預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)力監(jiān)測分析

廖永恒

（岳陽路橋三公司，湖南 岳陽414000）

1 引言

大型橋梁結(jié)構(gòu)在它的施工過程中，由于受到施工臨時荷載、預(yù)加力、混凝土收縮、徐變和溫度作用等諸多因素的影響，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)和變形以及分布很難通過設(shè)計計算事先做出準確估計，總會有可能發(fā)生一些人們事先預(yù)計不到的情況，這樣只能通過實際測試才能了解清楚。工程實踐和現(xiàn)場試驗表明[1-4]，對于要采用懸臂法施工的橋梁，施工進程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)的變化可能會相當(dāng)大，因此應(yīng)力監(jiān)測也就顯的尤為重要，它是施工過程中的安全預(yù)報系統(tǒng)，是對橋梁的實際受力狀態(tài)進行評判和確保施工安全順利的主要依據(jù)。結(jié)構(gòu)的某定點的應(yīng)力也和其幾何位置一樣，隨著施工的推進，受到諸多因素的影響，其值是不斷的變化的，在某一時刻的應(yīng)力值是否與分析預(yù)測的值一致，是否處于安全是施工控制關(guān)心的問題，解決這一問題的辦法就是進行監(jiān)測，在結(jié)構(gòu)的控制截面布置應(yīng)力觀測點，以觀測在施工過程中這些截面的應(yīng)力變化及其應(yīng)力分布情況，預(yù)告當(dāng)前已安裝構(gòu)件即將安裝的構(gòu)件是否出現(xiàn)不滿足強度要求的狀態(tài)，一旦應(yīng)力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常情況，就應(yīng)立即停止施工，查找原因并及時調(diào)整變量。

2 工程背景

采用懸臂澆注施工法的某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是一座大型公路橋梁。主橋是跨徑布置為50+2×90+50m，由左、右兩個半幅組成，左、右兩個半幅的翼緣板是通過現(xiàn)澆濕接縫連接起來的，半幅主梁是單箱單室，為三向預(yù)應(yīng)力箱梁，采用掛籃懸臂施工。三個主墩（37號，38號，39號）均采用整體基礎(chǔ)，有利于抵抗船舶的撞擊力。樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑2.0m，按雙排菱形布置，承臺厚3.0m，左右半幅橋的雙肢薄壁墩墩身分離布置，且在上、下游端均設(shè)置了防撞設(shè)施。

大橋設(shè)計的標準為：一級公路，設(shè)計行車速度60km/h；設(shè)計荷載：汽車超20級，掛車-120，人群荷載3.5kN/m2；橋面總寬為22.5m，橫斷面由雙幅單箱單室連接而成；橋面設(shè)2.0%雙向橫坡，橋面設(shè)2.38%的雙向縱坡，變坡點設(shè)在主橋的38號墩的中心處。

3 監(jiān)測控制截面及其測點布置

本工程選用振弦式應(yīng)變計，觀測值較為穩(wěn)定，并且耐久性較好，適合應(yīng)力場的長期觀測。振弦式應(yīng)變計的工作原理：鋼弦在受力時或拉伸或壓縮，由此引起其自振頻率的變化；在觀測時給鋼弦施加一電流激振，觀測其振動頻率，以此反算其受力情況。在典型控制截面處埋設(shè)了應(yīng)變計。對每一施工梁段的每一工況：移掛籃、澆注混凝土、預(yù)應(yīng)力張拉，我們都進行了全部應(yīng)變計的觀測。把觀測值與理論值比較，反饋調(diào)整混凝土的收縮徐變系數(shù)；掌握主梁的內(nèi)部應(yīng)力情況，確保施工期的安全。測點布置在關(guān)心截面：梁頂截面、1號截面、6號截面、跨中截面的上下緣，應(yīng)變觀測點布置如圖1所示。

4 應(yīng)力測試的誤差分析

橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀況與理論狀況總存在一點的誤差，究其原因，主要由設(shè)計參數(shù)，施工誤差，測量誤差，結(jié)構(gòu)分析模型誤差等綜合因素所致。混凝土的應(yīng)變可分為受力應(yīng)變和非受力應(yīng)變兩種，在實測的應(yīng)變中它們是混雜在一起的，而施工控制中應(yīng)力測試應(yīng)該通過理論分析，誤差分析等手段，使應(yīng)力測試結(jié)果盡可能地接近實際，從而較準確的掌握結(jié)構(gòu)的真實應(yīng)力狀態(tài)，橋梁施工監(jiān)控過程中，影響應(yīng)力測試的因素有以下幾個方面：

4.1 應(yīng)變計的安裝誤差

橋梁施工過程中，為了保正振弦應(yīng)變計安裝的牢固可靠，穩(wěn)定耐久，我們一般用扎絲將其牢牢捆扎在梁上、下緣縱向鋼筋上，這樣應(yīng)變計距梁體上下緣表面就會有一定距離，因而使得測試應(yīng)力與梁體表面的計算應(yīng)力有些差異，同時振弦應(yīng)變計的軸線與結(jié)構(gòu)的軸線也不可能完全一致，其不可避免地存在上下左右方向的偏差，伴隨這混凝土的澆筑和振搗，振弦應(yīng)變計受到不同方向非平衡力的擠壓，有時會略偏離軸線，上述因素的存在形成了以部分測試誤差，使得測試值與理論計算值存在偏差，對于應(yīng)變計上下位置引起的差異，可以通過修正截面上下緣的實測應(yīng)力來考慮：而應(yīng)變計方位帶來的偏差是隨機的，一般不便修正，不過其值相對較小，可不予考慮。

4.2 振弦應(yīng)變計的調(diào)零誤差

振弦應(yīng)變計埋設(shè)好后穩(wěn)定較好，在同一溫度下，同一工況下的鋼弦頻率測試數(shù)據(jù)有很好的重復(fù)性，由于振弦應(yīng)變計是在混凝土中埋設(shè)的，混凝土初凝時產(chǎn)生的初應(yīng)力作用于應(yīng)變計，應(yīng)該及時給予排除。而出初應(yīng)力與初讀數(shù)（調(diào)零）時間有關(guān)，初讀過早，混凝土凝結(jié)時的初應(yīng)力不能完全消除，初讀書過晚，外加荷載又施加在結(jié)構(gòu)上，一般初讀在混凝土凝結(jié)，預(yù)應(yīng)力鋼鉸線張拉前進行比較合適。

4.3 混凝土的彈性模量誤差

按照有關(guān)橋梁規(guī)定，混凝土的彈性模量一般取定值，但實際上混凝土彈性模量是時間的函數(shù)，加載齡期的不同，使得混凝土產(chǎn)生的塑性形變有很大的差異，而且混凝土的初次加載與卸載時其初始切線彈性模量EC，割線模量E'C，及其卸載模量E"C，具有明顯的差異，經(jīng)過多次加載，卸載以后，才逐步一致。因此，在整個結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面應(yīng)力測試中，混凝土彈性模量都是變化的，計算時應(yīng)該取混凝土相應(yīng)齡期的彈性模量。

4.4 混泥土應(yīng)變滯后的誤差

應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)表明，受力混凝土應(yīng)變具有一定的滯后性，特別是預(yù)應(yīng)力張拉后，由于種種因素的影響，應(yīng)變在沿梁體各截面的傳播速度隨施工階段的不同而有很大的差異。當(dāng)預(yù)應(yīng)力束較短，管道較暢通時，應(yīng)變的滯后性不太明顯，此時應(yīng)立即對張拉后的混凝土結(jié)構(gòu)進行應(yīng)變測量，其應(yīng)變滯后性造成的誤差較小；當(dāng)預(yù)應(yīng)力束較長時，各截面應(yīng)變的滯后性與張拉端的位置有關(guān)，靠近張拉端的截面與短束的情況比較接近，遠離張拉端的截面，應(yīng)變滯后現(xiàn)象嚴重。如果應(yīng)變測試偏早，將會導(dǎo)致部分應(yīng)力丟失（不含預(yù)應(yīng)力損失），使測試應(yīng)力值偏小，若應(yīng)變測試偏晚，這時應(yīng)力測試又會受到后續(xù)工況的影響。因此，應(yīng)力測試應(yīng)盡量選擇適當(dāng)時間進行。

4.5 溫度影響誤差

溫度變化時，如果混凝土無約束自由伸展，埋入其中的振弦應(yīng)變計將會隨同變形，振弦應(yīng)變計中的鋼弦絲的應(yīng)變和自振頻率也將發(fā)生改變，這樣就會導(dǎo)致應(yīng)力測試的誤差。

4.6 混凝土的徐變與收縮誤差[5]

施工應(yīng)力測試影響相當(dāng)復(fù)雜，除荷載作用引起的彈性應(yīng)變外，還有與收縮徐變因素有關(guān)的應(yīng)變。混凝土無荷載條件下的收縮變形是由于所含水分蒸發(fā)及其它物理化學(xué)原因產(chǎn)生的干燥收縮和體積收縮。主要與混凝土品質(zhì)和構(gòu)件所處的環(huán)境有關(guān)。混凝土持續(xù)荷載條件下的環(huán)境等有關(guān)。在實際工程應(yīng)變測量中，其包含了收縮和徐變的應(yīng)變，應(yīng)給予扣除。

5 應(yīng)力理論分析值與實測值對比

圖2～圖7為左、右兩幅橋各控制截面在各施工工況下應(yīng)力實測值（扣除非受力因素影響）與計算分析理論值的對比圖。

圖2 37＃橋墩頂上緣各施工工況下應(yīng)力實測值與理論值對比圖

圖3 37＃橋墩頂下緣各施工工況下應(yīng)力實測值與理論值對比圖

從圖2-圖7可以得出以下結(jié)論：

1)懸臂各梁段施工階段，主梁懸臂測試截面混凝土實測應(yīng)力變化規(guī)律總體與理論計算結(jié)果是一致的，而且實測值與理論值較吻合，可以判斷計算分析結(jié)果和實測數(shù)據(jù)之間存在的偏差是混凝土收縮徐變，橋面施工機械自重及結(jié)構(gòu)溫度變化等各種復(fù)雜因素而導(dǎo)致總的來說，雖然實測應(yīng)力值與計算應(yīng)力值相比存在誤差，但變化趨勢一致。

2)應(yīng)力實測值與理論值的誤差較小，說明了采用的計算程序的正確性及其本橋計算模型是符合實際的，計算結(jié)果是可靠的

3)懸臂施工階段，主梁懸臂測試截面混凝土實測最大壓應(yīng)力為21.00 MPa，未超過規(guī)范[6]允許值，本橋在懸臂施工過程中是安全的。

圖4 37＃墩7號截面處上緣各施工工況下應(yīng)力實測值與理論值對比圖

圖5 37＃墩7號截面下緣各施工工況下應(yīng)力實測值與理論值對比圖

圖6 37＃墩1號截面上緣各施工工況下應(yīng)力實測值與理論值對比圖

圖7 37＃墩1號截面下緣各施工工況下應(yīng)力實測值與理論值對比圖

6 小結(jié)

應(yīng)力監(jiān)測是大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋施工控制的一種有效方法，它可以彌補計算過程中選取參數(shù)的不合理或某些因素?zé)o法考慮的不足，使橋梁施工更加安全.本文分析了振弦應(yīng)力測試的誤差主要來源，提出了減少誤差的方法；分析了控制截面應(yīng)力實測值與計算值存在誤差的主要原因。可供同類的橋型的應(yīng)力監(jiān)測提供有價值的參考。

[1]向中富．橋梁施工控制技術(shù)[M]．北京：人民交通出版社，2001．

[2]毛昌時，杜國華，范立礎(chǔ)．混凝土斜拉橋徐變倒退分析[J]．中國公路學(xué)報，1995，8(增1)：42-46．

[3]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M]．北京：人民交通出版社，2000

[4]葛耀君．分段施工橋梁分析與控制[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[5]曾德榮，張增亞.橋梁施工監(jiān)測應(yīng)力真值分析方法[J]重慶交通學(xué)院學(xué)報，2005，(6)

[6]JTJ023-85.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S]