大跨度預應力混凝土箱梁橋的撓度預測研究

劉勝華

(浙江交工宏途交通建設有限公司 杭州市 310051)

隨著我國經濟建設快速發展，橋梁建設正邁入一個新的發展時期，其中大跨度橋梁以受力合理、行車平順以及結構較好等特有的優點，得到較快發展，比如南京長江大橋、蘇通大橋等具有世界級水平的大橋。自從上個世紀六十年代以來，由于混凝土技術得到快速發展，橋梁施工技術隨之也得到較快發展，所以大跨度預應力混凝土箱梁橋得到廣泛地應用，據相關資料顯示，截止目前，在已經建成的大跨度預應力混凝土箱梁橋中，大部分橋梁由于各種原因，比如設計、施工以及技術等，導致橋梁事故不斷發生[1]。所以應該加強對橋梁使用狀況進行檢測，而橋梁撓度變形是對橋梁健康狀況進行檢測的一個非常重要的指標之一。實時監測與預測是對橋梁撓度變形趨勢進行檢測的重要措施[2]。楊斌,陳闖[3]等認為混凝土超重和橋面鋪裝施工誤差導致的自重增加均可引起橋梁跨中長期撓度增加，徐變系數、環境相對濕度的變化、預應力損失等因素對橋梁跨中長期下撓影響顯著；梁體剛度降低跨中長期撓度增加較多，且早期剛度的降低對橋梁跨中撓度增加影響較大。通過檢測結果，以便于能夠及時發現橋梁出現異常情況，采取相應的應對措施，從而預防橋梁事故的發生，同時還能為橋梁管理部門提供決策依據。

1 工程實例

某跨江特大橋是屬于大跨徑預應力混凝土連梁橋，其主橋為90m+3×165m+90m，5跨變截面連續箱梁橋，主要處于半徑為160m的豎曲線上，橋面寬度為32m，此箱梁主要由兩個單箱單室箱形截面構成。箱梁根部梁高度、頂板、底板分別為8.8m、15.4m、7.5m，其跨中梁高度為3m，翼緣板懸臂長度為4m，箱梁高從距墩中心3m位置到跨中依照2次拋物線變化。此橋已經完工正常通車近10年，此橋相關管理部門為了掌握此橋撓度變形情況，對此變形進行了監測與預測。

2 撓度變形監測措施與精準度

2.1 監測基準網的設置

監測基準網屬于橋梁撓度變形監測參考系統，其主要構成部分分別是基點與工作基點。監測網布設成符合水準路線，在橋梁的兩端均設置了，能夠依據橋墩結構穩定的情況與當地地質條件進行觀測周期確定的基準網，該基準網運用了國家二等標準技術要求進行施測。每次監測時都應該對控制點有沒有受人為破壞與沉降影響進行相關方面檢查，從而使得撓度變形監測結論的準確性與真實性得到保障[4]。

2.2 檢測點設置

此橋梁撓度變形監測點沿著全橋布設，每隔40m鋪設一點，上下游分別設置點，在橋梁結構的主要控制部分設置，比如各跨跨中、1/4與1/2斷面之處。點位在取得許可的狀況下盡可能與箱梁中間靠近，監測點運用鋼釘做的永久測量標志，而且在四周做好了標記，全橋上下游分別設置了58個監測點，其詳見圖1。

圖1 某跨江特大橋橋面撓度監測點位置示意圖

2.3 觀測措施和相關要求

某跨江特大橋，大跨徑預應力混凝土連梁橋撓度變形監測點與橋梁側的基點組合成為閉合水準監測路線，其標準精準使用每千米上下誤差為0.3mm的水準儀。橋梁通行剛開始時，每3個月要觀察4次，3年之后,每隔半年觀察1次。

在變形觀測過程中應該要符合以下幾點[5]:

(1)監測是依照國家2等水準測量相關要求進行測量；

(2)水準測量觀測點之間的站數應該控制在偶數站；

(3)基輔分劃所測量高度差應該不能超過0.3mm，倘若誤差超過此范圍,應進行重新測量；

(5)為了使觀測受車輛的影響變小，使橋梁撓度觀測結果的可靠性得到提升，對撓度觀測時間要求很高，一定要早上的5點至8點之間進行觀測，其余時間進行觀測均會容易導致誤差變大。

2.4 監測撓度變形的精準度

在此橋的撓度變形監測過程中使用國家2等水準測量的精度與觀測措施對其進行測量，下面對此種精準度等級的橋梁撓度變形監測精準度進行詳細論述。

(1)

(2)

那么j點與K點之間差別沉降量中出現的誤差:

(3)

假設對每期進行觀測時,它們的外界環境是一樣的,所以

(MHi)k=(MHi-1)k=(MHi)j=(MHi-1)j=MH

(4)

那么(MΔHjk)2=4(MH)2,也就是(MΔHjk)=2MH

3 撓度觀測數據處理與相關的撓度分析

3.1 觀測數據處理

撓度變形監測每期觀測之后，第一就是依據相關原理(即最小二乘原理與統計檢驗原理)對控制網觀測點進行平差，對這種基準點高程進行計算，之后運用限差檢驗法以雙倍中誤差作為極限誤差再對不穩定點進行尋找，如果存在動點，那么修正高程。最終以橋梁上的監測點與橋梁兩側的墩臺上工作基點組成閉合水準路線進行計算各個監測點的高程[6]。有相當部分在檢測時間內的觀測數據，依照前文分述的方法進行處理之后，再對兩曲線圖進行繪制(即高程變化與主要監測點沉降過程),詳見圖2與圖3。

圖2 某跨江特大橋下游幅路面高程變化示意圖

圖3 某跨江特大橋主要監測點沉降量過程示意圖

3.2 相關撓度分析

如圖2高程表化示意圖可知，各監測點的高程均發生了變化，其沉降曲線也具有逐步降低趨勢，說明該橋撓度依然存在；當從整個曲線示意圖來看，前期表化較大，后期變化較小；還有在各跨跨中均產生了較為突出的沉降槽，邊跨跨中出現向上的變化趨勢，中跨與邊跨則出現向下變化趨勢；其撓度變形值大小依次為次跨跨中最大，中跨跨中次之，邊跨最小。如圖3沉降量過程示意圖可知：在橋梁通行之初的撓度較小，隨著通行時間增長，則撓度就會出現增大的變化趨勢。其撓度變化值大小依次為：跨中點撓度變化量最大，次跨點變化量次之，邊跨點的變化量最小。

4 橋梁撓度變形預測分析

4.1 影響橋梁撓度變形原因分析

(1)混凝土的收縮與徐變

通過相關研究表明，混凝土的收縮與徐變是因為它受到荷載作用，而隨著時間不停地變化而進行的一種非彈性變形，在長期外界荷載作用之下，體內膠體因為脫水縮小產生徐變變形。混凝土結構的徐變變形主要是由于結構自身重量與預應力而引起的[7]。

(2)預應力的張拉與損失

預應力混凝土構件的變形重點由兩部分構成:一部分是預加力所形成的反撓度；另一部分則是由荷載而形成的撓度。此兩部分撓度能夠相互抵消一部分，從而使得橋梁結構的總撓度變小。但是隨著預應力的損失，預應力所產生的反撓度變小，從而使得橋梁結構的整體撓度還會有一定程度上增大。

(3)溫度變化

由于橋梁上的混凝土露天在外，因此長期受溫度變化影響較大，再加上它的熱傳導性不強，從而使得橋梁產生較大的溫度差，容易形成較大的溫度應力，這對于大跨徑預應力混凝土連續箱梁橋而言，隨著跨徑的增加，它的橫截面也隨之增大，從而導致溫度效應對撓度變形影響也更加明顯[5]。

4.2 橋梁撓度預測模型的構建

采用MIDAS /Civil軟件對某跨江特大橋進行構建模型，利用模型對本橋梁工作環境與通行情況進行模擬，所模擬分析與橋梁實際情況比較接近，可信程度高。在構建模型時，依照相關軟件要求，再把對混凝土產生影響的相關因子輸入軟件，比如收縮、溫度以及動載等。最終把橋梁簡化成為平面結構，各施工節段離散單元，在這些單元之中，橋面單元數、節點數、施工節段總數以及預應力索數分別為206、207、56、21。它的成橋結構計算模型如圖4。

圖4 結構計算模型

4.3 觀測結論分析

通過對前文模型進行求解，得到某跨江特大橋是屬于大跨徑預應力混凝土連梁橋在不同階段的撓度變化曲線示意圖，詳見圖5，其中Y軸放大了1000倍。

圖5 某跨江特大橋撓度變形預測值示意圖

此外，還對橋梁通行2年、5年與8年不同年齡段的撓度變化實際測量值與預測值進行比較，具體變化狀態,詳見圖6～圖8。

圖6 某跨江特大橋通行2年后實測撓度值與預測的撓度值比較

圖7 某跨江特大橋通行5年后實測撓度值與預測的撓度值比較

圖8 某跨江特大橋通行8年后實測撓度值與預測的撓度值比較

如圖6～圖8可知，某跨江特大橋整個橋梁的實測撓度與預測撓度變化狀況基本相符，撓度變化與橋梁變形規律一致，橋梁通行的時間越久，則實測值與預測值就更加接近，圖中預測撓度值比實際測量撓度值稍大，這是實測值在橋梁結構本身可接受撓度變化范疇之內。所以，從以上分析可以判斷，其跨江特大橋完全處于健康狀態。

4.4 橋梁撓度變形預測分析

根據上述圖2所示，監測中有以下幾個監測點高程變化曲線幅度較大，分別是D22、D24,因此重點對這些監測點變化狀況加強預測。運用灰色系統理論對其加強預測，灰色系統理論是將介于完全明確與完全不明確之間的信息不完全系統。黑色系統與白色系統分別是封閉式與開放式系統，而灰色系統是介于半開放與半封閉狀態下的系統。灰色系統所對應的處理形式為了尋覓數據之間規律，所索要的數據統計源不是很大，不是為了尋找計算數據概率分布與統計規律。運用模型原理把最近一期觀測數據應用到灰色系統本值中，再對其它相關監測點對橋梁撓度的影響進行全方面考慮，同時通過對數據進行灰色理論擬合，再對相關預測結論進行評估，它的精準度結論達到要求，就可以對監測點的橋梁沉降進行預測。因此，構建灰色理論模型就具有一定現實意義。通過對各監測點所構建灰色模型進行求解，最后得到橋梁撓度變形各監測點在不同時期的撓度變化預測值，如圖9～圖10所示，實測值與預測值相互比較。

圖9 監測點D22兩測值(實測值與預測值)比較示意圖

圖10 監測點D24兩測值(實測值與預測值)比較示意圖

從圖9～圖10得知，通過灰色模型求得各監測點的兩測值很接近，即實測值與預測值，其曲線吻合狀態頗佳，這就充分地體現了采用灰色模型對撓度變形進行預測，能夠取得較佳的預測效果，從整體而言，其預測精準度非常高，具有很強的可信度，此外也說明了此預測方法能夠滿足橋梁撓度變形實時預測基本要求。

5 結論

以某大跨度預應力混凝土箱梁橋撓度監測作為依托工程，通過以上分析，得到結論:

(1)以某跨江特大橋撓度變形監測作為案例，得出精準水準觀測法很適合應用于大跨度預應力混凝土箱梁橋撓度變化觀測。采用繪制監測點(本文繪制沉降過程與高程變化量大測點)，能夠很直觀地看出橋梁撓度變化的特點與規律。

(2)通過某跨江特大橋撓度變形的預測，能夠對此橋健康狀態進行判別，以后類似該橋梁提供采用此預測的方法對橋梁健康狀況進行判斷。

(3)利用改進的灰色模型對工程監測位置實行預測，分別了解到監測點不同時段的撓度預測值，產生良好的預測效果，該預測方法可符合梁撓度變形實時預測標準。