預應力連續剛構橋應力監測分析

廖永恒

（岳陽路橋三公司，湖南 岳陽414000）

1 引言

大型橋梁結構在它的施工過程中，由于受到施工臨時荷載、預加力、混凝土收縮、徐變和溫度作用等諸多因素的影響，結構的內力狀態和變形以及分布很難通過設計計算事先做出準確估計，總會有可能發生一些人們事先預計不到的情況，這樣只能通過實際測試才能了解清楚。工程實踐和現場試驗表明[1-4]，對于要采用懸臂法施工的橋梁，施工進程中結構的內力狀態的變化可能會相當大，因此應力監測也就顯的尤為重要，它是施工過程中的安全預報系統，是對橋梁的實際受力狀態進行評判和確保施工安全順利的主要依據。結構的某定點的應力也和其幾何位置一樣，隨著施工的推進，受到諸多因素的影響，其值是不斷的變化的，在某一時刻的應力值是否與分析預測的值一致，是否處于安全是施工控制關心的問題，解決這一問題的辦法就是進行監測，在結構的控制截面布置應力觀測點，以觀測在施工過程中這些截面的應力變化及其應力分布情況，預告當前已安裝構件即將安裝的構件是否出現不滿足強度要求的狀態，一旦應力監測發現異常情況，就應立即停止施工，查找原因并及時調整變量。

2 工程背景

采用懸臂澆注施工法的某預應力混凝土連續剛構橋是一座大型公路橋梁。主橋是跨徑布置為50+2×90+50m，由左、右兩個半幅組成，左、右兩個半幅的翼緣板是通過現澆濕接縫連接起來的，半幅主梁是單箱單室，為三向預應力箱梁，采用掛籃懸臂施工。三個主墩（37號，38號，39號）均采用整體基礎，有利于抵抗船舶的撞擊力。樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑2.0m，按雙排菱形布置，承臺厚3.0m，左右半幅橋的雙肢薄壁墩墩身分離布置，且在上、下游端均設置了防撞設施。

大橋設計的標準為：一級公路，設計行車速度60km/h；設計荷載：汽車超20級，掛車-120，人群荷載3.5kN/m2；橋面總寬為22.5m，橫斷面由雙幅單箱單室連接而成；橋面設2.0%雙向橫坡，橋面設2.38%的雙向縱坡，變坡點設在主橋的38號墩的中心處。

3 監測控制截面及其測點布置

本工程選用振弦式應變計，觀測值較為穩定，并且耐久性較好，適合應力場的長期觀測。振弦式應變計的工作原理：鋼弦在受力時或拉伸或壓縮，由此引起其自振頻率的變化；在觀測時給鋼弦施加一電流激振，觀測其振動頻率，以此反算其受力情況。在典型控制截面處埋設了應變計。對每一施工梁段的每一工況：移掛籃、澆注混凝土、預應力張拉，我們都進行了全部應變計的觀測。把觀測值與理論值比較，反饋調整混凝土的收縮徐變系數；掌握主梁的內部應力情況，確保施工期的安全。測點布置在關心截面：梁頂截面、1號截面、6號截面、跨中截面的上下緣，應變觀測點布置如圖1所示。

4 應力測試的誤差分析

橋梁結構的實際狀況與理論狀況總存在一點的誤差，究其原因，主要由設計參數，施工誤差，測量誤差，結構分析模型誤差等綜合因素所致。混凝土的應變可分為受力應變和非受力應變兩種，在實測的應變中它們是混雜在一起的，而施工控制中應力測試應該通過理論分析，誤差分析等手段，使應力測試結果盡可能地接近實際，從而較準確的掌握結構的真實應力狀態，橋梁施工監控過程中，影響應力測試的因素有以下幾個方面：

4.1 應變計的安裝誤差

橋梁施工過程中，為了保正振弦應變計安裝的牢固可靠，穩定耐久，我們一般用扎絲將其牢牢捆扎在梁上、下緣縱向鋼筋上，這樣應變計距梁體上下緣表面就會有一定距離，因而使得測試應力與梁體表面的計算應力有些差異，同時振弦應變計的軸線與結構的軸線也不可能完全一致，其不可避免地存在上下左右方向的偏差，伴隨這混凝土的澆筑和振搗，振弦應變計受到不同方向非平衡力的擠壓，有時會略偏離軸線，上述因素的存在形成了以部分測試誤差，使得測試值與理論計算值存在偏差，對于應變計上下位置引起的差異，可以通過修正截面上下緣的實測應力來考慮：而應變計方位帶來的偏差是隨機的，一般不便修正，不過其值相對較小，可不予考慮。

4.2 振弦應變計的調零誤差

振弦應變計埋設好后穩定較好，在同一溫度下，同一工況下的鋼弦頻率測試數據有很好的重復性，由于振弦應變計是在混凝土中埋設的，混凝土初凝時產生的初應力作用于應變計，應該及時給予排除。而出初應力與初讀數（調零）時間有關，初讀過早，混凝土凝結時的初應力不能完全消除，初讀書過晚，外加荷載又施加在結構上，一般初讀在混凝土凝結，預應力鋼鉸線張拉前進行比較合適。

4.3 混凝土的彈性模量誤差

按照有關橋梁規定，混凝土的彈性模量一般取定值，但實際上混凝土彈性模量是時間的函數，加載齡期的不同，使得混凝土產生的塑性形變有很大的差異，而且混凝土的初次加載與卸載時其初始切線彈性模量EC，割線模量E'C，及其卸載模量E"C，具有明顯的差異，經過多次加載，卸載以后，才逐步一致。因此，在整個結構構件截面應力測試中，混凝土彈性模量都是變化的，計算時應該取混凝土相應齡期的彈性模量。

4.4 混泥土應變滯后的誤差

應變觀測數據表明，受力混凝土應變具有一定的滯后性，特別是預應力張拉后，由于種種因素的影響，應變在沿梁體各截面的傳播速度隨施工階段的不同而有很大的差異。當預應力束較短，管道較暢通時，應變的滯后性不太明顯，此時應立即對張拉后的混凝土結構進行應變測量，其應變滯后性造成的誤差較小；當預應力束較長時，各截面應變的滯后性與張拉端的位置有關，靠近張拉端的截面與短束的情況比較接近，遠離張拉端的截面，應變滯后現象嚴重。如果應變測試偏早，將會導致部分應力丟失（不含預應力損失），使測試應力值偏小，若應變測試偏晚，這時應力測試又會受到后續工況的影響。因此，應力測試應盡量選擇適當時間進行。

4.5 溫度影響誤差

溫度變化時，如果混凝土無約束自由伸展，埋入其中的振弦應變計將會隨同變形，振弦應變計中的鋼弦絲的應變和自振頻率也將發生改變，這樣就會導致應力測試的誤差。

4.6 混凝土的徐變與收縮誤差[5]

施工應力測試影響相當復雜，除荷載作用引起的彈性應變外，還有與收縮徐變因素有關的應變。混凝土無荷載條件下的收縮變形是由于所含水分蒸發及其它物理化學原因產生的干燥收縮和體積收縮。主要與混凝土品質和構件所處的環境有關。混凝土持續荷載條件下的環境等有關。在實際工程應變測量中，其包含了收縮和徐變的應變，應給予扣除。

5 應力理論分析值與實測值對比

圖2～圖7為左、右兩幅橋各控制截面在各施工工況下應力實測值（扣除非受力因素影響）與計算分析理論值的對比圖。

圖2 37＃橋墩頂上緣各施工工況下應力實測值與理論值對比圖

圖3 37＃橋墩頂下緣各施工工況下應力實測值與理論值對比圖

從圖2-圖7可以得出以下結論：

1)懸臂各梁段施工階段，主梁懸臂測試截面混凝土實測應力變化規律總體與理論計算結果是一致的，而且實測值與理論值較吻合，可以判斷計算分析結果和實測數據之間存在的偏差是混凝土收縮徐變，橋面施工機械自重及結構溫度變化等各種復雜因素而導致總的來說，雖然實測應力值與計算應力值相比存在誤差，但變化趨勢一致。

2)應力實測值與理論值的誤差較小，說明了采用的計算程序的正確性及其本橋計算模型是符合實際的，計算結果是可靠的

3)懸臂施工階段，主梁懸臂測試截面混凝土實測最大壓應力為21.00 MPa，未超過規范[6]允許值，本橋在懸臂施工過程中是安全的。

圖4 37＃墩7號截面處上緣各施工工況下應力實測值與理論值對比圖

圖5 37＃墩7號截面下緣各施工工況下應力實測值與理論值對比圖

圖6 37＃墩1號截面上緣各施工工況下應力實測值與理論值對比圖

圖7 37＃墩1號截面下緣各施工工況下應力實測值與理論值對比圖

6 小結

應力監測是大跨度預應力混凝土剛構橋施工控制的一種有效方法，它可以彌補計算過程中選取參數的不合理或某些因素無法考慮的不足，使橋梁施工更加安全.本文分析了振弦應力測試的誤差主要來源，提出了減少誤差的方法；分析了控制截面應力實測值與計算值存在誤差的主要原因。可供同類的橋型的應力監測提供有價值的參考。

[1]向中富．橋梁施工控制技術[M]．北京：人民交通出版社，2001．

[2]毛昌時，杜國華，范立礎．混凝土斜拉橋徐變倒退分析[J]．中國公路學報，1995，8(增1)：42-46．

[3]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M]．北京：人民交通出版社，2000

[4]葛耀君．分段施工橋梁分析與控制[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[5]曾德榮，張增亞.橋梁施工監測應力真值分析方法[J]重慶交通學院學報，2005，(6)

[6]JTJ023-85.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S]