劉勝華

(浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司 杭州市 310051)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，橋梁建設(shè)正邁入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，其中大跨度橋梁以受力合理、行車(chē)平順以及結(jié)構(gòu)較好等特有的優(yōu)點(diǎn)，得到較快發(fā)展，比如南京長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋等具有世界級(jí)水平的大橋。自從上個(gè)世紀(jì)六十年代以來(lái)，由于混凝土技術(shù)得到快速發(fā)展，橋梁施工技術(shù)隨之也得到較快發(fā)展，所以大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋得到廣泛地應(yīng)用，據(jù)相關(guān)資料顯示，截止目前，在已經(jīng)建成的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋中，大部分橋梁由于各種原因，比如設(shè)計(jì)、施工以及技術(shù)等，導(dǎo)致橋梁事故不斷發(fā)生[1]。所以應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)橋梁使用狀況進(jìn)行檢測(cè)，而橋梁撓度變形是對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行檢測(cè)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)之一。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)是對(duì)橋梁撓度變形趨勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)的重要措施[2]。楊斌,陳闖[3]等認(rèn)為混凝土超重和橋面鋪裝施工誤差導(dǎo)致的自重增加均可引起橋梁跨中長(zhǎng)期撓度增加，徐變系數(shù)、環(huán)境相對(duì)濕度的變化、預(yù)應(yīng)力損失等因素對(duì)橋梁跨中長(zhǎng)期下?lián)嫌绊戯@著；梁體剛度降低跨中長(zhǎng)期撓度增加較多，且早期剛度的降低對(duì)橋梁跨中撓度增加影響較大。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果，以便于能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁出現(xiàn)異常情況，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，從而預(yù)防橋梁事故的發(fā)生，同時(shí)還能為橋梁管理部門(mén)提供決策依據(jù)。

1 工程實(shí)例

某跨江特大橋是屬于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連梁橋，其主橋?yàn)?0m+3×165m+90m，5跨變截面連續(xù)箱梁橋，主要處于半徑為160m的豎曲線上，橋面寬度為32m，此箱梁主要由兩個(gè)單箱單室箱形截面構(gòu)成。箱梁根部梁高度、頂板、底板分別為8.8m、15.4m、7.5m，其跨中梁高度為3m，翼緣板懸臂長(zhǎng)度為4m，箱梁高從距墩中心3m位置到跨中依照2次拋物線變化。此橋已經(jīng)完工正常通車(chē)近10年，此橋相關(guān)管理部門(mén)為了掌握此橋撓度變形情況，對(duì)此變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)。

2 撓度變形監(jiān)測(cè)措施與精準(zhǔn)度

2.1 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的設(shè)置

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)屬于橋梁撓度變形監(jiān)測(cè)參考系統(tǒng)，其主要構(gòu)成部分分別是基點(diǎn)與工作基點(diǎn)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)成符合水準(zhǔn)路線，在橋梁的兩端均設(shè)置了，能夠依據(jù)橋墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件進(jìn)行觀測(cè)周期確定的基準(zhǔn)網(wǎng)，該基準(zhǔn)網(wǎng)運(yùn)用了國(guó)家二等標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求進(jìn)行施測(cè)。每次監(jiān)測(cè)時(shí)都應(yīng)該對(duì)控制點(diǎn)有沒(méi)有受人為破壞與沉降影響進(jìn)行相關(guān)方面檢查，從而使得撓度變形監(jiān)測(cè)結(jié)論的準(zhǔn)確性與真實(shí)性得到保障[4]。

2.2 檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置

此橋梁撓度變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿著全橋布設(shè)，每隔40m鋪設(shè)一點(diǎn)，上下游分別設(shè)置點(diǎn)，在橋梁結(jié)構(gòu)的主要控制部分設(shè)置，比如各跨跨中、1/4與1/2斷面之處。點(diǎn)位在取得許可的狀況下盡可能與箱梁中間靠近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)用鋼釘做的永久測(cè)量標(biāo)志，而且在四周做好了標(biāo)記，全橋上下游分別設(shè)置了58個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其詳見(jiàn)圖1。

圖1 某跨江特大橋橋面撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2.3 觀測(cè)措施和相關(guān)要求

某跨江特大橋，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連梁橋撓度變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)與橋梁側(cè)的基點(diǎn)組合成為閉合水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)路線，其標(biāo)準(zhǔn)精準(zhǔn)使用每千米上下誤差為0.3mm的水準(zhǔn)儀。橋梁通行剛開(kāi)始時(shí)，每3個(gè)月要觀察4次，3年之后,每隔半年觀察1次。

在變形觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)該要符合以下幾點(diǎn)[5]:

(1)監(jiān)測(cè)是依照國(guó)家2等水準(zhǔn)測(cè)量相關(guān)要求進(jìn)行測(cè)量；

(2)水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)之間的站數(shù)應(yīng)該控制在偶數(shù)站；

(3)基輔分劃所測(cè)量高度差應(yīng)該不能超過(guò)0.3mm，倘若誤差超過(guò)此范圍,應(yīng)進(jìn)行重新測(cè)量；

(5)為了使觀測(cè)受車(chē)輛的影響變小，使橋梁撓度觀測(cè)結(jié)果的可靠性得到提升，對(duì)撓度觀測(cè)時(shí)間要求很高，一定要早上的5點(diǎn)至8點(diǎn)之間進(jìn)行觀測(cè)，其余時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)均會(huì)容易導(dǎo)致誤差變大。

2.4 監(jiān)測(cè)撓度變形的精準(zhǔn)度

在此橋的撓度變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中使用國(guó)家2等水準(zhǔn)測(cè)量的精度與觀測(cè)措施對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，下面對(duì)此種精準(zhǔn)度等級(jí)的橋梁撓度變形監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度進(jìn)行詳細(xì)論述。

(1)

(2)

那么j點(diǎn)與K點(diǎn)之間差別沉降量中出現(xiàn)的誤差:

(3)

假設(shè)對(duì)每期進(jìn)行觀測(cè)時(shí),它們的外界環(huán)境是一樣的,所以

(MHi)k=(MHi-1)k=(MHi)j=(MHi-1)j=MH

(4)

那么(MΔHjk)2=4(MH)2,也就是(MΔHjk)=2MH

3 撓度觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與相關(guān)的撓度分析

3.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

撓度變形監(jiān)測(cè)每期觀測(cè)之后，第一就是依據(jù)相關(guān)原理(即最小二乘原理與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)原理)對(duì)控制網(wǎng)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行平差，對(duì)這種基準(zhǔn)點(diǎn)高程進(jìn)行計(jì)算，之后運(yùn)用限差檢驗(yàn)法以雙倍中誤差作為極限誤差再對(duì)不穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行尋找，如果存在動(dòng)點(diǎn)，那么修正高程。最終以橋梁上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與橋梁兩側(cè)的墩臺(tái)上工作基點(diǎn)組成閉合水準(zhǔn)路線進(jìn)行計(jì)算各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程[6]。有相當(dāng)部分在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，依照前文分述的方法進(jìn)行處理之后，再對(duì)兩曲線圖進(jìn)行繪制(即高程變化與主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降過(guò)程),詳見(jiàn)圖2與圖3。

圖2 某跨江特大橋下游幅路面高程變化示意圖

圖3 某跨江特大橋主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量過(guò)程示意圖

3.2 相關(guān)撓度分析

如圖2高程表化示意圖可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程均發(fā)生了變化，其沉降曲線也具有逐步降低趨勢(shì)，說(shuō)明該橋撓度依然存在；當(dāng)從整個(gè)曲線示意圖來(lái)看，前期表化較大，后期變化較?。贿€有在各跨跨中均產(chǎn)生了較為突出的沉降槽，邊跨跨中出現(xiàn)向上的變化趨勢(shì)，中跨與邊跨則出現(xiàn)向下變化趨勢(shì)；其撓度變形值大小依次為次跨跨中最大，中跨跨中次之，邊跨最小。如圖3沉降量過(guò)程示意圖可知：在橋梁通行之初的撓度較小，隨著通行時(shí)間增長(zhǎng)，則撓度就會(huì)出現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)。其撓度變化值大小依次為：跨中點(diǎn)撓度變化量最大，次跨點(diǎn)變化量次之，邊跨點(diǎn)的變化量最小。

4 橋梁撓度變形預(yù)測(cè)分析

4.1 影響橋梁撓度變形原因分析

(1)混凝土的收縮與徐變

通過(guò)相關(guān)研究表明，混凝土的收縮與徐變是因?yàn)樗艿胶奢d作用，而隨著時(shí)間不停地變化而進(jìn)行的一種非彈性變形，在長(zhǎng)期外界荷載作用之下，體內(nèi)膠體因?yàn)槊撍s小產(chǎn)生徐變變形?；炷两Y(jié)構(gòu)的徐變變形主要是由于結(jié)構(gòu)自身重量與預(yù)應(yīng)力而引起的[7]。

(2)預(yù)應(yīng)力的張拉與損失

預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的變形重點(diǎn)由兩部分構(gòu)成:一部分是預(yù)加力所形成的反撓度；另一部分則是由荷載而形成的撓度。此兩部分撓度能夠相互抵消一部分，從而使得橋梁結(jié)構(gòu)的總撓度變小。但是隨著預(yù)應(yīng)力的損失，預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的反撓度變小，從而使得橋梁結(jié)構(gòu)的整體撓度還會(huì)有一定程度上增大。

(3)溫度變化

由于橋梁上的混凝土露天在外，因此長(zhǎng)期受溫度變化影響較大，再加上它的熱傳導(dǎo)性不強(qiáng)，從而使得橋梁產(chǎn)生較大的溫度差，容易形成較大的溫度應(yīng)力，這對(duì)于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋而言，隨著跨徑的增加，它的橫截面也隨之增大，從而導(dǎo)致溫度效應(yīng)對(duì)撓度變形影響也更加明顯[5]。

4.2 橋梁撓度預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

采用MIDAS /Civil軟件對(duì)某跨江特大橋進(jìn)行構(gòu)建模型，利用模型對(duì)本橋梁工作環(huán)境與通行情況進(jìn)行模擬，所模擬分析與橋梁實(shí)際情況比較接近，可信程度高。在構(gòu)建模型時(shí)，依照相關(guān)軟件要求，再把對(duì)混凝土產(chǎn)生影響的相關(guān)因子輸入軟件，比如收縮、溫度以及動(dòng)載等。最終把橋梁簡(jiǎn)化成為平面結(jié)構(gòu)，各施工節(jié)段離散單元，在這些單元之中，橋面單元數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、施工節(jié)段總數(shù)以及預(yù)應(yīng)力索數(shù)分別為206、207、56、21。它的成橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.3 觀測(cè)結(jié)論分析

通過(guò)對(duì)前文模型進(jìn)行求解，得到某跨江特大橋是屬于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連梁橋在不同階段的撓度變化曲線示意圖，詳見(jiàn)圖5，其中Y軸放大了1000倍。

圖5 某跨江特大橋撓度變形預(yù)測(cè)值示意圖

此外，還對(duì)橋梁通行2年、5年與8年不同年齡段的撓度變化實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，具體變化狀態(tài),詳見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 某跨江特大橋通行2年后實(shí)測(cè)撓度值與預(yù)測(cè)的撓度值比較

圖7 某跨江特大橋通行5年后實(shí)測(cè)撓度值與預(yù)測(cè)的撓度值比較

圖8 某跨江特大橋通行8年后實(shí)測(cè)撓度值與預(yù)測(cè)的撓度值比較

如圖6～圖8可知，某跨江特大橋整個(gè)橋梁的實(shí)測(cè)撓度與預(yù)測(cè)撓度變化狀況基本相符，撓度變化與橋梁變形規(guī)律一致，橋梁通行的時(shí)間越久，則實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值就更加接近，圖中預(yù)測(cè)撓度值比實(shí)際測(cè)量撓度值稍大，這是實(shí)測(cè)值在橋梁結(jié)構(gòu)本身可接受撓度變化范疇之內(nèi)。所以，從以上分析可以判斷，其跨江特大橋完全處于健康狀態(tài)。

4.4 橋梁撓度變形預(yù)測(cè)分析

根據(jù)上述圖2所示，監(jiān)測(cè)中有以下幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變化曲線幅度較大，分別是D22、D24,因此重點(diǎn)對(duì)這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化狀況加強(qiáng)預(yù)測(cè)。運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論對(duì)其加強(qiáng)預(yù)測(cè)，灰色系統(tǒng)理論是將介于完全明確與完全不明確之間的信息不完全系統(tǒng)。黑色系統(tǒng)與白色系統(tǒng)分別是封閉式與開(kāi)放式系統(tǒng)，而灰色系統(tǒng)是介于半開(kāi)放與半封閉狀態(tài)下的系統(tǒng)。灰色系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的處理形式為了尋覓數(shù)據(jù)之間規(guī)律，所索要的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)源不是很大，不是為了尋找計(jì)算數(shù)據(jù)概率分布與統(tǒng)計(jì)規(guī)律。運(yùn)用模型原理把最近一期觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用到灰色系統(tǒng)本值中，再對(duì)其它相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)橋梁撓度的影響進(jìn)行全方面考慮，同時(shí)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色理論擬合，再對(duì)相關(guān)預(yù)測(cè)結(jié)論進(jìn)行評(píng)估，它的精準(zhǔn)度結(jié)論達(dá)到要求，就可以對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橋梁沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，構(gòu)建灰色理論模型就具有一定現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所構(gòu)建灰色模型進(jìn)行求解，最后得到橋梁撓度變形各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期的撓度變化預(yù)測(cè)值，如圖9～圖10所示，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相互比較。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)D22兩測(cè)值(實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值)比較示意圖

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)D24兩測(cè)值(實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值)比較示意圖

從圖9～圖10得知，通過(guò)灰色模型求得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的兩測(cè)值很接近，即實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值，其曲線吻合狀態(tài)頗佳，這就充分地體現(xiàn)了采用灰色模型對(duì)撓度變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠取得較佳的預(yù)測(cè)效果，從整體而言，其預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度非常高，具有很強(qiáng)的可信度，此外也說(shuō)明了此預(yù)測(cè)方法能夠滿足橋梁撓度變形實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)基本要求。

5 結(jié)論

以某大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋撓度監(jiān)測(cè)作為依托工程，通過(guò)以上分析，得到結(jié)論:

(1)以某跨江特大橋撓度變形監(jiān)測(cè)作為案例，得出精準(zhǔn)水準(zhǔn)觀測(cè)法很適合應(yīng)用于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋撓度變化觀測(cè)。采用繪制監(jiān)測(cè)點(diǎn)(本文繪制沉降過(guò)程與高程變化量大測(cè)點(diǎn))，能夠很直觀地看出橋梁撓度變化的特點(diǎn)與規(guī)律。

(2)通過(guò)某跨江特大橋撓度變形的預(yù)測(cè)，能夠?qū)Υ藰蚪】禒顟B(tài)進(jìn)行判別，以后類似該橋梁提供采用此預(yù)測(cè)的方法對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行判斷。

(3)利用改進(jìn)的灰色模型對(duì)工程監(jiān)測(cè)位置實(shí)行預(yù)測(cè)，分別了解到監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)段的撓度預(yù)測(cè)值，產(chǎn)生良好的預(yù)測(cè)效果，該預(yù)測(cè)方法可符合梁撓度變形實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。