基于實(shí)測(cè)撓度的PC梁橋預(yù)應(yīng)力損失分析

摘要 PC梁橋在長(zhǎng)期服役狀態(tài)下，跨中部位極易產(chǎn)生下?lián)线^(guò)大問(wèn)題，其根本原因在于結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失持續(xù)增加且超出設(shè)計(jì)值，引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫和橋梁變形等質(zhì)量病害，嚴(yán)重威脅使用安全。影響橋梁預(yù)應(yīng)力損失的因素較多，主要包括施工工藝、環(huán)境因素、混凝土性能及預(yù)應(yīng)力筋松弛等。文章結(jié)合某現(xiàn)役橋梁運(yùn)營(yíng)狀況，對(duì)PC梁橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失狀況展開(kāi)綜合探究，提出了基于實(shí)測(cè)撓度的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法，并根據(jù)該橋梁數(shù)年撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果，證實(shí)所用研究方法的合理性，為后續(xù)類(lèi)似工程設(shè)計(jì)及施工提供幫助。

關(guān)鍵詞 公路橋梁項(xiàng)目；預(yù)應(yīng)力損失；PC梁橋撓度

中圖分類(lèi)號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）05-0075-03

0 引言

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋或剛構(gòu)橋（簡(jiǎn)稱(chēng)PC梁橋），經(jīng)長(zhǎng)期服役，極易出現(xiàn)下?lián)线^(guò)大、局部開(kāi)裂等質(zhì)量問(wèn)題，降低結(jié)構(gòu)安全性能，縮短使用壽命。導(dǎo)致PC梁橋出現(xiàn)下?lián)虾土芽p的因素較多，如設(shè)計(jì)缺陷、施工質(zhì)量管控不嚴(yán)、后期維護(hù)不到位等，但主要原因在于混凝土應(yīng)力變化，如橋梁結(jié)構(gòu)跨中位置底板內(nèi)部壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，而混凝土內(nèi)部應(yīng)力變化通常由預(yù)應(yīng)力損失所致。因此，業(yè)界人士普遍認(rèn)為，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)跨中下?lián)线^(guò)大和開(kāi)裂的根本原因是混凝土收縮徐變及長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失。現(xiàn)階段，針對(duì)PC梁橋預(yù)應(yīng)力損失檢測(cè)難度較大，而橋梁跨中結(jié)構(gòu)下?lián)献兓穷A(yù)應(yīng)力損失的真實(shí)反映，其測(cè)量方式較為簡(jiǎn)單，通過(guò)分析撓度與預(yù)應(yīng)力損失之間的關(guān)系，能為PC梁橋設(shè)計(jì)及施工提供幫助。

1 基于實(shí)測(cè)撓度的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法

通過(guò)采用現(xiàn)行橋梁工程設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)PC梁橋撓度值實(shí)施計(jì)算，得出撓度一定收斂，而實(shí)測(cè)顯示，大跨度PC梁橋長(zhǎng)期撓度不收斂。研究表明，預(yù)應(yīng)力主要作用在于平衡結(jié)構(gòu)荷載，其配筋率相對(duì)較低，通常處于2%范圍內(nèi)，且所受應(yīng)力較為集中；與混凝土收縮徐變相比，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力下降對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)下?lián)嫌绊懗潭雀蟆？梢钥闯觯炷亮簶蛟诳缰刑幋嬖谳^大的下?lián)隙龋渲饕蛩厥怯捎谳^大和長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力損耗[1]。

對(duì)于大跨度PC梁橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中撓度變化的預(yù)測(cè)，通常利用有限元分析模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)撓度結(jié)果，在對(duì)混凝土收縮徐變進(jìn)行控制的條件下，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)撓度變化實(shí)施預(yù)測(cè)和分析。研究發(fā)現(xiàn)，PC橋梁所有部位，預(yù)應(yīng)力筋張拉后所受到的應(yīng)力作用基本相同，因此可假定預(yù)應(yīng)力損失變化趨勢(shì)大致相同。依據(jù)CEB-FIP標(biāo)準(zhǔn)中給出的預(yù)應(yīng)力損失變化趨勢(shì)公式，按照實(shí)際測(cè)得的撓度結(jié)果，并對(duì)剛度實(shí)施修正，通過(guò)計(jì)算能夠得出滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)撓度變化規(guī)律的預(yù)應(yīng)力損失值。按照實(shí)際測(cè)得的撓度值算出結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失，必須先處理好如下問(wèn)題：一是計(jì)算了各構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損耗和各構(gòu)件的受力情況，得到了構(gòu)件的真實(shí)剛度；二是分析了工程實(shí)踐階段，預(yù)應(yīng)力損耗與結(jié)構(gòu)的整體變形的相關(guān)性，得到了對(duì)應(yīng)于變形監(jiān)測(cè)的瞬間預(yù)應(yīng)力損耗[2]。該文提出了基于實(shí)測(cè)撓度的長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別流程，如圖1所示。

2 實(shí)橋驗(yàn)證

該文結(jié)合某連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營(yíng)狀況，根據(jù)此橋梁連續(xù)數(shù)年撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果推測(cè)預(yù)應(yīng)力損失變化規(guī)律，通過(guò)與實(shí)測(cè)值比較，證實(shí)上述方法的合理性。

2.1 工程概況

某橋梁工程為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合為（150+270+150）m，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。中墩位置箱梁高14.8 m，腹板厚0.6 m，中跨跨中部位箱梁高5 m，腹板厚0.4 m，具體截面尺寸如圖3所示。大橋于1997年6月投入運(yùn)營(yíng)，長(zhǎng)期撓度監(jiān)測(cè)顯示，其中跨跨中位置撓度逐年增大，且遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，具體情況如圖4所示。

2.2 大橋預(yù)應(yīng)力發(fā)展規(guī)律識(shí)別

通過(guò)Midas Civil系統(tǒng)構(gòu)建三維有限元分析模型，對(duì)該橋梁撓度變化情況實(shí)施模擬分析，其有限元模型如圖5所示。該橋梁共分為35個(gè)施工段，歷時(shí)417 d。現(xiàn)對(duì)大橋運(yùn)營(yíng)8年內(nèi)撓度變化情況進(jìn)行模擬分析[3]。其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算如下：

（1）第一步：確定運(yùn)營(yíng)8年內(nèi)各種預(yù)應(yīng)力損失率Pi下的撓度曲線(xiàn)。假定該橋由交付使用至運(yùn)營(yíng)8年過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失依次達(dá)到5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%，修正剛度后，經(jīng)模擬計(jì)算得到各種預(yù)應(yīng)力損失下的撓度變化曲線(xiàn)，如圖6所示。

（2）第二步：確定預(yù)應(yīng)力損失變化曲線(xiàn)f（t）[4]。對(duì)該橋梁左半幅運(yùn)營(yíng)8年期間12組撓度監(jiān)測(cè)值實(shí)施綜合分析，由于溫度因素影響，實(shí)測(cè)撓度值稍有偏差，并利用線(xiàn)性函數(shù)對(duì)12組數(shù)據(jù)實(shí)施修正，如圖7所示，按照撓度測(cè)點(diǎn)時(shí)間，將其依次對(duì)應(yīng)到圖6，所得結(jié)果如圖8所示。

結(jié)合各測(cè)點(diǎn)及其相鄰撓度曲線(xiàn)位移差，通過(guò)具體計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間的預(yù)應(yīng)力損失率[5]，具體結(jié)果如表1所示。

通過(guò)模擬計(jì)算，分別對(duì)12組撓度值對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力損失率實(shí)施擬合[6]，所得結(jié)果如圖9所示。

（3）第三步：將擬合曲線(xiàn)數(shù)據(jù)分別代入初始計(jì)算參數(shù)設(shè)置，經(jīng)模擬計(jì)算獲得預(yù)應(yīng)力曲線(xiàn)f（t）條件下的撓度變化曲線(xiàn)，通過(guò)與實(shí)際曲線(xiàn)比較，對(duì)擬合曲線(xiàn)準(zhǔn)確性實(shí)施評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖10所示[7]。通過(guò)圖10能夠看出，通過(guò)擬合獲得的預(yù)應(yīng)力損失變化曲線(xiàn)f（t）經(jīng)實(shí)際運(yùn)算得出撓度值，能充分反映橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際撓度變化情況[8]。

3 結(jié)論

綜上所述，PC梁橋在長(zhǎng)期服役狀態(tài)下，其跨中部位會(huì)出現(xiàn)下?lián)线^(guò)大問(wèn)題，主要是由于結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失逐步增加且超出設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。該文結(jié)合某橋梁工程運(yùn)營(yíng)實(shí)例，對(duì)PC梁橋預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行探究，通過(guò)建立有限元分析模型，系統(tǒng)性分析了橋梁撓度變化情況，得出如下結(jié)論：

（1）提出了基于實(shí)測(cè)撓度的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法，確定了具體流程，并全面考慮剛度折減。

（2）建立了剛度修正后的時(shí)間－預(yù)應(yīng)力損失率－實(shí)測(cè)撓度的關(guān)系，科學(xué)合理，方便應(yīng)用。

（3）根據(jù)某橋梁工程交付使用至運(yùn)營(yíng)8年期間的撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果，推測(cè)預(yù)應(yīng)力損失變化規(guī)律，證實(shí)所用研究方式的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]施秀山， 楊海洋， 楊文彬. 基于預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主梁撓度的影響分析[J]. 中國(guó)水運(yùn)， 2022（5）： 129-131.

[2]卓為頂， 厲勇輝， 劉釗. 基于實(shí)測(cè)撓度的PC梁橋長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師， 2022（1）： 173-179.

[3]王燦， 劉青， 黨智. 基于撓度的連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力損失分析[J]. 中國(guó)水運(yùn)， 2021（12）： 154-156.

[4]唐人杰. 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋長(zhǎng)期變形影響研究[D]. 湘潭：湘潭大學(xué)， 2021.

[5]余春霖. 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨中撓度控制技術(shù)研究[D]. 南寧：廣西大學(xué)， 2020.

[6]龔穎男. 基于撓度及有效預(yù)應(yīng)力分析的高墩大跨度橋梁施工測(cè)量技術(shù)研究[J]. 城市勘測(cè)， 2020（3）： 170-172.

[7]張帥. 鋼桁腹預(yù)應(yīng)力混凝土組合連續(xù)梁橋基本力學(xué)性能研究[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學(xué)， 2020.

[8]王燦， 劉青， 黨智. 基于撓度的連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力損失分析[J]. 中國(guó)水運(yùn)， 2021（12）： 154-156.