李建波

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市 201900）

連續(xù)箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力施工模擬與監(jiān)控

李建波

（上海同豐工程咨詢有限公司，上海市 201900）

大跨度結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)與分析是施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合連續(xù)箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固實(shí)例，探討了體外預(yù)應(yīng)力的施工監(jiān)控內(nèi)容與仿真分析方法。以預(yù)應(yīng)力筋的索力，應(yīng)變測(cè)試和橋面變形監(jiān)控為主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容，通過(guò)有限元軟件M IDAS對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程進(jìn)行模擬分析。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析理論值較好吻合。該工作和研究成果是連續(xù)梁橋體外預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中一項(xiàng)重要的安全指標(biāo)，同時(shí)為以后相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定參考價(jià)值。

連續(xù)箱梁；體外預(yù)應(yīng)力；施工監(jiān)測(cè)；M IDAS

0　引言

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)由于具有施工方便、預(yù)應(yīng)力損傷小，施工工期短以及耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于舊橋的加固工程中。據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐證明，利用體外預(yù)應(yīng)力加固舊橋，能顯著提高結(jié)構(gòu)承載力和抗裂度，并有效改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)［1］。因此隨著高強(qiáng)混凝土技術(shù)和施工工藝的發(fā)展，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用將是現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力施工中的主要趨勢(shì)之一［2-4］。

在體外預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中，為了保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性，常常對(duì)施工進(jìn)行全過(guò)程的實(shí)測(cè)監(jiān)控，以避免施工應(yīng)力和線形失控帶來(lái)安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。且對(duì)施工過(guò)程中每個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)的變形計(jì)算和受力分析，也是橋梁施工監(jiān)測(cè)控制最基本的內(nèi)容之一［5，6］。本文主要結(jié)合某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋工程實(shí)例，論述分析連續(xù)箱梁體外預(yù)應(yīng)力的施工監(jiān)測(cè)與施工模擬，使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的加固設(shè)計(jì)要求，提高橋梁加固質(zhì)量和科學(xué)技術(shù)水平。

1　工程概況

主線橋?yàn)橐蛔媳弊呦虻?4跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，共由14聯(lián)組成，跨徑組合由北向南依次為3×25 m+3×25 m+3×25 m+3×30 m+4× 25 m+3×25 m+3×25 m+3×25 m+3×25 m+3× 25 m+4×31 m+3×25 m+3×25 m+3×25 m，橋梁全長(zhǎng)為1 139.68 m。主線橋標(biāo)準(zhǔn)跨橋面寬為9.5 m，橋?qū)挷贾脼椋?.5 m防撞護(hù)欄+8.5 m通行凈寬+0.5 m防撞護(hù)欄，橋面采用厚為0.10 m的鋼筋混凝土鋪裝，表面加罩厚0.05 m的瀝青混凝土。本次監(jiān)控對(duì)象為左幅主線第15跨為四跨1聯(lián)（4×25 m）連續(xù)梁的第3跨。加固跨箱梁共有2個(gè)箱室，每個(gè)箱室各設(shè)置3束7As15.2 m m體外預(yù)應(yīng)力束，每跨箱梁共6束。在端橫隔梁位置設(shè)混凝土齒塊進(jìn)行張拉及錨固體外預(yù)應(yīng)力束，鋼束錨下張拉控制應(yīng)力為1 209 M Pa。

2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成

體外預(yù)應(yīng)力施工監(jiān)控是通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中箱梁的體外預(yù)應(yīng)力束索力、主要受力斷面結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力（應(yīng)變）的測(cè)試和測(cè)量，將實(shí)用的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)和分析技術(shù)應(yīng)用于施工，并結(jié)合實(shí)際施工過(guò)程形成結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、監(jiān)測(cè)及反饋控制一套完整的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力合理，結(jié)構(gòu)變形控制在允許范圍內(nèi)，并保證結(jié)構(gòu)在加固后線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)內(nèi)力狀態(tài)達(dá)到基本吻合。具體組成如下：

（1）索力測(cè)試系統(tǒng)

為了保證體外預(yù)應(yīng)力束索力監(jiān)控的順利實(shí)施，并保證足夠的精度和可操作性，經(jīng)過(guò)綜合比較，擬采用頻率法［7，8］對(duì)體外束的整個(gè)張拉過(guò)程進(jìn)行索力監(jiān)控，并輔以索的伸長(zhǎng)量進(jìn)行復(fù)核。

具體方法是預(yù)應(yīng)力束張拉完成后，讀取張拉千斤頂?shù)膹埨χ?，在此張拉力下現(xiàn)場(chǎng)采用INV-306U動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試預(yù)應(yīng)力束的自振頻率，進(jìn)而得到預(yù)應(yīng)力束的計(jì)算長(zhǎng)度。后續(xù)施工完成后，再實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力束頻率，并將此前計(jì)算的索的計(jì)算長(zhǎng)度代入公式便可準(zhǔn)確得到每根預(yù)應(yīng)力束的索力，索力計(jì)算公式為：

其中：fn為吊桿的第n階振動(dòng)頻率；n為振動(dòng)階次；L為索的計(jì)算長(zhǎng)度。

（2）應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)試系統(tǒng)

通過(guò)在預(yù)應(yīng)力筋上粘貼電阻應(yīng)變片以測(cè)試預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變。為完全跟蹤預(yù)應(yīng)力的張拉過(guò)程，在張拉每束預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，對(duì)控制截面關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此本工程采用東華DH 3817動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)以及基康鋼弦應(yīng)變計(jì)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。該動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀（及配套軟件）、應(yīng)變儀橋盒、計(jì)算機(jī)等，通過(guò)連續(xù)采樣測(cè)取預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化。

（3）橋面線形測(cè)量系統(tǒng)

橋梁變形是反映預(yù)應(yīng)力張拉效果的最主要參數(shù)。本工程采用精密水準(zhǔn)儀，徠卡TS30全站儀對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向位移進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控，以滿足橋梁預(yù)拱度設(shè)計(jì)要求。

2.2測(cè)點(diǎn)布置

（1）體外預(yù)應(yīng)力束索力監(jiān)控測(cè)點(diǎn)

在每個(gè)箱室每束預(yù)應(yīng)力筋上布置測(cè)點(diǎn)，具體體外預(yù)應(yīng)力束布置及索力監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。

圖1　體外預(yù)應(yīng)力束布置圖及索力監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)

（2）主梁變形監(jiān)控測(cè)點(diǎn)

主梁撓度監(jiān)控的控制斷面布置為：第14跨主梁L/4和L/2斷面，第15跨主梁端部、L/4、L/2、3L/4，第16跨L/4和L/2斷面，共計(jì)9個(gè)斷面，并在加固跨兩端支座處均架設(shè)1個(gè)位移計(jì)監(jiān)控支座壓縮量的變化，各個(gè)截面上擬布置三個(gè)控制測(cè)點(diǎn)，控制斷面具體位置示意見(jiàn)圖2，斷面測(cè)點(diǎn)位置及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控示意見(jiàn)圖3。

（3）主梁應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)控

圖2　主梁變形監(jiān)控?cái)嗝娌贾檬疽鈭D（單位：m）

圖3　主梁變形監(jiān)控?cái)嗝鏈y(cè)點(diǎn)布置及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控示意圖

主梁應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)控的控制斷面布置為：主梁第14跨L/2處，第15跨兩端齒塊、L/4、L/2、3L/4，第16跨L/2處斷面，共計(jì)7個(gè)斷面。箱梁測(cè)試截面上布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，加固聯(lián)應(yīng)力監(jiān)控測(cè)點(diǎn)共布置56個(gè)。測(cè)試斷面及監(jiān)控測(cè)點(diǎn)具體位置見(jiàn)圖4。

圖4　主梁應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)控?cái)嗝娌贾眉皽y(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：m）

3　施工模擬與結(jié)果分析

3.1建立模型

為了確保結(jié)構(gòu)的安全，使加固后各截面變形和內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，采用M i das Ci vi l建立該橋段的有限元梁格模型。并根據(jù)該橋的實(shí)際施工順序，將每次預(yù)應(yīng)力張拉均劃分為單獨(dú)的施工階段，共分為6個(gè)階段，依次為加固前，齒塊澆筑，對(duì)稱張拉第一組鋼束，對(duì)稱張拉第二組鋼束，對(duì)稱張拉第三組鋼束，完成加固后。最終建立的主橋模型見(jiàn)圖5。

圖5　有限元靜力分析模型

3.2模擬分析結(jié)果

對(duì)該橋左幅主線第5聯(lián)體外預(yù)應(yīng)力加固箱梁的各個(gè)施工階段進(jìn)行靜力分析，計(jì)算得到各施工階段理想的線形和內(nèi)力值及各個(gè)施工階段的理論預(yù)拱度值見(jiàn)表1和圖6，控制斷面應(yīng)力值見(jiàn)表2和圖7、圖8。

表1　各施工階段控制斷面理論預(yù)拱度　mm

圖6　加固施工后主梁線形變化（單位：mm）

圖7　加固施工后頂板應(yīng)力增量（單位：MPa）

圖8　加固施工后底板應(yīng)力增量（單位：MPa）

3.3對(duì)比分析

（1）體外預(yù)應(yīng)力束索力

體外預(yù)應(yīng)力束張拉完成后，預(yù)應(yīng)力束實(shí)測(cè)頻譜見(jiàn)圖9。

圖9　體外預(yù)應(yīng)力束實(shí)測(cè)頻譜圖（單位：Hz）

對(duì)比有限元分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果表明方法1伸長(zhǎng)量法實(shí)測(cè)索力與加固設(shè)計(jì)索力值偏差為0.17%～3.63%，方法2頻率法實(shí)測(cè)索力與加固設(shè)計(jì)索力值偏差為-3.29%～1.52%，兩種測(cè)試方法實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致且與加固設(shè)計(jì)索力值偏差均在5%以內(nèi)，表明左幅主線第5聯(lián)體外預(yù)應(yīng)力束張拉索力值滿足設(shè)計(jì)要求。具體結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表3和圖10。

表2　各施工階段控制斷面理論應(yīng)力增量MPa

表3　體外預(yù)應(yīng)力束測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析　kN

圖10　體外預(yù)應(yīng)力束張拉力對(duì)比分析圖（單位：kN）

（2）主梁變形

由表4和圖11可知，施工過(guò)程梁體的變化趨勢(shì)與理論計(jì)算相吻合，在第三組鋼束張拉完成后，加固跨箱梁跨中最大上拱值為1.0 m m，大于理論計(jì)算值0.802 m m，兩者偏差為0.192 m m；邊跨箱梁跨中變形最大下?lián)现禐?.533 m m，小于理論設(shè)計(jì)值0.645 m m，兩者偏差為0.112 m m，主梁控制斷面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果基本滿足加固設(shè)計(jì)要求。

表4　張拉后箱梁變形監(jiān)測(cè)結(jié)果　mm

圖11　張拉第三組鋼束后主梁變形對(duì)比分析圖（單位：mm）

（3）主梁應(yīng)力（應(yīng)變）

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)對(duì)比可得，預(yù)應(yīng)力張拉完成后箱梁頂板應(yīng)力（應(yīng)變）最大值略小于理論計(jì)算值，兩者偏差較小。表明箱梁底板和頂板混凝土應(yīng)變與理論計(jì)算應(yīng)變吻合較好，變化趨勢(shì)基本一致，且變化幅度較為接近。因此主梁控制斷面應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測(cè)結(jié)果基本滿足加固設(shè)計(jì)要求。具體監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5和圖12、圖13。

（4）跨中截面應(yīng)力增量

體外預(yù)應(yīng)束加固主要是要改變加固跨箱梁的應(yīng)力，提高主梁的抗裂能力及承載能力，加固后箱梁截面應(yīng)力增加量及加固設(shè)計(jì)值對(duì)比分析見(jiàn)表6。

表5　箱梁底板和頂板應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果　με

圖12　張拉鋼束后主梁頂板應(yīng)變對(duì)比分析圖（單位：με）

圖13　張拉鋼束后主梁底板應(yīng)變對(duì)比分析圖（單位：με）

表6　加固跨跨中截面應(yīng)力增加量　MPa

由表6可知加固跨箱梁經(jīng)體外預(yù)應(yīng)力加固后，箱梁的截面應(yīng)力狀態(tài)得到明顯改善，箱梁跨中截面頂板和底板的有效壓應(yīng)力增量與加固設(shè)計(jì)值基本一致，最大值僅差0.15 M Pa，表明體外預(yù)應(yīng)力加固效果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固施工全過(guò)程的跟蹤監(jiān)控，綜合分析各監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）以施工規(guī)定的各項(xiàng)數(shù)值為設(shè)計(jì)參數(shù)，采用M IDAS/Ci vi l2012對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程模擬，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變位合理，且與設(shè)計(jì)單位理論計(jì)算結(jié)果一致。

（2）根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力束索力控制測(cè)量結(jié)果，伸長(zhǎng)量法實(shí)測(cè)索力與加固設(shè)計(jì)索力值偏差為0.17% ～3.63%，頻率法實(shí)測(cè)索力與加固設(shè)計(jì)索力值偏差為-3.29%～1.52%。加固跨體外束索力誤差均在5%之內(nèi)。監(jiān)控結(jié)果表明加固跨體外預(yù)應(yīng)力束張拉索力值滿足加固設(shè)計(jì)要求。

（3）根據(jù)主梁變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，箱梁的變形趨勢(shì)與理論計(jì)算相吻合，加固完成后加固跨主梁跨中上拱值分別為1.233 m m和1.0 m m，均大于理論計(jì)算值0.891 m m和0.802 m m，兩者的偏差量均在0.35 m m之內(nèi)，基本滿足加固設(shè)計(jì)要求。

（4）根據(jù)主梁應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測(cè)結(jié)果，加固后箱梁頂板和底板的應(yīng)力（應(yīng)變）最大值均小于等于理論計(jì)算值，且實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論計(jì)算應(yīng)變吻合較好，變化趨勢(shì)基本一致，加固跨跨中截面應(yīng)力增加量基本滿足加固設(shè)計(jì)要求，加固跨箱梁的應(yīng)力狀態(tài)得到較好改善。

［1］康葉銘.體外預(yù)應(yīng)力加固機(jī)理及應(yīng)用［D］.江蘇南京:河海大學(xué)，2006.

［2］楊丹.體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)梁橋研究［D］.遼寧沈陽(yáng):沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2012.

［3］宋文鋒.連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)應(yīng)用研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2009.

［4］池春生.橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)［J］.吉林交通科技，2005（3）: 49-52.

［5］趙會(huì)強(qiáng).大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的探討［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2011（50:164-165，170.

［6］高延奎.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工控制［D］.陜西西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

［7］鄭燦.基于頻率法的索力測(cè)試方法及索的損傷研究［D］.浙江杭州:浙江大學(xué)，2008.

［8］曹洪.基于振動(dòng)頻率法的體外預(yù)應(yīng)力索力自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2013.

U445

B

1009-7716（2016）09-0181-05

2016-05-25

李建波（1982-），男，江蘇連云港人，工程師，從事橋梁檢測(cè)工作。