杆件尺寸公差在规范范围内，焊接过程采用焊缝对称、对称跳焊等措施减小结构的变形，制作完成后对构件实体进行三维扫描检测构件的真实几何外形，对与要求不一致的部分进行补焊。安装时通过对构件的定位控制，将构件空间位置用全站仪进行监控，根据构件安装时对的安装偏差大小通过临时可调装置对构件的位置进行调节，保证对位置精度在毫米级。针对结构的焊接变形可以采取严格的焊接工艺规程，焊接前进行预热可以降低构件温差，焊中控制焊接电流和焊接速度，使焊接熔池熔透稳定，焊后进行保温缓冷，降低焊后残余应力，对关键节点进行焊后热处理改善构件的残余变形。

3.2 结构稳定性控制措施

针对临时支撑体系设计进行验算，依据施工荷载情况，对支撑进行受力和变形计算，保证其承载力、刚度、稳定性足够，支撑布置构成空间支撑体系，增强体系抵抗侧移的能力。吊装过程中，结构稳定性控制通过优化吊装方法，调整构件重心设置合理吊点，多台吊车多点同步作业过程中，保证两台吊机的吊点位置在同一个水平高度处，吊机操作过程中同步升落，避免吊点受力不均。拆卸临时体系及体系转换过程控制方面，对每个体系转换节点设定支撑拆除方案，结合前一次支撑拆除效果及变化情况，确保体系转换过程整体受力均匀、平稳。

3.3 施工过程监测与反馈控制

施工过程监测需科学布设监测点，在受力较大的杆件、节点及临时支撑上安装应力传感器，在跨中、悬臂端等关键位置设置位移监测点，实时采集施工全过程的数据。数据采集与分析应形成闭环管理，采用自动化采集系统实现数据实时传输，通过专业软件对数据进行处理，生成应力、变形随时间变化的曲线，及时识别异常波动。反馈控制机制需快速响应监测结果，当数据超出预警值时，立即暂停施工并分析原因，调整吊装参数、支撑布置或焊接工艺，待参数回归正常范围后再继续施工，确保每一步施工操作都处于可控状态。

结语

钢桁架桥梁施工过程的复杂性与高风险性，决定了必须通过系统的仿真分析与严格的控制措施保障施工安全与质量。施工阶段的科学划分有助于明确各环节的技术重点，对结构行为特征的深入理解为仿真分析提供了靶向目标，而对关键问题的清醒认知则为控制方法的制定指明了方向。

参考文献

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