連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固施工線形監(jiān)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(xiàng)目管理工作。

摘要：文章以某連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固施工過程監(jiān)控項(xiàng)目為研究對象，針對施工過程中的主梁線形、應(yīng)力及體外索索力進(jìn)行監(jiān)測分析，并運(yùn)用有限元軟件對體外預(yù)應(yīng)力加固施工過程進(jìn)行仿真分析，通過對比分析主梁監(jiān)測實(shí)測值和理論計(jì)算值的變化規(guī)律來評判橋梁線形監(jiān)測效果。結(jié)果表明：在體外預(yù)應(yīng)力施工過程中，主梁撓度、應(yīng)力及體外索索力的實(shí)測值與理論值均在合理誤差范圍之內(nèi)，主梁撓度誤差＜5 mm，應(yīng)力誤差＜1 MPa，體外索索力誤差＜5%，橋梁線形、應(yīng)力及索力均符合施工設(shè)計(jì)要求。該橋體外預(yù)應(yīng)力加固施工監(jiān)控取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；體外預(yù)應(yīng)力；線形監(jiān)控；預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋具有跨越性好、施工方便、剛度大以及整體性能好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為當(dāng)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(yán)格，已建成的連續(xù)剛構(gòu)橋頻繁出現(xiàn)各類病害，嚴(yán)重影響了橋梁的安全運(yùn)營［3］。因此，在橋梁施工過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)對主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對于保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義［4］。如朱亞飛等［5］針對某預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋的承臺(tái)沉降、應(yīng)力和主梁階段標(biāo)高進(jìn)行了監(jiān)測，證明了大橋上部結(jié)構(gòu)主梁施工線形、應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了橋梁上部結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控的目標(biāo)。李世平等［6］在橋梁豎向線形控制過程中，應(yīng)用參數(shù)敏感性分析和灰色系統(tǒng)理論，將理論計(jì)算結(jié)果與施工過程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了橋梁的施工安全性。劉欣等［7］分析了高濕熱環(huán)境下主梁及高墩的施工監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，提出高濕熱環(huán)境下預(yù)應(yīng)力張拉齡期超過10 d、同跨對稱點(diǎn)高差的允許偏差為±15 mm等監(jiān)控指標(biāo)，可為同類橋梁的施工建設(shè)提供參考?？镦?zhèn)［8］在對Y型墩進(jìn)行綜合闡述的基礎(chǔ)上，分析了Y型墩混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控的原理，介紹了施工監(jiān)控的主要內(nèi)容和注意事項(xiàng)，并對關(guān)鍵技術(shù)做出了科學(xué)分析。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工技術(shù)及線形監(jiān)控研究已相對完善，但體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)剛構(gòu)橋的監(jiān)控研究相對較少。因此，本文以某連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固施工為背景，在施工過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并結(jié)合有限元軟件對施工過程進(jìn)行建模分析，通過自適應(yīng)控制法對橋梁線形、應(yīng)力及索力進(jìn)行預(yù)測和調(diào)整，最終保證橋梁成橋線形及應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況

某大跨矮墩連續(xù)剛構(gòu)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(hù)欄+11 m行車道+0.5 m防撞護(hù)欄。上部結(jié)構(gòu)主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)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(jié)構(gòu)主墩采用雙薄壁墩，薄壁橫向和縱向?qū)挾确謩e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(tái)采用肋板式橋臺(tái)；樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。由于該橋箱梁局部出現(xiàn)輕微病害，為保證橋梁運(yùn)營的安全性，計(jì)劃采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固：在邊跨各張拉6束預(yù)應(yīng)力鋼束，中跨張拉8束預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉控制應(yīng)力為930 MPa，均為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的50%。該連續(xù)剛構(gòu)橋總體布置如圖1所示。

2 施工監(jiān)控方案

為保證體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)剛構(gòu)橋的最終效果達(dá)到理想狀態(tài)，針對體外預(yù)應(yīng)力加固施工過程中的主梁線形、主梁應(yīng)力及體外索索力進(jìn)行監(jiān)控，具體監(jiān)控方案設(shè)計(jì)如下：

（1）主梁線形、應(yīng)力監(jiān)控：根據(jù)該橋體外預(yù)應(yīng)力加固的特點(diǎn)，分別采用精密水準(zhǔn)儀和智能弦式數(shù)碼應(yīng)變器監(jiān)測橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固前后的主梁關(guān)鍵截面的撓度和應(yīng)力變化情況，以判斷主梁線形、應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求。監(jiān)測斷面選擇左橋臺(tái)、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(tái)，共計(jì)9個(gè)斷面。線形監(jiān)測在每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)線形測點(diǎn)；應(yīng)力監(jiān)測在每個(gè)斷面設(shè)置2個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)測點(diǎn)。具體斷面測點(diǎn)布置如圖2所示。

（2）體外索索力監(jiān)測：在進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中，采用智能弦式數(shù)碼壓力計(jì)以監(jiān)測加固前后橋梁體外預(yù)應(yīng)力鋼束的索力值變化情況，判斷其張拉力是否滿足施工設(shè)計(jì)要求。監(jiān)測位置在邊、中跨各選擇2束體外預(yù)應(yīng)力鋼束，1#墩、2#墩各選擇1束體外預(yù)應(yīng)力鋼束，測點(diǎn)均布置在鋼束的錨固端位置。全橋共計(jì)8個(gè)測點(diǎn)，具體測點(diǎn)布置如圖3所示。

3 有限元模型

為了方便對該橋體外預(yù)應(yīng)力加固的各施工階段進(jìn)行監(jiān)控，采用有限元軟件Midas Civil對連續(xù)剛構(gòu)橋各施工階段進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了主梁在不同施工階段的撓度和應(yīng)力變化情況。全橋共劃分為312個(gè)單元和337個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(cè)橋臺(tái)設(shè)置豎向支撐，箱梁內(nèi)采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。主梁、橋墩、錨固塊及轉(zhuǎn)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(yù)應(yīng)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(jì)算荷載主要考慮結(jié)構(gòu)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(gè)施工階段，以實(shí)際掛籃懸臂澆筑和主要加固施工過程為依據(jù)。其有限元模型如圖4所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 線形監(jiān)測分析

對主梁線形測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后，得出施工階段和成橋階段的主梁各關(guān)鍵截面撓度實(shí)測值，并與有限元軟件計(jì)算得出的撓度理論值進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在體外預(yù)應(yīng)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(guān)鍵截面撓度理論值與實(shí)測值的誤差為-0.2～2.22 mm，整體偏差不大。在體外預(yù)應(yīng)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(guān)鍵截面撓度理論值與實(shí)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(yù)應(yīng)力加固施工會(huì)對連續(xù)剛構(gòu)橋主梁邊、中跨撓度產(chǎn)生影響，但最終成橋后，主梁撓度實(shí)測值與理論值的最大誤差≤5 mm，說明該橋線形監(jiān)控效果良好，滿足施工設(shè)計(jì)要求。

4.2 應(yīng)力監(jiān)測分析

對主梁應(yīng)力測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到施工階段和成橋階段的主梁各關(guān)鍵截面應(yīng)力實(shí)測值，并與有限元軟件計(jì)算得出的應(yīng)力理論值進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表2、表3所示。

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

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

4.3 索力監(jiān)測分析

通過對預(yù)應(yīng)力鋼束測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到施工階段和成橋階段的體外預(yù)應(yīng)力索索力實(shí)測值，并與有限元軟件計(jì)算得出的索力理論值進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在體外預(yù)應(yīng)力加固施工階段，邊跨預(yù)應(yīng)力索索力的理論值與實(shí)測值最大誤差為67 kN，中跨預(yù)應(yīng)力索索力的理論值與實(shí)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(yù)應(yīng)力加固施工完成后，邊跨預(yù)應(yīng)力索索力的理論值與實(shí)測值最大誤差為66 kN，中跨預(yù)應(yīng)力索索力的理論值與實(shí)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(yù)應(yīng)力索索力的實(shí)測值與理論值基本吻合，成橋后預(yù)應(yīng)力索索力的最大誤差≤5%，說明該橋索力監(jiān)控效果良好，滿足施工設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文對體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中的主梁撓度、應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼束索力進(jìn)行了監(jiān)測和分析，并針對監(jiān)測實(shí)測值和理論計(jì)算值進(jìn)行對比分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）在施工階段主梁撓度的理論值與實(shí)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(shí)測值的最大誤差為3.1 mm。最大誤差均≤5 mm，橋梁線形監(jiān)控效果良好，滿足施工設(shè)計(jì)要求。

（2）主梁上、下緣應(yīng)力在施工階段的實(shí)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(nèi)，最大誤差≤1 MPa，有效保證了橋梁結(jié)構(gòu)的受力處于安全狀態(tài)。

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

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收稿日期：2022-09-26