連續剛構橋體外預應力加固施工線形監控分析

作者簡介：

覃子秀（1986—），高級工程師，主要從事公路工程項目管理工作。

摘要：文章以某連續剛構橋體外預應力加固施工過程監控項目為研究對象，針對施工過程中的主梁線形、應力及體外索索力進行監測分析，并運用有限元軟件對體外預應力加固施工過程進行仿真分析，通過對比分析主梁監測實測值和理論計算值的變化規律來評判橋梁線形監測效果。結果表明：在體外預應力施工過程中，主梁撓度、應力及體外索索力的實測值與理論值均在合理誤差范圍之內，主梁撓度誤差＜5 mm，應力誤差＜1 MPa，體外索索力誤差＜5%，橋梁線形、應力及索力均符合施工設計要求。該橋體外預應力加固施工監控取得了良好效果。

關鍵詞：連續剛構橋；體外預應力；線形監控；預應力鋼束

中圖分類號：U448.23 A 48 153 3

0 引言

近年來，由于大跨預應力混凝土連續剛構橋具有跨越性好、施工方便、剛度大以及整體性能好等優點，逐漸成為當下廣泛修建的橋型之一［1-2］。但由于對橋梁施工過程控制不嚴格，已建成的連續剛構橋頻繁出現各類病害，嚴重影響了橋梁的安全運營［3］。因此，在橋梁施工過程中進行實時監控并及時對主要結構參數進行調整，對于保證橋梁結構的安全性具有重要意義［4］。如朱亞飛等［5］針對某預應力混凝土變截面連續剛構橋的承臺沉降、應力和主梁階段標高進行了監測，證明了大橋上部結構主梁施工線形、應力滿足設計要求，實現了橋梁上部結構施工監控的目標。李世平等［6］在橋梁豎向線形控制過程中，應用參數敏感性分析和灰色系統理論，將理論計算結果與施工過程中采集的數據進行對比，驗證了橋梁的施工安全性。劉欣等［7］分析了高濕熱環境下主梁及高墩的施工監控關鍵技術，提出高濕熱環境下預應力張拉齡期超過10 d、同跨對稱點高差的允許偏差為±15 mm等監控指標，可為同類橋梁的施工建設提供參考。匡鎮［8］在對Y型墩進行綜合闡述的基礎上，分析了Y型墩混凝土連續剛構橋施工監控的原理，介紹了施工監控的主要內容和注意事項，并對關鍵技術做出了科學分析。

目前，國內外學者關于預應力混凝土連續剛構橋的施工技術及線形監控研究已相對完善，但體外預應力加固連續剛構橋的監控研究相對較少。因此，本文以某連續剛構橋體外預應力加固施工為背景，在施工過程中進行實時監測，并結合有限元軟件對施工過程進行建模分析，通過自適應控制法對橋梁線形、應力及索力進行預測和調整，最終保證橋梁成橋線形及應力滿足設計要求。

1 工程概況

某大跨矮墩連續剛構橋長280 m，跨度布置為75 m+130 m+75 m。主橋總寬24.5 m，分為左右兩幅橋梁，單幅橋面橫向布置為0.5 m防撞護欄+11 m行車道+0.5 m防撞護欄。上部結構主梁采用預應力混凝土連續剛構箱梁，截面形式為單箱單室，梁高按1.8次拋物線變化，墩頂處梁高為7 m，跨中處梁高為2.5 m；頂板寬度為12 m，墩頂厚度為30 cm，跨中厚度為50 cm；底板寬度為5.5 m，墩頂厚度為90 cm，跨中厚度為30 cm；腹板墩頂處厚度為80 cm，跨中厚度為40 cm，翼緣板寬度為3.2 m。下部結構主墩采用雙薄壁墩，薄壁橫向和縱向寬度分別為5.6 m和1.2 m，布置間距為3.6 m，墩高依次為21 m、22 m；橋臺采用肋板式橋臺；樁基礎采用鉆孔灌注樁。由于該橋箱梁局部出現輕微病害，為保證橋梁運營的安全性，計劃采用體外預應力進行加固：在邊跨各張拉6束預應力鋼束，中跨張拉8束預應力鋼束；張拉控制應力為930 MPa，均為標準強度的50%。該連續剛構橋總體布置如圖1所示。

2 施工監控方案

為保證體外預應力加固連續剛構橋的最終效果達到理想狀態，針對體外預應力加固施工過程中的主梁線形、主梁應力及體外索索力進行監控，具體監控方案設計如下：

（1）主梁線形、應力監控：根據該橋體外預應力加固的特點，分別采用精密水準儀和智能弦式數碼應變器監測橋梁體外預應力加固前后的主梁關鍵截面的撓度和應力變化情況，以判斷主梁線形、應力是否滿足設計要求。監測斷面選擇左橋臺、左邊跨L/2、1#墩墩頂、中跨1L/4、中跨L/2、中跨3L/4、2#墩墩頂、右邊跨L/2和右橋臺，共計9個斷面。線形監測在每個斷面設置3個測點，共計27個線形測點；應力監測在每個斷面設置2個測點，共計18個測點。具體斷面測點布置如圖2所示。

（2）體外索索力監測：在進行體外預應力筋張拉過程中，采用智能弦式數碼壓力計以監測加固前后橋梁體外預應力鋼束的索力值變化情況，判斷其張拉力是否滿足施工設計要求。監測位置在邊、中跨各選擇2束體外預應力鋼束，1#墩、2#墩各選擇1束體外預應力鋼束，測點均布置在鋼束的錨固端位置。全橋共計8個測點，具體測點布置如圖3所示。

3 有限元模型

為了方便對該橋體外預應力加固的各施工階段進行監控，采用有限元軟件Midas Civil對連續剛構橋各施工階段進行仿真計算，分析了主梁在不同施工階段的撓度和應力變化情況。全橋共劃分為312個單元和337個節點，主梁、橋墩均采用梁單元模擬，主梁與主墩墩頂采用剛性連接，對兩側橋臺設置豎向支撐，箱梁內采用縱、橫、豎三向預應力體系。主梁、橋墩、錨固塊及轉向板均采用C50混凝土，容重為26 kN/m3，彈性模量為3.45×104 MPa；鋼筋采用HRB335級普通鋼筋，容重為77 kN/m3，彈性模量為2.0×105 MPa；預應力鋼束采用低松弛鋼絞線，容重為78.5 kN/m3，彈性模量為1.95×105 MPa。計算荷載主要考慮結構自重、二期恒載、活載、收縮徐變及不均勻沉降等。全橋施工共劃分為62個施工階段，以實際掛籃懸臂澆筑和主要加固施工過程為依據。其有限元模型如圖4所示。

4 結果與分析

4.1 線形監測分析

對主梁線形測點的數據進行整理分析后，得出施工階段和成橋階段的主梁各關鍵截面撓度實測值，并與有限元軟件計算得出的撓度理論值進行比較分析，結果如表1所示。

由表1可知，在體外預應力加固施工階段，主梁邊、中跨撓度變化幅度相對明顯。其中，主梁各關鍵截面撓度理論值與實測值的誤差為-0.2～2.22 mm，整體偏差不大。在體外預應力加固施工完成后，主梁邊、中跨撓度變化幅度均有所增大。其中，主梁各關鍵截面撓度理論值與實測值的誤差增至-0.4～3.1 mm，但整體增幅較小。綜合來看，體外預應力加固施工會對連續剛構橋主梁邊、中跨撓度產生影響，但最終成橋后，主梁撓度實測值與理論值的最大誤差≤5 mm，說明該橋線形監控效果良好，滿足施工設計要求。

4.2 應力監測分析

對主梁應力測點的數據進行整理分析，得到施工階段和成橋階段的主梁各關鍵截面應力實測值，并與有限元軟件計算得出的應力理論值進行比較分析，結果如表2、表3所示。

由表2可知，在體外預應力加固施工階段，主梁各關鍵截面上緣應力理論值與實測值的最大誤差為0.58 MPa；而在體外預應力加固施工完成后，主梁上緣應力均有所增大，但整體增幅較小，其中主梁各關鍵截面上緣應力理論值與實測值的最大誤差增至0.68 MPa，但主梁上緣應力仍基本滿足施工設計要求。

由表3可知，在體外預應力加固施工階段，主梁下緣應力變化幅度不大，其中主梁各關鍵截面上緣應力理論值與實測值的最大誤差為0.55 MPa；而在體外預應力加固施工完成后，主梁下緣應力均有所增大，但整體增幅較小，其中主梁各關鍵截面下緣應力理論值與實測值的最大誤差增至0.9 MPa。綜合來看，體外預應力加固施工完成后應力增量相對明顯，但最終成橋后主梁上、下緣應力實測值與理論值的最大誤差≤1 MPa，說明該橋施工對應力控制效果良好。

4.3 索力監測分析

通過對預應力鋼束測點的數據進行整理分析，得到施工階段和成橋階段的體外預應力索索力實測值，并與有限元軟件計算得出的索力理論值進行比較分析，結果如表4所示。

由表4可知，在體外預應力加固施工階段，邊跨預應力索索力的理論值與實測值最大誤差為67 kN，中跨預應力索索力的理論值與實測值最大誤差為73 kN，施工階段體外索索力的誤差均＜5%。在體外預應力加固施工完成后，邊跨預應力索索力的理論值與實測值最大誤差為66 kN，中跨預應力索索力的理論值與實測值最大誤差為83 kN，施工完成后體外索索力的誤差同樣＜5%。綜合來看，體外預應力索索力的實測值與理論值基本吻合，成橋后預應力索索力的最大誤差≤5%，說明該橋索力監控效果良好，滿足施工設計要求。

5 結語

本文對體外預應力加固連續剛構橋施工過程中的主梁撓度、應力和預應力鋼束索力進行了監測和分析，并針對監測實測值和理論計算值進行對比分析，得到以下主要結論：

（1）在施工階段主梁撓度的理論值與實測值的最大誤差為2.22 mm，施工完成后的主梁撓度理論值與實測值的最大誤差為3.1 mm。最大誤差均≤5 mm，橋梁線形監控效果良好，滿足施工設計要求。

（2）主梁上、下緣應力在施工階段的實測值和理論值整體變化趨勢基本一致，最大偏差均在合理范圍內，最大誤差≤1 MPa，有效保證了橋梁結構的受力處于安全狀態。

（3）體外預應力索索力在施工階段的實測值和理論值整體變化趨勢基本吻合。成橋后預應力索索力的最大誤差≤5%，起到良好的加固設計效果，符合體外預應力加固施工索力設計要求。

參考文獻

［1］陳 強，劉前瑞，劉勝強.基于有限元分析方法的連續剛構橋施工監控［J］.城市道橋與防洪，2020（3）：150-152，21.

［2］江根明.大跨度預應力混凝土連續剛構橋的施工監控與分析［J］.浙江交通職業技術學院學報，2020，21（1）：16-19，57.

［3］李青鋒.預應力混凝土連續剛構橋懸臂現澆施工監控研究［J］.湖南交通科技，2019，45（1）：96-98.

［4］白旭光.高墩大跨連續剛構橋施工監控全過程計算分析［J］.公路交通科技（應用技術版），2020，16（3）：180-183.

［5］朱亞飛，徐澤平.預應力混凝土連續剛構橋施工監控分析［J］.北方交通，2021（5）：23-26.

［6］李世平，薛旭濤，劉 數，等.高墩大跨連續剛構橋的施工監控［J］.建筑施工，2020，42（11）：2 125-2 127.

［7］劉 欣，王 茜，王瑞正.高濕熱環境高墩大跨連續剛構橋施工監控技術研究［J］.公路交通科技（應用技術版），2020，16（7）：215-220.

［8］匡 鎮.Y型墩預應力混凝土連續剛構橋施工監控關鍵技術研究［J］.工程技術研究，2019，4（5）：80-81.

收稿日期：2022-09-26