預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法

韋立勇

摘要：現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法已不適用于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控時(shí)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取誤差大，文章為此提出預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法研究，通過(guò)布置超聲波監(jiān)控探頭，確保超聲波直接通過(guò)混凝土橋梁外壁傳播最大發(fā)聲時(shí)間，且必須小于直接通過(guò)橋梁外壁繞射的最大發(fā)聲時(shí)間;同時(shí)根據(jù)各階段累積應(yīng)變值為測(cè)讀應(yīng)力減去初始應(yīng)力，將監(jiān)控點(diǎn)得到的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，剔除初值誤差、混凝土收縮、徐變誤差以及溫度誤差，完成連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法應(yīng)力值與真實(shí)應(yīng)力值更貼近，誤差較小，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力;混凝土橋梁;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法

中圖分類號(hào)：U448.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.038

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0139-04

0引言

城市道路橋梁工程應(yīng)力張拉質(zhì)量控制，必須通過(guò)千斤頂和壓力表進(jìn)行配套校驗(yàn)，確定張拉力與壓力表之間的關(guān)系，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控[1]。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法的進(jìn)一步優(yōu)化是建筑行業(yè)發(fā)展的必然選擇，致力于最大限度地降低施工風(fēng)險(xiǎn)。目前，我國(guó)已有大量針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方面的研究，學(xué)者普遍得出的影響橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的參數(shù)包括：材料彈性模量、材料容重、橋梁結(jié)構(gòu)的截面尺寸、施工荷載以及預(yù)加應(yīng)力等。因此，本文依據(jù)以上各項(xiàng)影響參數(shù)，提出預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法設(shè)計(jì)，致力于提高預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的安全性。

1預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控主要根據(jù)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行，由計(jì)算機(jī)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分批監(jiān)控，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法或非統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)h同時(shí)打印出各項(xiàng)數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中布置超聲波監(jiān)控探頭進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，在明確監(jiān)控點(diǎn)以及監(jiān)控對(duì)象的基礎(chǔ)上，通過(guò)各階段累積，應(yīng)變值為測(cè)讀應(yīng)力減去初始應(yīng)力，將監(jiān)控點(diǎn)得到的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，讀取監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)力值數(shù)據(jù)。具體如下。

1.1布置超聲波監(jiān)控探頭

在使用超聲波監(jiān)控探頭對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控前，首先要確保超聲波直接通過(guò)混凝土橋梁外壁傳播的最大發(fā)聲時(shí)間必須小于直接通過(guò)橋梁外壁繞射的最大發(fā)聲時(shí)間，否則，超聲波首次發(fā)出的波將無(wú)法直接通過(guò)外壁，而是通過(guò)繞射的方式達(dá)到接收探頭，無(wú)法準(zhǔn)確地監(jiān)控預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

考慮到預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁只具有兩個(gè)對(duì)側(cè)面，因此本文采用平面對(duì)測(cè)法對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控[2]。平面對(duì)測(cè)法的超聲波探頭布置主要集中在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的四個(gè)外壁上，每個(gè)外壁上設(shè)置三個(gè)超聲波探頭。超聲波探頭布置及傳播路徑如圖1所示。

通過(guò)圖1可知，O表示外壁面，R表示超聲波探頭傳播方向。超聲波的傳播路徑是在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁沒(méi)有缺陷時(shí)產(chǎn)生的，當(dāng)其外觀上存在缺陷時(shí)，聲波會(huì)受到缺陷位置的影響發(fā)生不同程度的折射，影響橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3]。在排除橋梁外部缺陷的情況下，超聲波在傳播的過(guò)程中產(chǎn)生最大發(fā)聲時(shí)的時(shí)間計(jì)算公式為式（1）：

（1）

式中：T₁——橋梁外壁不存在缺陷時(shí)的超聲波最大發(fā)聲時(shí)間;

e——橋梁的邊長(zhǎng);

c——橋梁外壁厚度;

Vh——混凝土的聲速。

當(dāng)混凝土橋梁外壁存在缺陷時(shí)，超聲波產(chǎn)生最大發(fā)聲時(shí)的時(shí)間計(jì)算公式為式（2）：

（2）

式中：T₂——橋梁外壁存在缺陷時(shí)的超聲波最大發(fā)聲時(shí)間;

d——超聲波探頭布置位置與邊界的最小距離;

θ——當(dāng)聲波受到影響時(shí)產(chǎn)生的折射角角度。

根據(jù)上述公式，嚴(yán)格控制超聲波監(jiān)控探頭的布置方式，將超聲波監(jiān)控探頭的布置位置設(shè)為監(jiān)控點(diǎn)，有效避免由于外界因素導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)控精度低的問(wèn)題[4]。本文監(jiān)控對(duì)象為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分為兩個(gè)測(cè)試內(nèi)容逐一進(jìn)行，分別為：高程基準(zhǔn)點(diǎn)負(fù)荷測(cè)試以及承臺(tái)沉降測(cè)試。在監(jiān)控全過(guò)程反饋監(jiān)控點(diǎn)的標(biāo)高，將反饋得到的監(jiān)控點(diǎn)標(biāo)高與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，從而更好地控制主梁安裝軸線，保證主梁軸線與橫向標(biāo)高差均滿足規(guī)范要求，得出橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度線性變化規(guī)律[5]。

1.2監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)力值數(shù)據(jù)讀取

在明確監(jiān)控點(diǎn)以及監(jiān)控對(duì)象的基礎(chǔ)上，通過(guò)各階段累積，應(yīng)變值為測(cè)讀應(yīng)力減去初始應(yīng)力，將監(jiān)控點(diǎn)得到的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，讀取監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)力值數(shù)據(jù)，具體轉(zhuǎn)換公式如式（3）所示：

σ_cd=E×ε（3）

式中：σ_cd——監(jiān)控點(diǎn)讀取應(yīng)力;

E——混凝土彈性模量;

ε——監(jiān)控點(diǎn)混凝土應(yīng)變值。

比較計(jì)算出的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值更新結(jié)果的大小關(guān)系，若比較結(jié)果結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值大于承載極限，則立即通過(guò)評(píng)估設(shè)備中的異常預(yù)警元件實(shí)現(xiàn)報(bào)警，提示預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目存在安全隱患[6-7]。若結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于承載極限，則啟動(dòng)新一輪的監(jiān)控循環(huán)，維持當(dāng)前的運(yùn)行環(huán)境和使用狀況。

在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，主要通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示模塊來(lái)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括設(shè)備的歷史信息、實(shí)時(shí)信息和服務(wù)器整體信息等。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)會(huì)從兩個(gè)維度對(duì)系統(tǒng)的相應(yīng)性能狀況以及系統(tǒng)資源在不同時(shí)間的使用情況進(jìn)行查詢，這兩個(gè)維度分別是資源和業(yè)務(wù)[8]。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)自己的需要查詢相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，將收集到的監(jiān)測(cè)信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，得到相應(yīng)的監(jiān)測(cè)報(bào)告。

為獲得更加精準(zhǔn)的監(jiān)控效果，還需要在得到的應(yīng)力值中剔除初值誤差、混凝土收縮、徐變誤差以及溫度誤差，進(jìn)而得到預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度真實(shí)應(yīng)力。設(shè)真實(shí)應(yīng)力為σ，則其計(jì)算公式如式（4）所示：

σ=σ_cd-σ_xb-σ_ss-σ_wd（4）

式中：σ_xb——初始值誤差;

σ_ss——監(jiān)測(cè)點(diǎn)收縮徐變應(yīng)力誤差值;

σ_wd——溫度差引起的應(yīng)力誤差值。

通過(guò)式（4）計(jì)算得出的結(jié)果，就是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的成果。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，并對(duì)整體式橋梁橫斷面形式、允許誤差、檢查方法和頻率以及權(quán)值等參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁各參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1所示，分別使用傳統(tǒng)監(jiān)控方法以及本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)置傳統(tǒng)的監(jiān)控方法為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組。設(shè)計(jì)10個(gè)橋梁監(jiān)控點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，記錄橋梁監(jiān)控點(diǎn)的沉降位移，記錄沉降數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成表格。實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為核查兩種監(jiān)控方法下得到的應(yīng)力值，將得到的應(yīng)力值與真實(shí)應(yīng)力進(jìn)行比較，誤差越小證明該監(jiān)控方法的監(jiān)控精度越高，從而采用監(jiān)控性能更強(qiáng)的監(jiān)控方法。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控設(shè)備采集到的監(jiān)控結(jié)果傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)通過(guò)統(tǒng)計(jì)與分析將監(jiān)控結(jié)果通過(guò)監(jiān)控界面顯示出來(lái)，具體如圖2所示。

由圖2可知，通過(guò)人為控制的方式來(lái)調(diào)整預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用的控制方式為增加或減少其上層空間的負(fù)載重量。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)控點(diǎn)呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，在一定程度上更加有利于監(jiān)控結(jié)果的合理性，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控更具可靠性，在實(shí)際的應(yīng)用中更能保障工程質(zhì)量。

為進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法的效果及可行性，采集10組監(jiān)控點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將兩種監(jiān)控方法下的應(yīng)力值與真實(shí)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2可得出如下結(jié)論：在10個(gè)監(jiān)控點(diǎn)得出的數(shù)據(jù)中，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法得到的應(yīng)力值與真實(shí)應(yīng)力值更貼近，誤差小，證明設(shè)計(jì)監(jiān)控方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法其各項(xiàng)功能均可以滿足施工總體要求，可以廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控工作。

3結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法，提高了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁改建施工安全性。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)監(jiān)控方法在保證施工安全方面的具體優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái)。監(jiān)控得到的應(yīng)力值與真實(shí)應(yīng)力值誤差的大小是保證橋梁質(zhì)量的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的主體內(nèi)容，為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控方法的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。本文不足之處是此次研究時(shí)間有限，雖然取得了一定的研究成果，但對(duì)于該方法研究還不足，沒(méi)有對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控施工技術(shù)進(jìn)行深入研究，可以作為日后研究的重點(diǎn)。

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