連續剛構橋上部結構施工質量動力評估研究

郝旅飛，邱尤寶，王江博

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，陜西 西安 710038）

0 引言

連續剛構橋是公路橋梁的一種主要橋型，具有整體性能強、跨越能力大、費用較低、施工簡單等優點[1]。大跨徑連續剛構橋普遍采用懸臂澆筑法施工，即將橋梁的上部結構分成若干塊段，靠已澆節段來支撐后期節段，逐步完成全橋的施工。而采用這種施工方法，由于施工現場復雜的環境變化，現澆混凝土無法像預制混凝土一樣保證相同良好的養護條件，同時混凝土澆筑振搗的不確定性也會影響混凝土的整體質量，從而導致混凝土可能無法達到預期強度。

對于施工中的橋梁，上述情況出現后，如果不及時發現并采取措施，這不僅對后續施工線形產生影響，削弱橋梁受力性能，還有可能對橋梁的使用壽命產生影響。因此有必要在施工過程中監測橋梁狀態變化并定量評判病害位置和程度，確定橋梁能否順利施工，確定是否需要在后續施工階段進行調整并提出相應的處理方法。

1 橋梁概況

新莊特大橋是國道G4216線華坪至麗江段控制性工程之一，位于云南省麗江市華坪縣新莊鄉。橋梁全長1 096 m，主橋上部結構為（108+3×200+108）m的五跨預應力混凝土變截面連續剛構梁，雙向四車道。連續箱梁設計為單箱單室斷面，主梁設計為C55混凝土。

主橋共8個懸澆T構，每個T構共24個梁段，從懸臂根部至跨中梁段分布分別為7×3.0 m、6×3.5 m、11×4.5 m。主墩采用變截面空心薄壁墩，最大墩高165 m。過渡墩采用等截面空心墩，基礎采用樁基礎。

引橋上部采用預應力混凝土連續T梁，最大墩高約71 m，橋墩采用圓柱墩、空心薄壁墩，基礎采用樁基礎，橋臺采用重力臺、擴大基礎。該橋位于直線、圓曲線及緩和曲線上，橋梁跨徑按道路設計線布置，橋梁墩臺徑向布設。新莊特大橋的橋梁布置如圖1所示。

圖1 新莊特大橋橋梁布置圖（單位：cm）

2 橋梁上部結構動力評估方法

橋梁的梁段施工過程中的主要病害為混凝土振搗不充分、混凝土養護不當以及預應力張拉控制誤差等，從而導致混凝土強度降低。當梁段混凝土強度發生變化時，只改變梁段的剛度而不會影響混凝土的質量，因此通常以降低梁段彈性模量E的方法來模擬損傷[2]。本文采用基于頻響函數模式置信準則的模型修正方法識別連續梁橋上部結構的剛度，從而對其施工質量進行評估[3]。

2.1 修正參數

假設E0j為橋梁第j個單元的初始設計彈性模量，Edj表示梁段剛度發生變化后的彈性模量，則第j個單元的損傷指數αj定義為

式中：I為梁截面的慣性矩；當損傷指數在（0，1）范圍內時，表示發生損傷，對應部位剛度有所下降，該指數越接近1，表明剛度下降得越大；當損傷指數小于0時，表示結構對應部位剛度增大，優于設計狀態。

2.2 目標函數

結構發生病害后，其模態參數必然發生變化，同時引起結構上不同測點之間頻響函數在特定頻段內相似性的變化[4]，根據此變化可以對結構進行狀態評估。例如，k點激勵時測點p處頻響函數（位移、速度或者加速度）向量Hpk和q點處頻響函數向量Hqk之間的SAC指數為

結構出現損傷時，不同位置測點受損傷影響程度不同，據此可以根據頻譜相關性殘差SAC構造的目標函數如下：

式中：f（X）為目標函數 FSAC；n 為迭代次數；ξ表示目標函數容許誤差限；ε為目標函數殘差容許限值；N為最大迭代步數。

在優化求解時要求能夠準確快速地得到與實際結構相符合的待修正參數，本文采用的優化算法為L-M法[5]。

2.3 優化算法

當修正參數和目標函數確定后，有限元模型修正的目標就轉化為通過反復迭代待修正參數最優解以使目標函數滿足如下收斂準則：

3 有限元模型建立

使用ANSYS建立新莊特大橋的有限元模型。定義順橋向為x軸，橫橋向為y軸，垂直方向為x軸。對于大部分新建高墩大跨連續剛構橋來說，基礎剛度一般較大，可按固結處理。墩身采用BEAM4單元進行建模，將墩身分為若干個單元，每個單元面積、慣性矩按照實橋設計取單元兩端平均值簡化分析。橋墩材料為C50混凝土，彈性模量為34.5 GPa。

梁段采用BEAM4單元建模，根據其施工節段劃分單元，同樣采用實際梁段兩端截面面積和慣性矩取平均值作為梁段單元的面積和慣性矩。梁的材料為C50混凝土，彈性模量為35.5 GPa。

連續剛構橋由于墩梁固結，因此不用設置支座，墩梁之間通過設置節點間自由度的耦合來模擬固結。

4 上部結構損傷識別數值模擬

4.1 損傷工況設置

該橋采用懸臂現澆法對稱施工，沿梁長方向在橋墩兩側梁上對稱布置8個傳感器，分別在梁段對稱施工到6#塊、12#塊、18#塊、24#塊時對新施工的梁段進行識別，每隔兩個梁段設置一個傳感器。具體布置方式如圖2所示。其中A、B、C、D為大里程方向傳感器的位置，以橋墩中心線為軸線，在小里程方向對稱位置a、b、c、d處布置余下4個傳感器。

圖2 施工至6#塊時傳感器布置圖

現今的混凝土設計施工都比較保守，實際施工也可能存在梁段剛度超過設計值的情況，因此需要考慮某梁段混凝土強度提升是否會對其他梁段的識別造成影響。數值模擬主要通過改變局部單元的彈性模量來模擬單元的損傷，設置了表1的工況，表中數據為2.1節所定義的損傷指數αj。

4.2 不同損傷程度時的識別結果

根據設定的損傷工況，用ANSYS和Matlab建立模型和編寫程序進行損傷識別，其上部結構梁段施工到6#塊時工況1～3識別結果如圖3所示。

從圖3中可以看出：

（1）在大里程一側設置不同程度損失可以得到較好的識別結果。

（2）在大、小里程兩側分別設置損傷與負損傷（即梁段施工質量優于設計，混凝土彈性模量上升）時，也能較好地識別出來。

表1 工況設置

圖3 工況識別結果

（3）在大、小里程兩側分別設置不同程度的損失也能準確地識別。

綜上所述，基于頻響函數置信準則構造指標，通過模型修正方法可以準確識別出梁段不同位置及不同程度的剛度變化量，從而對上部結構的施工質量進行評價。

4.3 不同懸臂狀態時的識別結果

本節對上部結構施工至不同梁段時的損傷工況進行識別，表1中工況3～6的識別結果如圖4所示。

從分析結果可以看出，基于頻率和頻響函數SAC對不同懸臂長度狀態下的梁段進行修正時，得到以下結論：

（1）當上部結構懸臂段較短時，各梁段的損傷均可以得到很好的識別。

（2）當懸臂段較長時，識別結果中會有部分“虛假損傷”出現，如工況8，這種“虛假損傷”的出現導致識別結果不夠準確。

（3）出現“虛假損傷”的原因主要是由于當剛構橋的懸臂段伸長時，上部結構逐漸變柔，基頻逐漸降低，而該橋橋墩較高、較柔，基頻也比較低。當對上部結構施加沖擊荷載時，橋墩也會發生振動，而當上部結構基頻與橋墩相近時，難以提取出上部結構單獨振動的頻率段，橋墩的振動會對上部結構產生影響，導致識別有誤差。

5 上部結構狀態評估現場試驗研究

對各個橋墩梁段施工情況、梁段施工特點進行充分考慮后，選取了9#橋墩上部結構進行動力測試。

現場試驗測試的9#墩目前施工到7#塊。分別在墩頂及大小里程的0#塊末、3#塊末、6#塊末布置加速度傳感器，通過信號線將傳感器及采集設備連接起來。具體布置方式如圖5所示，進行數據采集。現場布置如圖6所示。

試驗過程中在大里程4#塊末端進行多次跳梁，同時測試測點的響應，采樣頻率為512 Hz。以下對各測點響應時程數據進行分析。

在梁段多次豎向沖擊力作用下，測點B豎向加速度響應如圖7所示，圖8為單個沖擊力作用下豎向加速度響應時程圖。從圖8可以看出，跳梁的作用能夠激起橋梁的豎向振動，且橋梁自由衰減信號明顯。

圖4 識別結果圖

圖5 傳感器布置示意圖

圖6 現場布置圖

對該墩已施工梁段剛度進行定量評估，將采集到的數據按照第2節方法進行處理，定量評估結果如圖9所示。

圖7 多次沖擊力下響應時程圖

圖8 單個沖擊力下時程響應時程圖

圖9 梁段剛度識別結果圖

由圖9可以看出，各梁段損傷指數均為負值，即各梁段剛度均優于設計值，可以判斷已施工的梁段均已達到設計強度，甚至優于設計值，施工質量良好。

6 結 語

本文通過對新莊特大橋不同損傷工況進行數值模擬并對實橋施工質量進行測試評估，得出如下結論：

（1）基于頻響函數置信準則的模型修正方法可以準確識別出不同位置及不同程度的梁段損傷。

（2）當懸臂段較長時，識別結果中會有部分“虛假損傷”出現，因此對最后幾個梁段需要加強施工管理。

（3）通過現場實測試驗，可以判斷已施工梁段剛度都稍有提高，證明施工質量良好。