連續剛構橋應力監測及誤差修正

2021-08-04 02:39:58張開銀付一小

工程與建設 2021年3期

姚璐，張開銀，付一小

(1.中鐵橋隧技術有限公司，江蘇南京 210061；2. 武漢理工大學，湖北武漢 430063)

0 引言

橋梁施工監控是橋梁施工中的重要環節,是橋梁施工安全和質量的保證。橋梁施工應力監測是通過在橋梁結構各個控制截面的測點處埋置應變或應力傳感器,對橋梁實際施工中的受力狀態進行監測,當結構應力超過安全范圍時,就可能導致混凝土產生過大裂縫,直接影響混凝土的力學性能以及結構的剛度和耐久性,嚴重時甚至會導致結構直接破壞[1]。因此,橋梁應力監測是十分必要的。當實際應力值與理論應力值的差值超出了允許范圍內時,應該立即停工排查并進行調整使其符合要求,這樣才能有效保證橋梁施工質量和施工安全[2]。

預應力混凝土連續剛構橋本身為非勻質材料,施工時還要受到施工環境、養護條件等因素的影響,這會使得橋梁結構的實際施工狀態與其理論分析狀態并不完全相符合,即橋梁截面尺寸、混凝土的彈性模量與容重等參數的實測值與理論值存在一定的偏差[3]。因此,在施工時應對這些數值進行實時測試,用以修正結構有限元模型。此外,在實際施工時,應變監測的數據除了包含外荷載作用下產生的彈性應變外,還包含混凝土的收縮應變、徐變應變和溫度應變,將這三種應變從實測數據中分離后才能得到結構的真實應變[4]。

本文以實際工程為背景,結合有限元計算軟件MIDAS/Civil對連續剛構橋進行了施工應力監測,并分析、修正了理論計算值和現場實測值中存在的部分誤差。

1 誤差分析及修正方法

1.1 計算誤差修正

預應力混凝土連續剛構橋進行模型計算分析時采用的均為結構設計參數,但是橋梁實際施工時,由于施工環境、養護條件、材料配合比以及人員操作不當都會使結構實際參數與設計參數并不完全一致,這就必然會導致計算模型與實際結構之間存在偏差[5]。為了更好地指導施工,需要在施工中將結構參數作為未知變量實時識別,并將識別的數據應用于結構模型修正,而后經過多個施工階段的計算和參數調整,使結構的有限元模型更貼近實際施工狀態。

本文主要對混凝土彈性模量、混凝土容重進行分析和修正,混凝土的收縮徐變及預應力損失均按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[6]計算。

(1)混凝土彈性模量。預應力混凝土連續剛構橋為超靜定結構,橋梁結構的應力與混凝土彈性模量的取值密切相關[7]。依據相關經驗,混凝土彈性模量的實測值大于其規范值,為了使結構計算模型更準確,應采用實測值對模型進行修正。

(2)混凝土容重。混凝土的容重決定了橋梁結構的自重,對于結構的受力和線形有直接影響,因材料配合比等因素的差異,混凝土容重的實測值與規范值之間的偏差難以避免[8]。因此,也要根據現場施工進度,對材料試塊進行定期抽樣測試,依據實測結果修正有限元模型。

1.2 測試誤差修正

(1)溫度應變。當所處環境的溫度發生變化時,混凝土結構和應變傳感器均會隨著溫度的變化發生熱脹冷縮,埋置在混凝土內部的應變傳感器會隨著混凝土結構的變化發生協同變形。對于振弦式應變傳感器而言,當傳感器埋入混凝土內部時,金屬外殼與混凝土變形協調,環境溫度發生變化時,兩者溫度應變一致,而此時內部的鋼弦卻因為溫度膨脹系數與混凝土差別較大,溫度應變也與混凝土結構的溫度應變不同[9]。即溫度改變時,通過振弦式應變傳感器測得的應變與混凝土結構的實際應變存在一定差異,因此需要對振弦式應變傳感器進行溫度修正[10]。

(2)收縮與徐變。當沒有外界荷載作用時,混凝土構件的體積也會自發的隨時間緩慢變化,這就是混凝土的收縮。混凝土的收縮應變的大小主要與水泥種類、水灰比、骨料含量、養護條件和持續時間等因素有關系。受到外界荷載作用時,混凝土構件首先產生彈性變形,之后變形隨時間不斷增加。這種在外界荷載持續作用下的產生變形的現象稱為混凝土的徐變。混凝土徐變的大小會受到加載時間、所處環境、應力條件和構件尺寸等因素的影響。[11]在分析結構應變時,必須分離出結構的收縮與徐變應變,才能根據彈性應力——應變關系得到結構的實際應力。

(3)應變滯后性。對應變進行連續實時測量顯示:預應力混凝土的應變具有滯后性。預應力鋼束張拉完成后,應變在主梁各截面的傳播速度會因所處節段的不同而不同。當管道通順,預應力鋼束較短時,這種滯后現象不明顯;但是當管道不通暢、鋼束較長時,靠近張拉端的截面與鋼束較短時相似,遠離張拉端的截面,應變滯后性明顯。因此,在進行應變監測時,要考慮應變滯后性,選擇恰當的時間進行測試。

2 橋梁結構仿真分析

2.1 工程概況

涼水河特大橋主橋為(86+160+86)m的預應力混凝土連續剛構橋,主梁采用懸臂法掛籃施工,截面為分幅式單箱單室斷面,橋面單向2%橫坡。箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化,墩頂與跨中處的橋梁斷面如圖1所示。主梁采用C55混凝土,橋墩采用C50混凝土,橋面鋪裝為8 cm瀝青混凝土,預應力鋼絞線的公稱直徑Φ=15.2mm,彈性模量Es=1.95×105MPa,抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa。

圖1 跨中-墩頂截面圖(單位：cm)

2.2 誤差修正

(1)混凝土彈性模量。涼水河特大橋主梁采用C55混凝土,因此根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30-2005)[12]中的水泥混凝土棱柱體抗壓彈性模量試驗方法,對C55混凝土彈性模量進行現場試驗。經測定主梁C55混凝土彈性模量趨勢圖如圖2所示。

圖2 混凝土各齡期彈性模量趨勢圖

由圖2可知,所試驗的混凝土試塊齡期大于3天時軸心抗壓強度能夠達到規范規定值并趨于穩定,可以正常使用。混凝土試塊的彈性模量在前3天增長迅速,3天后可以達到規范值,隨著齡期的增長,試塊的彈性模量也不斷地增長變化直至穩定,穩定后其實測值比設計值大1%～20%。將有限元模型中C55混凝土彈性模量修正為3.8×104MPa。

(2)混凝土容重。根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規范》(JTG E30-2005)[12]中的水泥混凝土密度試驗方法,現場測量C55混凝土的密度。根據現場試驗結果,將有限元模型中C55混凝土的容重修正為26.5kN/m3。

2.3 橋梁有限元模型的建立

運用有限元計算軟件Midas/Civil建立橋梁結構的有限元模型,如圖3所示。全橋共包含22個結構組(橋墩、0#-17#節段、邊跨現澆段、邊跨合龍段和中跨合龍段)、4個邊界組(墩底固結、墩梁固結、滿堂支架和邊跨滑動支座),懸臂法施工的每個節段均包含移動掛籃、混凝土澆筑和鋼束張拉3個施工階段。

圖3 橋梁結構有限元模型

2.4 應力計算結果

當懸臂節段全部澆筑完成后,達到懸臂最長階段,是橋梁施工監控的關鍵階段,此時單側T型結構為靜定結構。橋梁有限元模型計算結果表明,橋梁全截面上下緣受力為對稱狀態,具有較好的穩定性。主梁最大壓應力為9.44 MPa,位于1#節段上緣,最大拉應力為0.35 MPa,位于17#節段下緣,均滿足規范要求。

橋梁進行邊跨、中跨合龍時,相應節段預應力鋼束張拉前后,邊跨節段應力變化較小,但是中跨17#節段下緣壓應力有所增加,最大為9.58 MPa。

橋梁合龍后,由靜定結構變為超靜定結構,0#節段箱梁根部截面的應力狀態能較好地反映出橋梁結構的預應力儲備情況。主橋橋墩若出現根部預應力儲備不足的情況,主梁頂板和腹板就會因為受到較大拉應力的作用而出現變形或裂縫,這會在后期橋梁運營階段造成嚴重影響。有限元模型計算結果表明,橋梁結構最大壓應力為10.09 MPa,位于中跨1#節段上緣,最大拉應力為0.99 MPa,位于中跨18#節段上緣,均滿足預應力混凝土橋梁要求。

3 應力監測

3.1 應力監測方案

基于涼水河特大橋測點多、工期長、工作量大的特點,且在施工中因撞擊、振搗損壞傳感器的情況不可避免。結合同類橋梁施工監測的經驗,選用帶有熱敏電阻的振弦式應變傳感器,熱敏電阻可以用于測量測點所在處溫度的變化,便于進行溫度補償。箱梁應力測試控制截面選擇在0#節段(懸臂梁根部)、L/4跨截面和L/2跨截面。橋梁為對稱結構,因此以一側橋墩為例說明應力監測控制截面及傳感器分布。箱梁應力監測控制截面如圖4所示,箱梁截面應力傳感器布置如圖5所示。