大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)分析

馬宏斌

摘要：為分析大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的運(yùn)營(yíng)情況，文章采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面撓度和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合理論計(jì)算值對(duì)橋梁穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，主橋中部?jī)煽缈缰薪孛娴膿隙群蛻?yīng)力均較大，在監(jiān)測(cè)三年后撓度增速明顯下降，進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段，且撓度和應(yīng)力實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明橋梁變形和應(yīng)力均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋；運(yùn)營(yíng)期；應(yīng)力；變形；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U446.2 A 41 0134 4

0 引言

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋無(wú)伸縮縫，橋面平整度高，行車(chē)舒適性好［1］，不設(shè)置支座，不需要進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，施工工序簡(jiǎn)單，與其他橋梁相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。然而，在大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，很多橋梁出現(xiàn)了跨中下?lián)稀⒘后w開(kāi)裂等問(wèn)題［2］，直接影響橋梁的使用性能，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅行車(chē)安全。橋梁跨中下?lián)鲜怯捎谶\(yùn)營(yíng)中跨中變形高于理論計(jì)算預(yù)測(cè)值，導(dǎo)致橋梁線形失真［3］，主要表現(xiàn)為完工后撓度持續(xù)增長(zhǎng)，長(zhǎng)期撓度大于預(yù)測(cè)值。另外，梁體開(kāi)裂會(huì)降低橋梁結(jié)構(gòu)剛度，跨中下?lián)蠒?huì)加重梁體開(kāi)裂，二者互相影響加劇橋梁結(jié)構(gòu)破壞。大跨徑橋梁運(yùn)營(yíng)期間，需要定期開(kāi)展應(yīng)力應(yīng)變和沉降監(jiān)測(cè)［4］，掌握橋梁的受力狀態(tài)和變形情況，通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，為橋梁維護(hù)與加固提供參考依據(jù)。以某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，制定方案開(kāi)展運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)，通過(guò)在橋梁主要部位布置測(cè)點(diǎn)和儀器，分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出橋梁結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的變化規(guī)律，并與理論計(jì)算值對(duì)比以確定橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 工程概況

某大橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)為960.6 m，其中主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，橋跨組合結(jié)構(gòu)為120 m+2×200 m+120 m，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橋跨組合為3×40 m+2×40 m+3×40 m三聯(lián)結(jié)構(gòu)。橋梁上部結(jié)構(gòu)為單箱單室箱型斷面，僅在橋墩頂部設(shè)置4道隔板。該橋梁于2018年6月建成通車(chē)，由于受環(huán)境因素、氣候變化、靜載和活載作用等多方面因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形情況不斷變化，造成橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度有一定幅度的下降。由于很多已建成的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁運(yùn)營(yíng)期間普遍存在受力與變形超出預(yù)測(cè)的情況，為全面掌握該橋梁的受力、變形情況，評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，在運(yùn)營(yíng)期間開(kāi)展應(yīng)力應(yīng)變和沉降監(jiān)測(cè)。本文選取該大橋運(yùn)營(yíng)后三年內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果作為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2018年6月至2021年6月，該三年為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)期。其中2018年6月至2019年6月，監(jiān)測(cè)頻率為每月一次；2019年6月至2020年6月，監(jiān)測(cè)頻率為每?jī)蓚€(gè)月一次；2020年6月至2021年6月，監(jiān)測(cè)頻率為每?jī)蓚€(gè)月一次。本文選取重點(diǎn)監(jiān)測(cè)期三年中的部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力、營(yíng)運(yùn)狀態(tài)等并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

2.1 橋面標(biāo)高監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

該橋橋面凈寬為12 m，外側(cè)護(hù)欄寬度為0.5 m，內(nèi)側(cè)采用波形護(hù)欄。為監(jiān)測(cè)橋梁各部分的標(biāo)高變化情況，在主橋上共設(shè)置100個(gè)高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中120 m段測(cè)點(diǎn)布置間距為3 m，200 m段布置間距為2.5 m，高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。單個(gè)橋面標(biāo)高橫斷面測(cè)點(diǎn)布置位置分別為跨中墩頂、邊跨墩頂、1/2跨、1/4跨、1/8跨位置。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A系列位于橋梁左幅橋面護(hù)欄內(nèi)側(cè)25 cm位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B系列位于橋梁左幅橋面距翼板邊緣25 cm位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C系列位于橋梁左幅橋面距翼板邊緣25 cm位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D系列位于橋梁左幅橋面護(hù)欄內(nèi)側(cè)25 cm位置。橋梁沉降監(jiān)測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺，測(cè)量精度為0.1 mm，對(duì)各監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算得到相應(yīng)的變形量。測(cè)點(diǎn)布置后進(jìn)行首次觀測(cè)，作為初始標(biāo)高，后續(xù)觀測(cè)與首次觀測(cè)的高差即為變形量。

2.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)全面分析大橋的橋型布置、受力特點(diǎn)等因素［5-6］，選取主橋右幅主梁跨中和墩頂斷面作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面，其中1-1斷面、2-2斷面、3-3斷面、4-4斷面為跨中截面，5-5斷面、6-6斷面、7-7斷面為墩頂斷面，應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面布置如圖2所示。每個(gè)測(cè)試斷面頂面和底面各布置3個(gè)應(yīng)變計(jì)，共計(jì)42個(gè)應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)布置如圖3所示。橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用JK-65型振弦式應(yīng)變計(jì)，其具有穩(wěn)定性好、分辨率高、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3 橋梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 橋梁變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

自2018年6月開(kāi)始對(duì)橋梁左幅和右幅的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算確定各測(cè)點(diǎn)的變形量。本研究取2018年6月、2019年6月、2020年6月和2021年3月四個(gè)月份的橋梁左幅和右幅監(jiān)測(cè)結(jié)果作為研究對(duì)象，整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，繪制了橋梁左幅和右幅變形曲線如圖4和圖5所示。

分析圖4可知，橋梁左幅主橋中間長(zhǎng)度為200 m兩跨下?lián)陷^大，兩側(cè)120 m跨下?lián)陷^小，主橋中間兩跨撓度的增長(zhǎng)速度也較大，而主橋邊上兩跨撓度的增長(zhǎng)速度較小，且隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)增速有所下降。另外，單跨跨中位置的撓度最大，向兩側(cè)不斷減小，這符合橋梁撓度的變化規(guī)律。2021年3月，橋梁左幅中間兩跨撓度最大，最大值分別為2.71 cm、2.54 cm，較2020年6月觀測(cè)結(jié)果分別增長(zhǎng)了11.8%和9.1%，較上一年度的20.9%和20.8%明顯下降，說(shuō)明橋梁變形逐步達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

分析圖5可知，橋梁右幅曲線變化規(guī)律與左幅基本一致，主橋中間兩跨變形較大，撓度增速也較大，兩側(cè)兩跨變形較小，增速也較小。另外，撓度變化也符合單跨跨中位置最大，向兩側(cè)不斷減小的變化規(guī)律。2021年3月橋梁右幅中間兩跨撓度最大，最大值分別為2.92 cm、2.77 cm，較2020年6月觀測(cè)結(jié)果分別增長(zhǎng)了18.9%和18.7%，較上一年度的28.5%和27.6%明顯下降，同樣說(shuō)明橋梁變形已逐步進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段。總之，橋梁左右兩幅撓度隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加而增加，但增加速率逐步下降，且在2021年3月以后主橋撓度值明顯下降，說(shuō)明橋梁變形已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，但撓度仍在增長(zhǎng)，仍需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.2 橋梁應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本研究取2018年9月、2019年6月、2020年6月和2021年3月四個(gè)月份的橋梁左幅和右幅監(jiān)測(cè)結(jié)果作為研究對(duì)象，以2018年6月監(jiān)測(cè)結(jié)果作為初始應(yīng)力，整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制橋梁主梁上緣縱向、橫向和下緣應(yīng)力變化曲線如圖6～8所示。

分析圖6～8可知，主梁跨中截面上緣縱向承受壓應(yīng)力，波動(dòng)范圍為0.16～1.79 MPa；上緣橫向承受拉應(yīng)力，波動(dòng)范圍為0.13～1.55 MPa；主梁下緣主要承受拉應(yīng)力，波動(dòng)范圍為0.36～3.21 MPa。主梁墩頂截面頂板縱向承受拉應(yīng)力，波動(dòng)范圍為0.11～0.41 MPa；主梁墩頂截面頂板橫向承受拉應(yīng)力，波動(dòng)范圍為0.11～0.47 MPa；主梁下緣承受壓應(yīng)力，波動(dòng)范圍為0.01～0.6 MPa。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.3.1 跨中撓度分析

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，利用有限元軟件建立橋梁計(jì)算模型，計(jì)算運(yùn)營(yíng)階段的橋梁跨中撓度。取主橋跨中撓度最大的C9監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值作為研究對(duì)象，與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，繪制跨中截面撓度對(duì)比分析曲線如圖9所示。

對(duì)比分析圖9可知，在運(yùn)營(yíng)期間橋梁主跨撓度持續(xù)增長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)初期增長(zhǎng)速率較大，后期增長(zhǎng)速率下降，且實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，二者變化規(guī)律相同。另外，撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明運(yùn)營(yíng)期間主橋跨中撓度較小，實(shí)際變形小于預(yù)測(cè)值，橋梁結(jié)構(gòu)變形小，橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。但監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)撓度仍有小幅增長(zhǎng)，還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.3.2 監(jiān)測(cè)截面應(yīng)力分析

取運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)力實(shí)測(cè)值最大的左幅2-2跨中截面測(cè)點(diǎn)65和右幅3-3截面測(cè)點(diǎn)126的主梁下緣應(yīng)力實(shí)測(cè)值作為研究對(duì)象，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果繪制跨中截面應(yīng)力對(duì)比分析曲線如圖10所示。

分析圖10可知，左右兩幅主橋跨中截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值變化趨勢(shì)基本一致，且實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較接近，二者之間的誤差主要是由于混凝土收縮徐變、橋面荷載和溫度變化等因素造成的。另外，應(yīng)力計(jì)算所采用的彈性模量是通過(guò)混凝土試件檢測(cè)得到的，與實(shí)測(cè)梁體混凝土的彈性模量有一定誤差。跨中截面應(yīng)力實(shí)測(cè)最大值為3.21 MPa，小于理論計(jì)算值3.95 MPa，結(jié)合其他監(jiān)測(cè)斷面主梁上緣和下緣的應(yīng)力對(duì)比結(jié)果，實(shí)測(cè)值均小于設(shè)計(jì)值，說(shuō)明橋梁處于正常的使用狀態(tài)，橋梁結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析案例橋梁運(yùn)營(yíng)后三年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)得出了橋梁變形和應(yīng)力變化規(guī)律，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析確定橋梁的穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：

（1）撓度隨監(jiān)測(cè)時(shí)間增加而增加，增速逐漸趨緩，主橋中間兩跨跨中截面產(chǎn)生的撓度最大，且監(jiān)測(cè)三年后進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，但仍需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（2）橋梁跨中截面和墩頂截面應(yīng)力隨監(jiān)測(cè)時(shí)間增加而增加，增速逐漸趨緩，且跨中截面主梁下緣所產(chǎn)生的應(yīng)力較大。

（3）通過(guò)對(duì)比分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)撓度和應(yīng)力值均小于理論計(jì)算值，且二者變化規(guī)律相同，說(shuō)明橋梁處于正常的使用狀態(tài)，橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-07-10