淺談預應力混凝土簡支梁橋的施工監(jiān)測技術

黎 頡

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司)

1 工程背景

1.1 結構尺寸

Y橋為公路大橋,設計荷載等級為汽 -20級,掛 -100級;橋面寬度為雙向八車道,43.2m。Y橋主梁采用采用拉壓雙預應力簡支梁,梁長 48.8m(斜交 25°),計算跨徑48.0m,梁高 1.60m,高跨比 1/30.5;中 -中梁間距 1.53m,中 -梁間距 1.545m,中梁預制寬度 1.10m,邊梁預制寬度1.36m;中 -中梁翼板間留有 0.43m寬的濕接縫,中 -邊梁翼板間留有 0.415m寬的濕接縫,以加強橋梁的整體性,同時也可以減輕吊裝的重量。主梁頂板厚 23～25cm;腹板寬22cm;底板寬 90cm,厚 20～30cm。主梁具有大跨度,低高度,側向剛度校,橫截面抗扭慣矩小,顯著增加了吊裝的施工難度等特點。

1.2 預應力布置

主梁頂板內布置 10根 30CrMnsiA預壓調質鋼管,在四分點前后分三次彎出頂板下緣錨固,錨點設齒板;底板內布置 5根15～9和 1根15～7預拉應力鋼絞線,在梁端分別彎起錨固。

1.3 主要材料

主梁和翼板濕接縫采用 C50混凝土,采用早強快硬水泥,水泥用量不小于 475kg/m3,石子的粒徑采用 5～20nun。預拉預應力鋼絞線,采用高強度低松弛鋼絞線,標準強度1860MPa,彈性模量 1.95×105MPa。預壓預應力束:采用30CrMnsiA熱處理高強合金無縫鋼管,屈服強度 885MPa,彈性模量 2.0×105MPa。鋼板采用鋼束錨板采用Q345鋼。普通鋼筋采用 I、Ⅱ級鋼。

2 預應力混凝土梁施工監(jiān)測簡介

為了確保該橋主梁施工安全和施工質量,該橋在施工過程中(特別是主梁預制過程中)對主要控制斷面進行了應力跟蹤監(jiān)測。主要目的是為了及時發(fā)現(xiàn)梁體在預應力鋼束張拉、預應力鋼管放張施工過程中可能產生的異常應力、異常撓度(包括側向)變化等情況,以便及時調整施工方法。項目歷時 4個多月。監(jiān)測項目主要分為:主要控制截面累計施工應力監(jiān)測、預拱度和側向變形監(jiān)測與分析、裸梁及成橋狀態(tài)自振頻率檢測(剛度評價)。

3 主要控制截面累計施工應力監(jiān)測

“雙向預應力”梁工作截面的預應力效應,是由預應力鋼束和鋼管作用疊加形成的。本項目中的應力監(jiān)測,其目的就是采用跟蹤監(jiān)測的手段掌握施工過程中主要控制截面混凝土是否建立起正常的預應力效應。

3.1 監(jiān)測控制截面與測點

在常用的工程測試技術中,構件的應力是通過安裝在檢測部位的傳感元件(表面粘貼應變片或在構件內部預裝應變傳感器),檢測“相關荷載”作用下構件截面纖維變形方向的“應變(=△L/L)”,然后通過被測構件的材料特性參數(shù)(主要是彈性模量 E)間接計算測量“應力”。為了提高檢測數(shù)據(jù)的有效性和可靠性,本工程中采用了兩種手段,即現(xiàn)場粘貼應變片和預埋應變傳感器的方法進行應變檢測。

3.2 應力檢測

項目采用的傳感器為 VW-4200型,標距為 150mm;應變量程為 3000με;最小應變分辨率為 1.0με;非線性度 ＜0.5%F.S.。配套的檢測記錄儀表為VW-403C。根據(jù)施工進度和現(xiàn)場條件,采用應變片監(jiān)測了第一根梁(編號 B1),隨后選擇了三根梁(編號:Z9;Z10;Z15)分批逐漸預埋安裝了共計 25枚鋼弦式應變傳感器。待構件混凝土達到設計強度后開始跟蹤檢測傳感器讀數(shù)變化值。預埋傳感器與構件同步變形,因此所測的數(shù)據(jù)將反映了施工過程中構件所張拉預應力鋼束,放張預應力鋼管以及吊裝前后其他施工荷載產生的效應。混凝土材料隨齡期不同而表現(xiàn)的“收縮”“徐變”應變;不同檢測時刻環(huán)境溫度產生的應變也將疊加在上述主要的施工荷載效應中,這是需要在數(shù)據(jù)分析中加以甄別的。

項目最后一次檢測時橋面己完成混凝土鋪裝施工,因此全程施工監(jiān)測包括了構件混凝土自重效應、預應力效應、以及部分二期恒載效應等,可以認為最終監(jiān)測的累計應力基本上為該橋主梁的實際“恒載應力”。

4 預拱度和側向撓曲變形監(jiān)測分析

后張法施工的預應力梁,隨著預應力鋼束的逐步張拉,裸梁將相應的產生豎向撓曲變形(預拱效應),預拱撓度的設置是根據(jù)該橋梁的長期持續(xù)荷載效應彈性撓度、活載效應撓度、以及混凝土材料的終極徐變、收縮影響綜合確定的。監(jiān)測預應力施工過程中裸梁的預拱度變化,是為了驗證分析有效預應力效應的建立。

該橋裸梁較“細長”,截面的豎向和橫向抗彎剛度相對較小;施工中對 N1、N2實施交替的單側張拉時可能產生側向撓曲變形,為確保施工安全,對裸梁的變形監(jiān)測尤為重要。

5 裸梁及成橋狀態(tài)自振頻率檢測

由于該橋梁高與跨經(jīng)之比較小,即截面線剛度較小,通過監(jiān)測手段了解結構的實際剛度表現(xiàn)是本次施工監(jiān)測的內容之一。項目中采用傳感器檢測記錄成品裸梁和成橋狀態(tài)的豎向振動時域信號,再通過軟件分析得到簡支狀態(tài)上述兩種工況下結構豎向自振頻率。根據(jù)結構振動原理,在邊界條件確定的情況下,自振頻率的大小反映了該結構實際剛度的大小。監(jiān)測采用的傳感器為 891-2型超低頻高精度拾振器和相應的配套二次儀表。

6 主要應力監(jiān)測結果

6.1 應變片法監(jiān)測結果

采用應變片檢測張拉過程中主梁跨中和四分點下緣的混凝土應變。分別為各預應力鋼束張拉過程中監(jiān)測的應變效應,Bl梁跨中、四分點下緣兩側的檢測結果。檢測中采用計算機控制自動連續(xù)采樣方式記錄(自動進行每秒 10次間隙采樣)。

應變曲線反映的主要檢測結果是以下幾方面。

(1)通過分批、分級張拉預應力鋼束 N2、N3、N4、N1主梁混凝土下緣混凝土隨之逐漸產生預應力(應變)效應,圖中可見跨中截面的應變略小于四分點截面,這與設計計算時的結果相吻合;

(2)布置測點時在截面的兩側均有測點,見上述圖中兩根應變變化曲線。曲線的形態(tài)隨預應力的施加,其變化趨勢大致相同,但同一時刻的示值應變不同,這是截面兩側的預應力建立有一定差異的表現(xiàn)。從施工現(xiàn)場對該梁的變形(撓度)的監(jiān)測可見:該梁在產生豎向預拱撓度的同時,發(fā)生了一定程度的橫向變形。經(jīng)分析變形的方向與兩側應變差相互印證;

(3)張拉完所有預應力鋼束后(時刻)?？缰薪孛嫦戮墱y點處混凝土平均應變?yōu)?398με(壓);相當于13.1MPa硅應力。四分點截面下緣測點處混凝土平均應變?yōu)?454με(壓);相當于14MPa混凝土應力。實測結果與理論計算基本吻合;

(4)4月 12日進行放張施工,預先在檢測梁(B1#)的跨中截面上下緣分別布置了應變片測點,采用同樣方法進行施工過程監(jiān)測。檢測結果:上緣混凝土產生應變增量:120με(拉);相當于 4.1MPa鹼應力增量;下緣混凝土產生應變增量:-29με(壓);相當于1.0MPa硅應力增量。

上述實測結果與計算基本相符。

6.2 應變傳感器法監(jiān)測結果

由于應變片不適宜用于長期監(jiān)測,本工程監(jiān)測中僅分別用于張拉鋼束和放張鋼管時(短期)的混凝土應變增量監(jiān)測。主梁從制作到架梁、橫向現(xiàn)澆連接以及橋面鋪裝的全部施工過程的荷載效應,采用預埋傳感器法進行較長時的跟蹤監(jiān)測。

橋為上下行二幅橋梁,每幅橋梁由 13榀梁組成,全橋共計 26榀梁。為有一定的代表性,隨抽取 3榀梁安裝測點,測點主要安裝在跨簡梁跨中截面控制),其中選擇一榀梁還在四分點也布置了測點。

主要工況測點應變示值變化曲線反映了梁體混凝土施工完成后,隨著預應力施工、吊裝、澆筑橫向聯(lián)系現(xiàn)澆段和澆.筑完橋面混凝土鋪裝過程中施工荷載產生的效應(應變)。分析可知以下兩點。

(1)隨著張拉鋼絞線過程,梁的檢測截面逐漸建立預壓應力,其應力變化的過程(曲線)與前述采用應變片監(jiān)測結果基本一致;

(2)放張預壓應力鋼管后,各梁跨中截面的上緣產生89με,相當于 3.0MPa拉應力增量;下緣產生 -22με,相當于 0.7MPa壓應力增量;與上述應變片檢測結果基本一致。設計計算中上緣應力增量為此荷載效應是截面上緣預壓鋼管N5-N7放張后其儲存的軸向力對截面產生的,也是該梁所謂“雙向預應力”的內力特征。

以上述施工監(jiān)測結果作為評價樣本,取平均值與理論計算比較,見表 1。

表 1 施工監(jiān)測應力實測與設計計算值對比表

表中數(shù)據(jù)表明以下幾點。

(1)該橋主梁主要控制截面應力(包括有效預應力和主要恒載應力)與設計計算值基本一致,說明梁體實際有效預應力效應滿足設計要求;

(2)根據(jù)設計規(guī)范,自主梁預制、裸梁吊裝、橫向連接和澆注橋面鋪裝等主要施工階段中,實測最大截面為應力-15.3MPa(壓),小于規(guī)范允許的施工階段應力限值,因此滿足規(guī)范要求。

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