橋梁應力監測與控制研究

姜鵬

摘要：本文分析了望東長江公路大橋江內引橋采用移動模架施工，雖然國內有類似的跨度甚至超過該跨徑的橋梁采用該施工工藝，但鑒于本橋主梁施工重量在國內也是較大的，所以該橋施工過程控制尤其重要。該文主要利用結構分析軟件，從應力監測與控制方面介紹橋梁施工過程中的控制方法及監測目的，闡述了橋梁施工監控的基本內容和誤差處理以及在實際工程中的應用。

關鍵詞：等截面箱梁；移動模架施工；應力監測；控制研究

中圖分類號： TU997 文獻標識碼： A

引言

在當今的橋梁監測中的各種應力傳感器，其原理基本上都是利用傳感器與所在點梁體的一致性物理伸長或縮短的這種變化來感應梁體內的應力的。而梁體的伸長或縮短并不一定是梁體內應力的增加或減少引起的。這就是當今橋梁監測中應力監測的困難所在了。橋梁結構成橋內力、線形與施工方法及過程緊密相關，必須保證對橋梁結構的整個過程進行嚴密監控。

一、工程概述

望東長江公路大橋江內引橋全長715m，下部結構采用根式沉井基礎，上部采用單箱單室預應力混凝土現澆箱梁（圖1）。

圖1引橋箱梁標準斷面圖

橋梁上部采用(4×55m)+(4×55m)+(5×55m)預應力混凝土等截面箱梁，中心梁高3.2m，頂板寬16.0m，底板寬8.0m，翼緣懸臂長4.0m。頂板標準厚30cm，底板標準厚30cm，腹板標準厚50cm。

二、施工方案

該大橋上部施工，用目前國內外先進的移動模架施工工藝，整個箱梁分段澆筑，澆筑施工過程全部在移動模架上完成。

混凝土施工工藝：立模、綁扎鋼筋→澆筑混凝土、張拉預應力→模架遷移、立模板、綁扎鋼筋準備澆筑下一孔→澆筑混凝土、張拉預應力。

三、施工應力監控方案

1、應力測點布設

選取各跨在施工和成橋階段內力均較大的控制截面進行應力測試，對于四跨一聯箱梁和五跨一聯箱梁分別選取1/4L截面、1/2L截面、3/4L截面和中支點截面共17個控制截面，如圖2所示。

圖2應力測點布設截面

各控制斷面應力測點布設如圖３所示，全橋3聯共布設189個測點(含補償應變計)：

圖3應力測點橫向布置圖

2、監測工況

在每一個施工階段中，根據相關關鍵工序確定應力監測工況：①混凝土澆注后。②預應力張拉后。③模架前移到位。④本聯后續跨施工完成后。⑤每隔一段時間定期測量，間隔時間視實際工程進度而定。

3、應力測試方法

3.1 應力傳感器選擇與埋設。在整個監測監控期間，借鑒同類混凝土橋梁施工監控的經驗，選用內埋式鋼弦應變傳感器。鋼弦式內埋應變傳感器量程大、精度高、非線性范圍大、以及零漂、溫漂范圍微小，對測量精度基本無影響，且自身防護破損的能力好，便于長期觀測，是混凝土應變測量較理想的傳感元件。

為保證埋設的鋼弦應變計有較高的成活率和測量精度，需對埋設的應變計進行特殊處理和多項檢查。首先，為防止外界電磁場干擾，全部采用多股銅芯屏蔽線；其次，由于監測監控屬于長時間穩定性測量，且連接線較長，對連接線采用平行釬焊，在接頭處用絕緣膠布反復包扎，再用７０３乳膠進行密封，然后用萬用電表測量有無斷路，檢查引線與被測構件有無短路。在操作中盡可能準確地使鋼弦應變計與縱向應力方向保持一致。為防止混凝土澆筑過程中傳感器的竄位和角度改變，埋設時用扎絲將傳感器牢牢捆扎在鋼筋上。

3.2 測試應力誤差分析?；炷两Y構的應力是通過應變測量獲得的，即

σＴ＝Ｅ×εｔ

其中，σＴ為載荷作用下混凝土結構的彈性應力；Ｅ為混凝土彈性模量；εｔ載荷作用下混凝土結構的彈性應變。

混凝土的應變可分為受力應變和非受力應變，在實測的應變中，它們是混雜在一起的。根據CEB-FIP(1990)標準規范，在時刻τ承受單軸向、不變應力σ（ｔ）的混凝土構件，在時刻ｔ測量總應變ε（ｔ）可分解為

ε（ｔ）＝εｉ（τ）＋εＣ（ｔ）＋εＳ（ｔ）＋εＴ（ｔ）＋εｍ

其中，ε（ｔ）表示時刻ｔ測量總應變；εｉ（τ）表示加載時初應變；εＣ（ｔ）表示時刻ｔ＞τ時的徐變應變；εＳ（ｔ）表示收縮應變；εＴ（ｔ）表示溫度應變；εｍ表示系統應變誤差。

由于在設計參數取值、施工方案比選、測量儀器的精度、結構力學模型等存在一定誤差，橋梁結構的實際狀況與理論狀況相比較，往往都存在著一定的差異。因此，通過理論分析、誤差分析等手段，確保測試結果盡可能地接近于結構實際狀態，才能較準確地掌握結構的真實受力狀態。結合混凝土材料的特殊性，可以得出測量應力的誤差，主要來源于混凝土的實際彈性模量的測量和混凝土的收縮應力與徐變應力的計算。

四、施工監控仿真分析

采用移動模架對大跨預應力混凝土連續箱梁進行逐跨現澆方法施工，從施工到成橋過程中，結構受力體系要發生一系列的變化，最終才能形成多跨連續梁。這些體系轉換，勢必引起結構內力和線形的不斷變化，而各施工階段的受力狀態既相互影響又相互獨立，其最終結構的受力和幾何線形是由逐工況、逐階段累計形成。因此，必須建立精細化分析模型，進行各施工階段不同工況下的數值模擬，以掌握理論規律。

根據實際施工采用的工序，通過結構分析軟件來模擬真實施工步驟，按照結構設計所提供的基本設計參數，采用MIDAS/Civil對結構進行正裝與倒裝分析。仿真分析的主要內容包括3方面：結構變形分析、控制截面結構應變應力及內力計算與結構預拱度計算分析三個方面。

4.1 4×55m連續箱梁計算模型

采用MIDAS/Civil空間有限元計算程序，建立包含移動模架的箱梁模型，共設119個節點、113個梁單元，成橋時有限元模型如圖4所示。

圖4分析計算模型1

4.2 5×55m連續箱梁計算模型

采用MIDSA/Civil空間有限元計算程序，建立包含移動模架的箱梁模型，共設146個節點、140個梁單元，成橋時有限元模型如圖5所示。

圖5分析計算模型2

五、應力監測結果

5.1 監測結果

表1列出了5×55m梁段在混凝土澆筑、鋼束張拉、模架落架等階段的應力實測值，并與理論值進行了對比（表中實測值為該截面頂板或底板傳感器的平均值）。

表1（5×55m）主梁應力監測結果（ＭＰａ）

5.2 監測結果分析

5.2.1 由于箱梁澆筑體積較大、梁體較高，實際施工澆筑過程中模板有變形情況，主要集中在墩頂左、右加厚段，即實際施工成橋墩頂左、右截面大于理論設計，因此結構剛度較理論采用值大。

5.2.2 施工單位在預應力張拉過程中，引伸量實際測量往往大于理論計算值，因此實際孔道摩擦系數可能小于理論計算選用參數。

5.2.3 理論計算時，墩頂僅僅按照單支點模擬，實際負彎矩有一定的彎矩折減。

5.2.4 混凝土實際彈模及收縮徐變和檢測分析采用值之間的誤差。

由于偏差均維持在±10%以內，且跨內頂緣壓應力偏小，底緣壓應力偏大，墩頂截面頂緣壓應力偏大，底緣壓應力偏小，這正好與成橋運營階段受力相反，對運營階段受力有利，因此，無需對原有設計及施工進行修正處理。

結束語

綜上所述，由該大橋的應力監控結果可知，各控制截面受力狀態均和理論計算值較為接近，雖然有所誤差，但誤差在可控范圍之內，且偏于安全，因此可驗證理論計算基本和實際結構受力一致，橋梁結構安全，受力合理。通過對該橋的應力監測，對于同類橋梁給出以下建議：①在設計時可適當考慮墩頂消峰的作用。②應同時對孔道摩阻系數等參數，按照規范上下限值分別計算，防止部分構件部位實際壓應力出現超標現象。③施工過程中應注意保證模板等足夠的剛度，防止澆筑過程出現跑模等導致截面尺寸和設計不符，而導致應力異常的情況出現。此外，通過對橋梁施工線形監測和應力檢測，可以為整個工程在施工過程中出現的技術問題以及安全等問題提供預判和分析，為工程的圓滿完成奠定了良好的基礎。

參考文獻：

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