連續箱梁橋體外預應力施工模擬與監控

李建波

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市 201900）

連續箱梁橋體外預應力施工模擬與監控

李建波

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市 201900）

大跨度結構施工監測與分析是施工中的關鍵環節，結合連續箱梁橋體外預應力加固實例，探討了體外預應力的施工監控內容與仿真分析方法。以預應力筋的索力，應變測試和橋面變形監控為主要監測內容，通過有限元軟件M IDAS對預應力張拉過程進行模擬分析。監測結果表明實測數據與模擬分析理論值較好吻合。該工作和研究成果是連續梁橋體外預應力施工過程中一項重要的安全指標，同時為以后相關工程的設計與施工提供一定參考價值。

連續箱梁；體外預應力；施工監測；M IDAS

0　引言

體外預應力技術由于具有施工方便、預應力損傷小，施工工期短以及耐久性高等優點，近年來已被廣泛應用于舊橋的加固工程中。據相關工程實踐證明，利用體外預應力加固舊橋，能顯著提高結構承載力和抗裂度，并有效改善結構的應力狀態［1］。因此隨著高強混凝土技術和施工工藝的發展，體外預應力結構技術的應用將是現代預應力施工中的主要趨勢之一［2-4］。

在體外預應力施工過程中，為了保障橋梁結構的安全性與耐久性，常常對施工進行全過程的實測監控，以避免施工應力和線形失控帶來安全事故和經濟損失。且對施工過程中每個階段進行詳細的變形計算和受力分析，也是橋梁施工監測控制最基本的內容之一［5，6］。本文主要結合某預應力混凝土連續箱梁橋工程實例，論述分析連續箱梁體外預應力的施工監測與施工模擬，使結構達到預期的加固設計要求，提高橋梁加固質量和科學技術水平。

1　工程概況

主線橋為一座偏南北走向的44跨預應力混凝土連續箱梁橋，共由14聯組成，跨徑組合由北向南依次為3×25 m+3×25 m+3×25 m+3×30 m+4× 25 m+3×25 m+3×25 m+3×25 m+3×25 m+3× 25 m+4×31 m+3×25 m+3×25 m+3×25 m，橋梁全長為1 139.68 m。主線橋標準跨橋面寬為9.5 m，橋寬布置為：0.5 m防撞護欄+8.5 m通行凈寬+0.5 m防撞護欄，橋面采用厚為0.10 m的鋼筋混凝土鋪裝，表面加罩厚0.05 m的瀝青混凝土。本次監控對象為左幅主線第15跨為四跨1聯（4×25 m）連續梁的第3跨。加固跨箱梁共有2個箱室，每個箱室各設置3束7As15.2 m m體外預應力束，每跨箱梁共6束。在端橫隔梁位置設混凝土齒塊進行張拉及錨固體外預應力束，鋼束錨下張拉控制應力為1 209 M Pa。

2　監測系統

2.1系統組成

體外預應力施工監控是通過對施工過程中箱梁的體外預應力束索力、主要受力斷面結構變形及應力（應變）的測試和測量，將實用的結構現場測試技術和分析技術應用于施工，并結合實際施工過程形成結構計算分析、監測及反饋控制一套完整的系統。該系統能確保結構內力合理，結構變形控制在允許范圍內，并保證結構在加固后線形達到設計要求，內力狀態與設計內力狀態達到基本吻合。具體組成如下：

（1）索力測試系統

為了保證體外預應力束索力監控的順利實施，并保證足夠的精度和可操作性，經過綜合比較，擬采用頻率法［7，8］對體外束的整個張拉過程進行索力監控，并輔以索的伸長量進行復核。

具體方法是預應力束張拉完成后，讀取張拉千斤頂的張拉力值，在此張拉力下現場采用INV-306U動態測試系統測試預應力束的自振頻率，進而得到預應力束的計算長度。后續施工完成后，再實測預應力束頻率，并將此前計算的索的計算長度代入公式便可準確得到每根預應力束的索力，索力計算公式為：

其中：fn為吊桿的第n階振動頻率；n為振動階次；L為索的計算長度。

（2）應變（應力）測試系統

通過在預應力筋上粘貼電阻應變片以測試預應力筋的應變。為完全跟蹤預應力的張拉過程，在張拉每束預應力筋時，對控制截面關鍵測點進行同步實時監測。因此本工程采用東華DH 3817動態應變測試系統以及基康鋼弦應變計進行預應力筋的應變監測。該動態應力應變分析系統包括動態應變儀（及配套軟件）、應變儀橋盒、計算機等，通過連續采樣測取預應力筋的應力變化。

（3）橋面線形測量系統

橋梁變形是反映預應力張拉效果的最主要參數。本工程采用精密水準儀，徠卡TS30全站儀對結構的豎向位移進行測量監控，以滿足橋梁預拱度設計要求。

2.2測點布置

（1）體外預應力束索力監控測點

在每個箱室每束預應力筋上布置測點，具體體外預應力束布置及索力監控現場見圖1。

圖1　體外預應力束布置圖及索力監控現場

（2）主梁變形監控測點

主梁撓度監控的控制斷面布置為：第14跨主梁L/4和L/2斷面，第15跨主梁端部、L/4、L/2、3L/4，第16跨L/4和L/2斷面，共計9個斷面，并在加固跨兩端支座處均架設1個位移計監控支座壓縮量的變化，各個截面上擬布置三個控制測點，控制斷面具體位置示意見圖2，斷面測點位置及現場監控示意見圖3。

（3）主梁應力（應變）監控

圖2　主梁變形監控斷面布置示意圖（單位：m）

圖3　主梁變形監控斷面測點布置及現場監控示意圖

主梁應力（應變）監控的控制斷面布置為：主梁第14跨L/2處，第15跨兩端齒塊、L/4、L/2、3L/4，第16跨L/2處斷面，共計7個斷面。箱梁測試截面上布置8個測點，加固聯應力監控測點共布置56個。測試斷面及監控測點具體位置見圖4。

圖4　主梁應力（應變）監控斷面布置及測點布置示意圖（單位：m）

3　施工模擬與結果分析

3.1建立模型

為了確保結構的安全，使加固后各截面變形和內力狀態符合設計要求，采用M i das Ci vi l建立該橋段的有限元梁格模型。并根據該橋的實際施工順序，將每次預應力張拉均劃分為單獨的施工階段，共分為6個階段，依次為加固前，齒塊澆筑，對稱張拉第一組鋼束，對稱張拉第二組鋼束，對稱張拉第三組鋼束，完成加固后。最終建立的主橋模型見圖5。

圖5　有限元靜力分析模型

3.2模擬分析結果

對該橋左幅主線第5聯體外預應力加固箱梁的各個施工階段進行靜力分析，計算得到各施工階段理想的線形和內力值及各個施工階段的理論預拱度值見表1和圖6，控制斷面應力值見表2和圖7、圖8。

表1　各施工階段控制斷面理論預拱度　mm

圖6　加固施工后主梁線形變化（單位：mm）

圖7　加固施工后頂板應力增量（單位：MPa）

圖8　加固施工后底板應力增量（單位：MPa）

3.3對比分析

（1）體外預應力束索力

體外預應力束張拉完成后，預應力束實測頻譜見圖9。

圖9　體外預應力束實測頻譜圖（單位：Hz）

對比有限元分析結果和現場監控數據，結果表明方法1伸長量法實測索力與加固設計索力值偏差為0.17%～3.63%，方法2頻率法實測索力與加固設計索力值偏差為-3.29%～1.52%，兩種測試方法實測結果基本一致且與加固設計索力值偏差均在5%以內，表明左幅主線第5聯體外預應力束張拉索力值滿足設計要求。具體結果對比分析見表3和圖10。

表2　各施工階段控制斷面理論應力增量MPa

表3　體外預應力束測試結果對比分析　kN

圖10　體外預應力束張拉力對比分析圖（單位：kN）

（2）主梁變形

由表4和圖11可知，施工過程梁體的變化趨勢與理論計算相吻合，在第三組鋼束張拉完成后，加固跨箱梁跨中最大上拱值為1.0 m m，大于理論計算值0.802 m m，兩者偏差為0.192 m m；邊跨箱梁跨中變形最大下撓值為0.533 m m，小于理論設計值0.645 m m，兩者偏差為0.112 m m，主梁控制斷面變形監測結果基本滿足加固設計要求。

表4　張拉后箱梁變形監測結果　mm

圖11　張拉第三組鋼束后主梁變形對比分析圖（單位：mm）

（3）主梁應力（應變）

根據實測數據和分析數據對比可得，預應力張拉完成后箱梁頂板應力（應變）最大值略小于理論計算值，兩者偏差較小。表明箱梁底板和頂板混凝土應變與理論計算應變吻合較好，變化趨勢基本一致，且變化幅度較為接近。因此主梁控制斷面應力（應變）監測結果基本滿足加固設計要求。具體監測結果見表5和圖12、圖13。

（4）跨中截面應力增量

體外預應束加固主要是要改變加固跨箱梁的應力，提高主梁的抗裂能力及承載能力，加固后箱梁截面應力增加量及加固設計值對比分析見表6。

表5　箱梁底板和頂板應變監測結果　με

圖12　張拉鋼束后主梁頂板應變對比分析圖（單位：με）

圖13　張拉鋼束后主梁底板應變對比分析圖（單位：με）

表6　加固跨跨中截面應力增加量　MPa

由表6可知加固跨箱梁經體外預應力加固后，箱梁的截面應力狀態得到明顯改善，箱梁跨中截面頂板和底板的有效壓應力增量與加固設計值基本一致，最大值僅差0.15 M Pa，表明體外預應力加固效果基本達到設計要求。

4　結論

通過對體外預應力加固施工全過程的跟蹤監控，綜合分析各監測結果，得到如下結論：

（1）以施工規定的各項數值為設計參數，采用M IDAS/Ci vi l2012對結構進行施工過程模擬，分析結果表明結構內力和變位合理，且與設計單位理論計算結果一致。

（2）根據體外預應力束索力控制測量結果，伸長量法實測索力與加固設計索力值偏差為0.17% ～3.63%，頻率法實測索力與加固設計索力值偏差為-3.29%～1.52%。加固跨體外束索力誤差均在5%之內。監控結果表明加固跨體外預應力束張拉索力值滿足加固設計要求。

（3）根據主梁變形監測結果，箱梁的變形趨勢與理論計算相吻合，加固完成后加固跨主梁跨中上拱值分別為1.233 m m和1.0 m m，均大于理論計算值0.891 m m和0.802 m m，兩者的偏差量均在0.35 m m之內，基本滿足加固設計要求。

（4）根據主梁應力（應變）監測結果，加固后箱梁頂板和底板的應力（應變）最大值均小于等于理論計算值，且實測應變與理論計算應變吻合較好，變化趨勢基本一致，加固跨跨中截面應力增加量基本滿足加固設計要求，加固跨箱梁的應力狀態得到較好改善。

［1］康葉銘.體外預應力加固機理及應用［D］.江蘇南京:河海大學，2006.

［2］楊丹.體外預應力加固連續梁橋研究［D］.遼寧沈陽:沈陽建筑大學，2012.

［3］宋文鋒.連續剛構橋體外預應力加固技術應用研究［D］.重慶:重慶交通大學，2009.

［4］池春生.橋梁體外預應力加固技術［J］.吉林交通科技，2005（3）: 49-52.

［5］趙會強.大跨度預應力混凝土橋梁施工監測監控技術的探討［J］.工程建設與設計，2011（50:164-165，170.

［6］高延奎.大跨度預應力混凝土連續梁橋施工控制［D］.陜西西安:長安大學，2009.

［7］鄭燦.基于頻率法的索力測試方法及索的損傷研究［D］.浙江杭州:浙江大學，2008.

［8］曹洪.基于振動頻率法的體外預應力索力自動監測系統研究［D］.重慶:重慶交通大學，2013.

U445

B

1009-7716（2016）09-0181-05

2016-05-25

李建波（1982-），男，江蘇連云港人，工程師，從事橋梁檢測工作。