某PC 連續(xù)梁橋施工監(jiān)控中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)

申 娟

我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在20世紀(jì)70年代首次應(yīng)用于城市橋梁工程，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)體系具有變形小、結(jié)構(gòu)剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。從我國(guó)已建成的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?qū)嵺`來(lái)看，大部分采用懸臂澆筑法施工，懸臂法施工有很多優(yōu)點(diǎn)，然而它也有一些問(wèn)題，比如在節(jié)段施工中容易出現(xiàn)偏載或者因風(fēng)力產(chǎn)生的不平衡彎矩，這樣就涉及到施工中的安全性和穩(wěn)定性。因此在施工中要對(duì)主梁截面的最不利位置進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

1 施工監(jiān)控的目的

懸臂現(xiàn)澆施工類型的橋梁的施工工序和施工階段較多，各階段相互影響，且這種相互影響又有差異，這就可能造成各階段的內(nèi)力和位移隨著混凝土澆筑過(guò)程變化而偏離設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)允許的內(nèi)力和位移。若不通過(guò)有效的施工控制及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)調(diào)整，就可能造成成橋狀態(tài)的線型與內(nèi)力不符合設(shè)計(jì)要求。

在施工過(guò)程中，為保證合龍前懸臂端豎向撓度的偏差不超過(guò)容許范圍、保證合龍后的橋面線型良好、保證在施工中主梁截面不出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力，必須對(duì)本橋主梁的撓度、應(yīng)力等施工控制參數(shù)做出明確的規(guī)定，并在施工中加以有效的管理和控制，以確保本橋在施工過(guò)程中的安全，并保證在成橋后主梁的線型符合設(shè)計(jì)要求。本文主要介紹施工過(guò)程中的應(yīng)力監(jiān)控，確保施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性，保證橋梁結(jié)構(gòu)成橋受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。

2 施工監(jiān)控的基本理論

施工監(jiān)控過(guò)程是一個(gè)“施工—測(cè)量—誤差分析—參數(shù)調(diào)整—預(yù)報(bào)”的循環(huán)過(guò)程，必須在施工過(guò)程中全過(guò)程跟蹤計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況變化，不斷調(diào)整、完善計(jì)算參數(shù)以滿足設(shè)計(jì)對(duì)線形及內(nèi)力的要求。在該橋的施工監(jiān)控中，對(duì)梁體線型、應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)控制。監(jiān)控方采用自適應(yīng)控制方法對(duì)本橋進(jìn)行了線型控制，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，施工中每個(gè)工況的受力狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計(jì)所確定的理想目標(biāo)的重要原因是計(jì)算模型中的計(jì)算參數(shù)取值，主要是混凝土的彈性模量、材料的比重、混凝土徐變系數(shù)等，與施工中的實(shí)際情況有一定的差距。要得到比較準(zhǔn)確的控制調(diào)整量，必須根據(jù)施工中實(shí)測(cè)到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)來(lái)修正計(jì)算模型中的這些參數(shù)值，以使計(jì)算模型在與實(shí)際結(jié)構(gòu)磨合一段時(shí)間后，自動(dòng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律。在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再加上一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)過(guò)程，整個(gè)控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

3 工程概述

該橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)為42 m+70 m+42 m，采用懸臂法施工。本橋梁滿足三級(jí)航道要求，航道凈高8 m，凈寬60 m。橋址處派河的20年一遇水位高程13.67 m，設(shè)計(jì)的主橋面中心高程25.969 m。橋梁中跨豎曲線為二次拋物線。設(shè)計(jì)荷載:公路—Ⅰ級(jí)(機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道)，3.5 kN/m2(人行道)，主墩的船舶撞擊作用按1000 t級(jí)取值。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，橋梁所處環(huán)境類別為Ⅰ類，設(shè)計(jì)時(shí)速:主橋內(nèi)側(cè)三個(gè)車道為60 km/h，外側(cè)一個(gè)車道按匝道口的加減速車道設(shè)置。匝道設(shè)計(jì)速度為30 km/h。該橋采用懸臂法澆筑，最大懸臂段為9號(hào)塊主梁梁應(yīng)力主要是通過(guò)埋入混凝土振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控，主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在L/2，L/4，根部等關(guān)鍵截面上，上部結(jié)構(gòu)(箱梁)共布置11個(gè)應(yīng)力測(cè)試斷面，具體見(jiàn)圖1。為避開(kāi)應(yīng)力集中或截面突變部位，根部截面的測(cè)試斷面選擇在1號(hào)塊端部。本橋施工監(jiān)控采用正裝分析法，正裝分析法是按照橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和受力分析，它能較好的模擬橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工歷程。測(cè)點(diǎn)埋設(shè)位置見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置位置詳圖

4 建模與計(jì)算

本橋通過(guò)橋梁分析軟件Midas civil 2010來(lái)建立模型，通過(guò)對(duì)施工過(guò)程的模擬，來(lái)了解主梁截面的各工況間應(yīng)力變化情況。

1)建立模型。Midas civil 2010建模采用梁?jiǎn)卧M上部結(jié)構(gòu)，模型建至最大懸臂塊段即9號(hào)塊張拉完畢，施工階段按照安裝掛籃、澆筑塊段以及張拉塊段來(lái)模擬。共分為42個(gè)施工階段計(jì)算分析。全橋共有58個(gè)單元，59個(gè)節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)主墩分別為8號(hào)墩和9號(hào)墩全橋的Midas模型，如圖2所示。

圖2 全橋離散模型

2)計(jì)算分析。通過(guò)Midas模型的計(jì)算，導(dǎo)出各個(gè)控制截面的“應(yīng)力—施工階段”歷程圖，其中橫坐標(biāo)為施工階段，縱坐標(biāo)為各個(gè)施工階段的相對(duì)應(yīng)力值，MPa。

圖3 根部頂板工況間應(yīng)力相對(duì)值對(duì)比圖

圖4 根部底板工況間應(yīng)力相對(duì)值對(duì)比圖

圖5 1/4截面頂板工況間應(yīng)力相對(duì)值對(duì)比圖

5 主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是復(fù)雜的，在本橋的施工監(jiān)控中，對(duì)季節(jié)性溫差在計(jì)算中予以考慮，對(duì)日照溫差則在觀測(cè)和施工中采取一些措施予以消除，以減小其影響。例如應(yīng)力測(cè)量基本選擇在早上溫度較低的時(shí)候進(jìn)行，每次工況間的溫度盡量相同。混凝土的收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的測(cè)試應(yīng)力和施工階段中的梁體應(yīng)力有較大影響，必須加以考慮，計(jì)算按照規(guī)范規(guī)定的收縮、徐變系數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)按監(jiān)控單位的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整。由于本橋是將工況間所測(cè)得的相對(duì)應(yīng)力值與模型的理論值進(jìn)行比較，所以在本橋的應(yīng)力測(cè)量時(shí)盡量使每個(gè)工況間的時(shí)間間隔最短，這樣就可以忽略徐變對(duì)測(cè)量的影響。例如在預(yù)應(yīng)力張拉前后時(shí)，在張拉前1 h測(cè)量一次應(yīng)變，張拉后立即測(cè)量應(yīng)變，這樣這個(gè)工況間的時(shí)間間隔就很小，徐變基本沒(méi)有發(fā)展，所以可以認(rèn)為此工況間的應(yīng)變變化只是由預(yù)應(yīng)力引起的。后期的數(shù)據(jù)處理中，我們將工況間實(shí)際應(yīng)力的相對(duì)變化值與理論應(yīng)力的相對(duì)變化值做比較，并且通過(guò)Excel繪制曲線圖，如圖3～圖6所示。圖中只是截取第24工況～第29工況間的相對(duì)應(yīng)力變化做比較，其中第24工況～第29工況分別為澆筑7號(hào)塊、張拉7號(hào)塊預(yù)應(yīng)力、安裝8號(hào)塊掛籃、澆筑8號(hào)塊、張拉8號(hào)塊預(yù)應(yīng)力及安裝9號(hào)塊掛籃。由圖可知，監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力變化趨勢(shì)基本上與模型分析的接近，工況間的應(yīng)力相對(duì)值與理論值最大相差也僅在1 MPa以內(nèi)，在允許的范圍之內(nèi)。

圖6 1/4截面底板工況間應(yīng)力相對(duì)值對(duì)比圖

6 結(jié)語(yǔ)

施工監(jiān)控相對(duì)施工過(guò)程中的安全性有一定的預(yù)見(jiàn)性，對(duì)施工中及成橋后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及線形控制起到非常重要的作用。本橋在施工監(jiān)控中有以下幾點(diǎn)心得，希望對(duì)以后類似橋型的施工監(jiān)控有一定的指導(dǎo)作用。

1)建立模型時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)恒載、預(yù)應(yīng)力張拉、分階段施工流程、溫度變化、混凝土收縮徐變、施工荷載、體系轉(zhuǎn)換、二期恒載和活載效應(yīng)，并按照施工組織設(shè)計(jì)中的橋梁施工順序，計(jì)算結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力分布狀況，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的復(fù)核計(jì)算。

2)混凝土徐變對(duì)應(yīng)變的測(cè)量會(huì)有一定的影響，可以采用文獻(xiàn)［5］介紹的增量法測(cè)量應(yīng)力的真實(shí)值，本橋采用的是在測(cè)量時(shí)盡量使施工工況間的時(shí)間間隔最短，這樣可以忽略徐變的影響，經(jīng)過(guò)測(cè)量，實(shí)際結(jié)果與理論結(jié)果符合很好。

［1］ 王武勤，周紀(jì)昌.大跨度橋梁施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2007(3):66-67.

［2］ 蔚建華.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工技術(shù)要點(diǎn)［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］ 邱順冬.橋梁工程軟件Midas civil常見(jiàn)問(wèn)題解答［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］ 張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［Z］.2008.

［5］ 李 靜.廣州廣清衛(wèi)生河大橋施工監(jiān)控中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)［Z］.2009.

［6］ JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］ 余錢華.大跨徑混凝土橋梁施工中應(yīng)力分析與測(cè)試［Z］.2010.