大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)力監(jiān)測分析

李 霞

(山西路橋建設(shè)集團有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中會經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，主梁應(yīng)力會產(chǎn)生較大變化。如果控制不當(dāng)，會對施工質(zhì)量與安全產(chǎn)生較大影響。花山1號大橋主橋設(shè)計采用大跨度連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，為了準(zhǔn)確確定梁體的應(yīng)力分布情況，分別在橋梁主墩和主梁上部布設(shè)監(jiān)測斷面，分別埋設(shè)傳感器。將實測數(shù)據(jù)與MIDAS/Civil軟件計算數(shù)據(jù)進行對比，確定施工中橋梁和橋墩應(yīng)力狀況是否正常。如果出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)分析原因并及時解決，保證施工安全和施工質(zhì)量。

1 依托項目概況

重慶鐘渤快速路花山1號大橋設(shè)計采用連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁左線起訖點樁號為K8+327～K8+675，設(shè)計全長346 m。主橋采用大跨度T形連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，橋跨組合為55+80+55，兩側(cè)引橋采用30 m簡支箱梁結(jié)構(gòu)，小樁號方向兩跨，大樁號方向三跨。橋梁主梁設(shè)計長度為190 m，截面形式為單箱單室變截面直腹板，頂板設(shè)計寬度為12.25 m，底板設(shè)計寬度為6.5 m，橋墩部位梁高為7.8 m。主梁底板厚度為0.35 m～1.3 m，腹板厚度為0.7 m～1.1 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用空心薄壁墩，樁基礎(chǔ)采用4φ220 cm嵌巖樁。主橋設(shè)計結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示。

2 各關(guān)鍵施工階段橋梁應(yīng)力計算結(jié)果

為了準(zhǔn)確確定橋梁最大懸臂狀態(tài)、主跨和邊跨合龍階段主梁應(yīng)力，本橋梁采用MIDAS/Civil軟件進行有限元分析。根據(jù)橋梁設(shè)計參數(shù)，進行梁單元建模，橋梁4號、5號主墩與梁體剛性連接，3號和6號邊墩墩頂設(shè)置活動支座，計算模型如圖2所示。

根據(jù)以上計算模型，對主橋連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)各個施工階段的主梁應(yīng)力進行計算，可作為施工中橋梁應(yīng)力監(jiān)測的主要依據(jù)，施工中可將監(jiān)測值與計算值相對比，及時調(diào)整施工工序，在各個關(guān)鍵施工階段有效控制主梁應(yīng)力。由于受到篇幅限制，只對最大懸臂狀態(tài)和主橋合龍階段的應(yīng)力進行計算和分析，計算結(jié)果壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。

2.1 最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力計算結(jié)果

以跨度最大的80 m主梁作為研究對象，主梁采用現(xiàn)澆施工，混凝土標(biāo)號為C55。當(dāng)?shù)?8號梁段澆筑張拉完工后，主梁達(dá)到最大懸臂狀態(tài)。此時，橋梁撓度值達(dá)到最大值，而梁體剛度最小，因此選擇這個階段進行應(yīng)力計算分析。18號梁段張拉完成后，上下緣應(yīng)力計算結(jié)果如圖3，圖4所示。

根據(jù)圖3有限元計算結(jié)果，在最大懸臂狀態(tài)下，截面上緣只承受壓應(yīng)力的作用，不承受拉應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近兩側(cè)4號、5號主墩的位置，最大壓應(yīng)力值為12.98 MPa。根據(jù)圖4有限元計算結(jié)果，在最大懸臂狀態(tài)下，研究截面下緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力的位置也在靠近兩側(cè)主墩的位置，最大壓應(yīng)力值為6.58 MPa。另外主梁下緣兩側(cè)承受拉應(yīng)力的作用，最大拉應(yīng)力值為0.91 MPa。根據(jù)設(shè)計要求，主梁混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fck=35.5 MPa，上下緣最大壓應(yīng)力小于0.7fck=24.85 MPa；主梁混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fck=2.74 MPa，下緣的最大拉應(yīng)力也小于0.7ftk=1.918 MPa。綜上所述，在最大懸臂狀態(tài)下，計算所得應(yīng)力遠(yuǎn)低于混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力，且具有較大的安全儲備，滿足設(shè)計要求。

2.2 中跨合龍階段應(yīng)力計算結(jié)果

在中跨合龍階段，橋梁上部結(jié)構(gòu)將完成體系轉(zhuǎn)換，主梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定剛構(gòu)狀態(tài)。中跨合龍階段施工不僅影響到橋梁整體線形，還會使主梁應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生較大影響。為了保證施工質(zhì)量，采用MIDAS/Civil軟件進行有限元分析計算，得到截面上下緣應(yīng)力計算結(jié)果如圖5，圖6所示。

分析圖5在中跨合龍階段截面上緣應(yīng)力計算結(jié)果，截面上緣只承受壓應(yīng)力，不承受拉應(yīng)力的作用，且最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中跨4/L位置和主墩之間，最大壓應(yīng)力達(dá)到14.76 MPa。分析圖6有限元截面下緣應(yīng)力計算結(jié)果，截面下緣也只承受壓應(yīng)力作用，結(jié)合計算結(jié)果可以得出跨中位置的壓應(yīng)力最大，最大值為10.98 MPa。結(jié)合設(shè)計要求，在中跨合龍階段，截面上緣和下緣壓應(yīng)力均小于0.7fck=24.85 MPa。因此，在中跨合龍階段，截面上下緣均只承受壓應(yīng)力，遠(yuǎn)小于混凝結(jié)構(gòu)應(yīng)力，且具有較大的安全儲備。

3 施工現(xiàn)場橋梁應(yīng)力監(jiān)測

3.1 測點布設(shè)

花山1號大橋采用掛籃懸臂施工，整個施工過程經(jīng)歷了多次體系轉(zhuǎn)換，應(yīng)力變化較大。為了準(zhǔn)確檢測各施工階段重點截面應(yīng)力變化情況，分別在主梁根部、合龍段和L/4處布置監(jiān)測斷面，埋設(shè)傳感器。分別在4號，5號主墩兩側(cè)布置一個監(jiān)測斷面，每個斷面布置4個測點，作為懸臂澆筑梁段的根部監(jiān)測斷面，記為A—A，B—B，E—E，F(xiàn)—F斷面，具體布置如圖7a)所示。D—D斷面位于跨中合龍段，主要是對主梁合龍過程中的應(yīng)力變化情況進行監(jiān)測，主梁應(yīng)力監(jiān)測斷面布置如圖7b)所示。C—C斷面位于1/4跨處，可用于監(jiān)測懸臂現(xiàn)澆施工過程中應(yīng)力變化情況。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在橋梁施工過程中，分別在主梁、主墩的控制截面埋設(shè)傳感器，監(jiān)測截面的應(yīng)力變化和應(yīng)力分布情況。根據(jù)應(yīng)變變化情況，計算確定應(yīng)力分布情況，作為大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋已施工部分是否滿足強度要求的判斷依據(jù)。如發(fā)現(xiàn)應(yīng)力分布情況異常，應(yīng)立即停止施工，查明原因并采取應(yīng)對措施處治后方可復(fù)工。統(tǒng)計各監(jiān)測斷面應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析計算確定主梁施工過程中應(yīng)力變化情況，進而確定主梁各監(jiān)測截面的應(yīng)力狀況。本文選取主橋右幅4號墩應(yīng)力最大截面B—B截面為研究對象，分析頂板和底板的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別繪制應(yīng)力變化曲線如圖8，圖9所示。

分析主橋右幅4號橋墩B—B截面頂板和底板應(yīng)力變化情況，理論計算值與實測應(yīng)力值之間存在一定的差異。這一方面是由于理論應(yīng)力值是采用平面桿系模型計算得到的，沒有對截面橫向應(yīng)力分布情況進行分析；另一方面是混凝土收縮徐變所產(chǎn)生的虛應(yīng)變影響，綜合影響造成理論計算值與實測值之間產(chǎn)生了較大差異，現(xiàn)階段是不可避免的。雖然二者之間存在一定的差異，但該截面受力狀態(tài)在容許范圍之內(nèi)。結(jié)合其他截面應(yīng)力變化情況的監(jiān)測結(jié)果，得出該橋梁主梁施工過程中應(yīng)力狀態(tài)良好，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

以花山1號大跨度連續(xù)剛構(gòu)大橋為例，采用MIDAS/Civil軟件進行有限元分析，計算各施工階段主梁截面應(yīng)力，并與施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)分析最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力計算結(jié)果，截面上下緣最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，且具有一定的安全儲備；2)分析中跨合龍階段應(yīng)力計算結(jié)果，截面上下緣最大壓應(yīng)力均遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，且具有一定的安全儲備；3)分析主橋右幅4號橋墩B—B截面頂板和底板應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析理論計算值與實測應(yīng)力值差異較大的原因，并結(jié)合其他截面應(yīng)力變化情況的監(jiān)測結(jié)果，得出主梁施工過程中應(yīng)力狀況良好，滿足規(guī)范要求。