基于實測撓度的PC梁橋預應力損失分析

摘要 PC梁橋在長期服役狀態下，跨中部位極易產生下撓過大問題，其根本原因在于結構預應力損失持續增加且超出設計值，引發結構裂縫和橋梁變形等質量病害，嚴重威脅使用安全。影響橋梁預應力損失的因素較多，主要包括施工工藝、環境因素、混凝土性能及預應力筋松弛等。文章結合某現役橋梁運營狀況，對PC梁橋運營過程中預應力損失狀況展開綜合探究，提出了基于實測撓度的預應力損失計算方法，并根據該橋梁數年撓度監測結果，證實所用研究方法的合理性，為后續類似工程設計及施工提供幫助。

關鍵詞 公路橋梁項目；預應力損失；PC梁橋撓度

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0075-03

0 引言

大跨徑預應力混凝土連續箱梁橋或剛構橋（簡稱PC梁橋），經長期服役，極易出現下撓過大、局部開裂等質量問題，降低結構安全性能，縮短使用壽命。導致PC梁橋出現下撓和裂縫的因素較多，如設計缺陷、施工質量管控不嚴、后期維護不到位等，但主要原因在于混凝土應力變化，如橋梁結構跨中位置底板內部壓應力逐步轉變為壓應力，而混凝土內部應力變化通常由預應力損失所致。因此，業界人士普遍認為，導致橋梁結構跨中下撓過大和開裂的根本原因是混凝土收縮徐變及長期預應力損失。現階段，針對PC梁橋預應力損失檢測難度較大，而橋梁跨中結構下撓變化是預應力損失的真實反映，其測量方式較為簡單，通過分析撓度與預應力損失之間的關系，能為PC梁橋設計及施工提供幫助。

1 基于實測撓度的預應力損失計算方法

通過采用現行橋梁工程設計規范，對PC梁橋撓度值實施計算，得出撓度一定收斂，而實測顯示，大跨度PC梁橋長期撓度不收斂。研究表明，預應力主要作用在于平衡結構荷載，其配筋率相對較低，通常處于2%范圍內，且所受應力較為集中；與混凝土收縮徐變相比，預應力筋應力下降對橋梁結構下撓影響程度更大。可以看出，混凝土梁橋在跨中處存在較大的下撓度，其主要因素是由于較大和長時間應力損耗[1]。

對于大跨度PC梁橋運營過程中撓度變化的預測，通常利用有限元分析模型，并根據實測撓度結果，在對混凝土收縮徐變進行控制的條件下，對橋梁結構撓度變化實施預測和分析。研究發現，PC橋梁所有部位，預應力筋張拉后所受到的應力作用基本相同，因此可假定預應力損失變化趨勢大致相同。依據CEB-FIP標準中給出的預應力損失變化趨勢公式，按照實際測得的撓度結果，并對剛度實施修正，通過計算能夠得出滿足結構撓度變化規律的預應力損失值。按照實際測得的撓度值算出結構長期預應力損失，必須先處理好如下問題：一是計算了各構件的預應力損耗和各構件的受力情況，得到了構件的真實剛度；二是分析了工程實踐階段，預應力損耗與結構的整體變形的相關性，得到了對應于變形監測的瞬間預應力損耗[2]。該文提出了基于實測撓度的長期預應力損失識別流程，如圖1所示。

2 實橋驗證

該文結合某連續剛構橋運營狀況，根據此橋梁連續數年撓度監測結果推測預應力損失變化規律，通過與實測值比較，證實上述方法的合理性。

2.1 工程概況

某橋梁工程為預應力混凝土箱梁連續剛構橋，跨徑組合為（150+270+150）m，結構形式如圖2所示。中墩位置箱梁高14.8 m，腹板厚0.6 m，中跨跨中部位箱梁高5 m，腹板厚0.4 m，具體截面尺寸如圖3所示。大橋于1997年6月投入運營，長期撓度監測顯示，其中跨跨中位置撓度逐年增大，且遠高于設計值，具體情況如圖4所示。

2.2 大橋預應力發展規律識別

通過Midas Civil系統構建三維有限元分析模型，對該橋梁撓度變化情況實施模擬分析，其有限元模型如圖5所示。該橋梁共分為35個施工段，歷時417 d?，F對大橋運營8年內撓度變化情況進行模擬分析[3]。其運營過程中預應力損失計算如下：

（1）第一步：確定運營8年內各種預應力損失率Pi下的撓度曲線。假定該橋由交付使用至運營8年過程中預應力損失依次達到5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%，修正剛度后，經模擬計算得到各種預應力損失下的撓度變化曲線，如圖6所示。

（2）第二步：確定預應力損失變化曲線f（t）[4]。對該橋梁左半幅運營8年期間12組撓度監測值實施綜合分析，由于溫度因素影響，實測撓度值稍有偏差，并利用線性函數對12組數據實施修正，如圖7所示，按照撓度測點時間，將其依次對應到圖6，所得結果如圖8所示。

結合各測點及其相鄰撓度曲線位移差，通過具體計算得出各測點對應時間的預應力損失率[5]，具體結果如表1所示。

通過模擬計算，分別對12組撓度值對應時間點的預應力損失率實施擬合[6]，所得結果如圖9所示。

（3）第三步：將擬合曲線數據分別代入初始計算參數設置，經模擬計算獲得預應力曲線f（t）條件下的撓度變化曲線，通過與實際曲線比較，對擬合曲線準確性實施評價，結果如圖10所示[7]。通過圖10能夠看出，通過擬合獲得的預應力損失變化曲線f（t）經實際運算得出撓度值，能充分反映橋梁結構實際撓度變化情況[8]。

3 結論

綜上所述，PC梁橋在長期服役狀態下，其跨中部位會出現下撓過大問題，主要是由于結構預應力損失逐步增加且超出設計值，嚴重威脅結構安全。該文結合某橋梁工程運營實例，對PC梁橋預應力變化規律進行探究，通過建立有限元分析模型，系統性分析了橋梁撓度變化情況，得出如下結論：

（1）提出了基于實測撓度的預應力損失計算方法，確定了具體流程，并全面考慮剛度折減。

（2）建立了剛度修正后的時間－預應力損失率－實測撓度的關系，科學合理，方便應用。

（3）根據某橋梁工程交付使用至運營8年期間的撓度監測結果，推測預應力損失變化規律，證實所用研究方式的合理性。

參考文獻

[1]施秀山， 楊海洋， 楊文彬. 基于預應力損失對主梁撓度的影響分析[J]. 中國水運， 2022（5）： 129-131.

[2]卓為頂， 厲勇輝， 劉釗. 基于實測撓度的PC梁橋長期預應力損失研究[J]. 結構工程師， 2022（1）： 173-179.

[3]王燦， 劉青， 黨智. 基于撓度的連續梁橋預應力損失分析[J]. 中國水運， 2021（12）： 154-156.

[4]唐人杰. 預應力混凝土連續箱梁橋長期變形影響研究[D]. 湘潭：湘潭大學， 2021.

[5]余春霖. 大跨徑連續剛構橋跨中撓度控制技術研究[D]. 南寧：廣西大學， 2020.

[6]龔穎男. 基于撓度及有效預應力分析的高墩大跨度橋梁施工測量技術研究[J]. 城市勘測， 2020（3）： 170-172.

[7]張帥. 鋼桁腹預應力混凝土組合連續梁橋基本力學性能研究[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學， 2020.

[8]王燦， 劉青， 黨智. 基于撓度的連續梁橋預應力損失分析[J]. 中國水運， 2021（12）： 154-156.