基于MIDAS/Civil 的大跨徑預應力混凝土連續剛構橋應力監測分析

■鄭成忠

（南平市建陽區嘉禾公路建設投資有限公司，南平 353000）

隨著我國交通運輸事業的不斷發展，大跨度連續梁橋成為公路、 鐵路上的一種重要橋梁結構形式。 其中，連續剛構橋因可跨越河流、峽谷復雜地質而廣泛應用。 而在大跨徑預應力混凝土連續剛構橋的施工過程進行截面應力監測能夠及時反饋懸澆施工階段任意工況下關鍵截面的應力狀態，對現場各施工階段進行指導，保證橋梁的順利合龍及施工質量[1-3]。 本文以某山區公路上的大跨度預應力混凝土連續剛構橋的主體結構施工過程為研究背景，建立MIDAS/Civil 模型， 監測橋梁施工過程中關鍵截面的應力變化情況，對比分析應力實測值與有限元模型理論計算值，得到大跨徑預應力混凝土連續剛構橋懸臂施工階段控制截面的應力變化規律，為相同類型工程的施工和設計提供參考依據。

1 工程背景

本文依托的橋梁工程實例是位于某山區公路的一座大跨徑預應力混凝土連續剛構橋，橋梁立面布置如圖1 所示。 橋梁主墩采用雙肢薄壁墩結構，橋梁上部結構為跨徑布置采用（86+156+86）m 的3 跨變截面現澆連續剛構箱梁。 箱梁截面形式為單箱單室直腹板，頂板寬12.4 m，底板寬6.6 m，梁體兩側翼板懸臂長度2.9 m，根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，箱梁底板高度曲線從距離主墩中心4.5 m至合龍段處采用2 次拋物線變化。 箱梁頂板通過箱梁直腹板高差設置2%單向橫坡。 箱梁0 號段長12 m，主梁在縱橋向劃分為1#～20# 共20 個對稱梁段。 橋梁各塊段采用掛籃對稱懸臂澆筑施工，懸臂施工階段的主要工況包括：①掛籃安裝；②綁扎鋼筋；③澆筑混凝土；④預應力鋼筋張拉；以上步驟循環一次則完成一個懸臂梁段的施工，重復以上工況直到合龍[4]。 在懸臂施工階段過程中，基于MIDAS/Civil的有限元模型分析結果，結合該橋的主要施工順序對該橋的控制截面實行應力監測分析，將模型中各工況截面應力理論值與各工況截面應力實測值進行對比分析，得到大跨徑預應力混凝土連續剛構橋懸臂施工過程中關鍵截面的應力變化規律。

圖1 立面布置圖

2 MIDAS/Civil 有限元仿真模擬

在橋梁在施工過程中對橋梁的受力狀況和位移變形進行有限元仿真模擬設計可以為施工立模標高、施工偏差分析及結構體系轉換后的結構應力狀態分析提供理論依據，以保證合龍精度及結構安全[1]。

橋梁結構的T 構是指懸臂澆筑連續梁或者連續剛構橋尚未合龍時的結構形態。 在每個梁段的懸臂澆筑施工過程中，荷載是隨著各工況的進行而逐步施加的。 隨著T 構懸臂向外延伸，鋼筋綁扎、混凝土澆筑、掛籃前移都將會使T 構產生顯著的內力變化及箱梁截面應力變化，而預應力鋼筋的張拉則會大幅度地改變箱梁截面的應力分布。 此外，混凝土的收縮、徐變和溫度變化等因素也將使得橋梁結構在施工過程中產生更加復雜的變形及應力變化規律。 MIDAS/Civil 是用于橋梁結構力學分析的專業軟件，能夠綜合考慮混凝土收縮、徐變、結構體系溫差、環境整體溫度等對橋梁結構的影響，精確地模擬橋梁結構的實際施工過程并反映結構行為，得到各施工工況下的位移和受力狀態。 因此，對于本文工程實例大跨徑預應力混凝土連續剛構橋應力監測及其變化規律的研究分析將結合MIDAS/Civil 的有限元分析結果展開。

2.1 MIDAS/Civil 有限元計算模型簡介

根據工程設計實例的橋型布置與結構構造特點， 基于有限單元法， 采用橋梁結構分析專業軟件MIDAS/Civil 將全橋離散并簡化為平面桿系結構， 對結構進行分析計算， 有限元計算模型如圖2所示。 在有限元模型中，橋梁各構件均采用梁單元模擬，全橋共145 個節點，劃分為128 個梁單元。 主墩分為24 個單元，上部箱梁結構分為104 個單元。其中每個主墩上部的箱梁0 號段考慮到橫隔板的影響劃分為6 個單元；懸臂部分的梁段按照設計的20 個塊段劃分為20 個單元； 跨中合龍段劃分為2 個單元；邊跨合龍段劃分為1 個單元，兩端的邊跨現澆段各劃分為4 個單元。 模型中充分考慮了施工及運營階段的橋梁各部分的結構剛度的模擬和各種荷載的作用過程。

圖2 MIDAS/Civil 全橋結構模型

2.2 邊界條件及計算參數

懸臂施工在合龍前后會發生結構體系轉換，但與連續梁橋不同的是，連續剛構橋因墩梁固結而不存在橋梁結構的邊界條件變化。 有限元模型的邊界條件設有外部邊界條件和內部約束條件：包括主墩樁底采用固接形式（不考慮樁土之間的相互作用）；主墩與主梁之間采用剛性連接；兩端的邊跨現澆段采用一般支承模擬。上部結構主梁梁體采用C50 混凝土，彈性模量為3.45 GPa，泊松比為0.2，混凝土比重γ＝25000 kN/m3。 箱梁頂板縱向預應力鋼筋采用標準強度級別1860 MPa， 張拉控制應力為1395 MPa， 公稱直徑為15.2 mm 高強度低松弛鋼絞線，彈性模量為195000 MPa，泊松比取0.3，鋼絞線松弛損失為張拉控制應力的3.5%，管道摩阻系數為0.17，偏差系數為0.0015，錨具回縮取6 mm。

2.3 有限元模型截面應力計算結果

將上述所建立的MIDAS/Civil 有限元模型結合施工階段的劃分進行計算分析，得到各施工階段主梁的內力及應力結果。 主梁及主墩控制截面在各工況下的應力理論計算結果如表1～3 所示。

表1 主梁控制截面頂板應力理論值（單位：MPa）

表2 主梁控制截面底板應力理論值（單位：MPa）

表3 主墩控制截面應力各測點理論值（單位：MPa）

3 應力監測及對比分析結果

3.1 應力監測截面及測點布置

隨著懸臂澆筑施工過程的進行，主墩內力和主梁根部產生的彎矩將不斷加大，因此要對主墩和主梁控制截面的應力狀態進行實時監測以確保關鍵受力部位的在相關規范規定的容許范圍內，以此作為主體結構施工過程的安全預警系統，保障主體結構的施工安全性。

主墩在偏心荷載作用下，墩底截面外側的應力最大，因此主墩應力監測截面應當布置在底部截面外側；上部結構在懸臂施工過程中，根部位置內力最大，因此主梁應力監測截面設置在根部。 此外，為監測合龍后全橋關鍵截面的應力狀態，還應分別在中跨合龍部位、邊跨L/3 跨位置等正彎矩最大值截面布置應力測點。 綜上，應力監測截面位置如圖3 所示，上部結構共布置7 個應力監測截面（1-1 至7-7截面），主墩共布置2 個應力監測截面，應力監測截面布置如圖3 所示[5]。 本工程采用振弦式埋入應變計配合傳感器讀數儀進行應力數據采集，考慮到混凝土澆搗過程中可能導致的測點損壞及測試偏差，為保證應力測點采集數值的正確性，上部結構分別在箱梁的頂板和底板布置3 個測點，每個主墩應力監測截面布置4 個應力測點。 應力監測截面的測點布置如圖4～5 所示。

圖3 應力監測截面布置圖

圖4 箱梁截面應力測點布置圖

圖5 主墩截面應力測點布置圖

3.2 應力監測結果分析

3.2.1 主梁應力理論值與實測值對比

由于本工程懸臂澆筑施工過程完全對稱，所以2 個T 構在懸臂施工過程中的內力狀態相似。 因此在分析懸臂施工過程中的主梁控制截面應力時，只將3-3 截面頂板和底板的應力實測值與理論值進行對比分析。 以每個梁段的掛籃安裝、鋼筋綁扎及混凝土澆筑初凝、預應力鋼筋張拉全部完成為1 個完整的應力采集周期，分別在以上每個工況完成時進行應力數據讀取。隨著各施工階段進行，3-3 截面的應力值變化趨勢如圖6 所示，其中主刻度和次刻度的位置分別對應著上述工況的完成，即從起始點起每3 個刻度線表示一個梁段施工工況的完整進行，取壓應力為正值。

圖6 主梁3-3 截面應力趨勢變化

由圖6 可以看出，各測點的實測值均與模型理論計算值接近，偏差較小。 該橋在懸臂施工過程中，主梁控制截面的頂板和底板均處于受壓狀態，即全截面受壓而不產生拉應力，符合全預應力混凝土構件的設計要求。 其中頂板的應力隨著各工況的循環進行呈明顯的往復上升趨勢， 應力的變化幅度較大。 造成截面應力往復上升的原因在于掛籃前移以及混凝土澆筑所造成的截面應力變化與預應力鋼筋張拉所造成的截面應力變化是相反的。 在10#梁段前的施工過程中，底板的壓應力值非常低，且變化幅度并不明顯，接近受壓與受拉的臨界值。 隨著10#梁段開始施工， 底板應力才呈明顯的往復上升趨勢。 由此可知在懸臂施工階段的前期，張拉控制應力對底板應力控制至關重要，在實際工程中應著重關注箱梁底板的應力變化情況，分析造成不利影響的原因，避免使其產生拉應力而無法達到設計要求。 最后，當懸臂澆筑施工進行至最大懸臂階段時，控制截面的出現的最大應力約為13 MPa，位于箱梁頂板附近。

3.2.2 主墩應力理論值與實測值對比

同理，由于2 個主墩的尺寸及構造基本相同，僅取1# 墩的應力監測截面A-A 進行應力實測值與理論值的對比分析， 應力值變化趨勢如圖7 所示，實測應力采集的工況及表示方法同上所述。 從應力變化趨勢圖可以看出，應力監測截面位于雙肢薄壁墩兩側各測點的應力變化趨勢在懸臂澆筑施工至10#梁段前較為一致，但是從10# 梁段開始，主墩應力變化趨勢開始往不同方向分化，說明此時主墩受偏心荷載的影響逐漸變大。 與主梁3-3 截面的應力情況不同的是， 主墩應力變化趨勢總體較為緩和，掛籃安裝和預應力鋼筋張拉對于主墩應力造成的影響較小， 混凝土的澆筑對主墩應力的影響較大。此外， 即使當懸臂澆筑施工進行至最大懸臂狀態時，所監測到的主墩截面應力最大值約為6.5 MPa，說明主墩總體處于較低的應力狀態，根據結構設計的基本原則，主墩處于低應力狀態能夠保障橋梁主體結構施工過程的安全性。

圖7 主墩A-A 截面應力趨勢變化

4 結論

以某山區一座大跨徑預應力混凝土連續剛構橋為工程背景， 結合MIDAS/Civil 有限元計算模型對懸臂澆筑施工過程進行截面應力監測分析，得到相關結論與經驗如下：（1）運用MIDAS/Civil 有限元模型計算的大跨徑預應力混凝土連續剛構橋控制截面應力理論值與應力實測值的變化趨勢一致且數值偏差較小，計算結果可以用作實際工程中應力監測的參照和對比分析；（2）大跨徑預應力混凝土剛構橋隨著每個梁段各工況的進行，主梁應力變化受施工工況影響較大，主墩應力變化受梁段施工工況影響較小；（3）主墩截面兩側應力變化趨勢不同，說明掛籃對稱懸臂施工過程主墩會受偏心荷載影響；（4）懸臂澆筑施工過程前期，主梁梁段各工況造成的底板應力變化不明顯， 且主梁底板壓應力較小，接近受壓與受拉的臨界值，對全預應力混凝土構件的設計施工不利，施工過程應當注意張拉控制應力的施加；（5）掛籃對稱懸臂澆筑施工至中跨L/4附近時，大跨徑預應力混凝土連續剛構橋應力變化趨勢開始發生顯著改變。