某連續梁橋預應力損失識別方法探討

楊 曙

（貴州橋梁建設集團有限責任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

大跨預應力連續梁橋的應用非常廣泛，其優勢主要表現為剛度大、行車穩定性高、抗震性能等，尤其是在跨度為50~200 m內，其競爭優勢更加明顯。大跨度預應力連續梁橋的預應力體系結構分為橫向、縱向、豎向，但隨著其使用年限不斷增加，各種問題也日益顯現出來。有些在役橋梁相繼出現了各種程度的病害，主要有跨中下撓、腹板、底板開裂等，這就需要準確地識別預應力損失[1-3]。該文具體研究了某公路大橋，通過分析監測該橋所得的各項數據，對鋼束在其使用過程中的預應力變化規律進行了全面分析。通過運用撓度影響矩陣，對主梁變形程度實施測量，提出具體方法用于反演鋼束預應力損失。監測主梁成橋一年內的撓度值，對預應力損失進行反演，對比所得結果與實測的預應力損失值，以驗證方法的可行性。

1 工程概況

某公路大橋長度為1 434 m，屬于單聯15跨非對稱預應力混凝土連續梁橋，其主梁截面為單箱雙室，橋型布置見圖1。上部結構的設計采用了全預應力混凝土結構，其預應力體系分為縱、橫、豎三向。主梁共有左、右兩幅，單幅橋的寬度為16.9m。

圖1 橋型布置

2 建立有限元分析模型

構建有限元模型，運用了Midas/Civil，該公路大橋的預應力鋼束共有421根，各節段離散為梁n。構建模型時，樁基并不屬于其考慮的影響因素，主橋結構共包含336個單元。主橋成橋有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

3 監測系統及實測應力分析

3.1 監測系統

該大橋監測系統分為硬件和軟件兩塊，硬件部分主要包含：傳感器系統、數據采集系統、數據采集與傳輸系統，以及數據收集和存儲系統。軟件部分主要有長期監測服務端系統、遠程計算機上基于數據深度處理的結構狀態識別系統等。

大橋長期監測系統當中，對鋼束有效拉力進行準確測量，會采用JMZX-3110HAT型錨索計這一儀器。該儀器是在156 m跨合龍束3TH1的錨固端設置，系統會每四小時采集一次數據，能自動讀取并保存。鋼束有效張拉力即為錨索測力計的測量數據。通過檢測了解到，鋼束3TH1的截面共計為1 260 mm2。實際應用中，會將效拉力與鋼束截面總面積相除，獲得有效應力，主要目的是便于開展研究。

3.2 實測應力分析

運用由長期監測系統測得的數據值，針對大橋運營期間預應力鋼束應力的變化，開展規律性研究，測得應力變化分為短期和長期的[4-5]。

（1）大橋建成于2019年11月，選取一年內溫度值變動較小的一周內的測量值。經統計所測數據，可知相對于大橋建成后半年鋼束的單日應力變動，成橋初期的要大得多，成橋初期的為0.8 MPa，而半年后最大可增至4 MPa。

（2）在溫度最低的1月份和溫度最高的8月份，選出一周測量出的單日數據，通過對所得數據進行統計，可知其溫度較低，一周內單日內鋼束應力變化值不超過0.8 MPa。而當溫度升高時，其鋼束應力變化值最大會增至1.6 MPa。實測應力分析中介紹的溫度，等于箱梁內部鋼束周邊溫度[6]。

4 預應力損失識別

4.1 預應力損失識別過程

首先，根據預應力鋼束的方位及特點，對其實行分組；其次，將各組的預應力鋼束的預應力損失當做影響因素之一，采用有限元分析方法，計算出撓度影響矩陣；最后，依照不同撓度的變化量，并通過運用撓度影響矩陣，對預應力損失的影響程度作出判斷，獲得實際的預應力損失程度[7]。

通過長期監測撓度，識別預應力損失的過程包括：①構建撓度影響矩陣，確保具有較高準確度。由單位預應力損失量導致產生的橋梁監測位置的撓度變量，是矩陣的具體構成要素，通過有限元軟件可算出該值。②通過運用撓度影響矩陣設計方程式，明確預應力損失與監測位置實測的撓度變化值的關系。③運用多元函數求極值法，可對各種鋼束組的預應力損失進行準確識別。主要識別過程見圖3。

圖3 長期撓度反演預應力損失識別流程

4.2 長期撓度監測數據

在該公路大橋長期監測系統中，撓度測量主要使用的是TZT-3500A型液壓式靜力水準儀。從左幅橋跨上選取16個關鍵位置，布置見圖4。

圖4 大橋左幅撓度監測位置分布

將2019年11月17日至20日凌晨4:00測出的撓度值當做基準，通過溫度傳感器測量出的溫度大約為21 ℃。選取2020年11月17日至20日凌晨4:00測出的撓度值當做評估比較值，通過溫度傳感器測量出的溫度大約為19 ℃，相比較于去年同期，溫度值沒有明顯變化。所選2次撓度數據及其差值見表1。

表1 監測截面處所測撓度數據成果表

4.3 預應力損失的識別

對主梁撓度實施現場監測時，在選定監測時段時，將溫度因素影響及由車輛荷載產生的撓度變化不考慮在內，盡管凌晨三四點時很少有汽車通過大橋，但這種可能性并不能排除，還有測量活動會出現誤差，這就導致監測值偏離實際撓度值[8-9]。

該文對測量偏差實施模擬，使用的高斯隨機過程中均值為0、方差為1，將其分別與3%、5%相乘。各鋼束組預設應力損失：頂板鋼束組1%（13.95 MPa），腹板鋼束組2%（27.90 MPa）、底板鋼束組3%（41.85 MPa）。測量撓度會產生一定誤差，將其考慮在內，識別結果見表2。

表2 各鋼束組損失識別結論

依照主梁實測撓度變化值反演出的156 m跨3TH1鋼束預應力損失結果見表3。

表3 鋼束預應力損失反演結論

由表3可知，運用主梁實測撓度變化值對1年內的合龍束進行反演，計算出的應力損失值為22.59 MPa，實測損失值為23.41 MPa，兩者大體相近，由此可證明該方法具有較高的可行性。

5 結論

綜上所述，該連續梁橋基于撓度影響矩陣，提出了利用主梁實測撓度值，反演鋼束預應力損失的方法[10]。采用該文所述預應力損失方法進行具體識別，并將識別結論與實測預應力損失值進行對比分析，可得出以下結論：

（1）分析短期內實測應力的變化可知，當溫度上升時，鋼束應力下降，反之則增加。

（2）大橋建成運營一年來，受到溫度及車輛荷載的聯合影響，應力值會有較小幅度的波動，整體來講屬于下降趨勢，由此可知鋼束出現了部分損失。

（3）將一年內每月的實測應力損失值和有限元計算值作比較，受溫度的影響，前者在后者周邊波動。監測的鋼束1年應力損失的實測值為23.41 MPa。

（4）運用主梁成橋一年期間實測的撓度值，對預應力損失進行反演，將其對比實測的預應力損失值，可證明所提方法具有較高可行性，有助于準確識別該類橋梁的預應力損失。