張正偉，袁俊英

(江蘇省交通工程集團有限公司，鎮(zhèn)江 212100)

橋梁中預應力混凝土梁的預應力損失主要由橋梁預應力磨損引起。預應力損失的估算取值是否合理，不僅會影響預應力混凝土構(gòu)件形態(tài)，還會影響結(jié)構(gòu)的耐久性和承載能力。此外，對預應力損失的估算不夠充分，使混凝土的實際壓應力儲備偏低，這是導致大跨度預應力混凝土連續(xù)箱梁中、下腹板開裂和發(fā)生中、下?lián)锨闹饕蛑籟1]。高速鐵路橋梁多采用預應力混凝土梁結(jié)構(gòu)，高速鐵路上行車速度快，對軌道平順度要求較高，若計算出的預應力磨損損失值不準確，會影響梁體后期徐變預測的準確性，導致軌道垂直平順度超出規(guī)范要求，不僅給后期維修帶來困難，也會影響行車安全。

橋梁預應力孔道磨損主要涉及預應力孔道磨損、拉孔磨損和錨口圈磨損。為了保證橋梁的運行穩(wěn)定性，須對橋梁預應力孔道磨損相關(guān)值進行計算，然而現(xiàn)階段所使用的磨損計算方法只停留在理論階段，未考慮孔道磨損的諸多實際影響因素，因此得出的磨損計算結(jié)果存在一定誤差。橋梁預應力孔道磨損誤差的存在，直接影響對橋梁預應力孔道當前狀態(tài)的判斷，判斷不準確會導致孔道磨損修復不及時，甚至影響其正常運行[2]。為解決橋梁預應力孔道磨損的計算誤差問題，本研究提出誤差預測方法，并參考預測結(jié)果對誤差進行補償處理，及時調(diào)整橋梁預應力孔道磨損量的計算精度，為橋梁的維修與養(yǎng)護工作提供更精準的數(shù)據(jù)支持。

目前使用較多的橋梁預應力孔道磨損誤差預測方法包含基于斯坦規(guī)則的預測方法、基于數(shù)據(jù)挖掘的預測方法以及基于特征值線性擬合的預測方法。然而傳統(tǒng)的磨損誤差預測方法在實際應用過程中，存在預測精度低、預測速度慢等問題，影響橋梁預應力孔道磨損的最終施工處理效果，為此引入光柵傳感技術(shù)。光柵傳感技術(shù)由光柵傳感器設(shè)備實現(xiàn)，該設(shè)備利用光柵的疊柵條紋原理對位移傳感器進行測量，可在一片長方形的光學玻璃上等間距進行密集平行刻線，刻線密度為10～100 mm/mm2。疊柵條紋具有光學放大效應和誤差平均效應，從而提高測量精度。通過應用光柵傳感技術(shù)對橋梁預應力孔道磨損誤差預測方法進行優(yōu)化設(shè)計，提升磨損誤差的預測精度和速度，間接保障橋梁的安全與穩(wěn)定。

1 橋梁預應力孔道磨損誤差預測方法設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計出的橋梁預應力孔道磨損誤差預測方法，可利用光柵傳感技術(shù)實時采集孔道的運行數(shù)據(jù)，并得出實際磨損量監(jiān)測結(jié)果[3]。利用理論估算的方法，得出橋梁預應力孔道的磨損量，通過監(jiān)測結(jié)果與估算磨損量結(jié)果的比對，得出橋梁預應力孔道磨損的誤差預測結(jié)果。

1.1 搭建橋梁預應力孔道有限元模型

橋梁預應力孔道結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析主要包含的內(nèi)容為建模、加載求解、模態(tài)擴展和結(jié)果觀測。在這些模型中，模態(tài)分析的建模主要是定義單元類型、單元實常數(shù)、材料性質(zhì)、幾何模型和有限元模型等。

隧道有限元模型采用SOLID65實體單元和LINK8索單元，其中SOLID65主要用于三維實體模型的計算，是針對同一尺度上不同拉壓能力的非均質(zhì)材料而開發(fā)的[4]。LINK8單元用于模擬普通鋼筋和預應力鋼筋。采用約束方程法對孔模型單元施加預應力，選擇力桿線上的所有節(jié)點，通過CEINTF命令自動生成約束方程，約束所有節(jié)點在X、Y、Z方向上的自由度。

為比較僅輸入加載段的節(jié)點位移與其相鄰節(jié)點位移的差異，提出一種新的結(jié)構(gòu)有限元分析方法，用于計算輸入段之間的節(jié)點位移。計算模型加載單個截面的位移，橋梁預應力孔道模型Y方向的應力云圖如圖1所示，可分析橋梁預應力孔道邊緣節(jié)點應力分布情況。

1.2 利用光柵傳感設(shè)備采集預應力數(shù)據(jù)

光纖光柵由于反射回的窄帶光的中心波長值會隨壓強和應變的變化而產(chǎn)生線性變化[5]，因此光柵傳感器是性能優(yōu)良的壓強和應變測量敏感元件。

在基于光柵傳感技術(shù)的橋梁預應力孔道磨損監(jiān)測工作中，主要應用到光柵傳感器的軸向應力特性和橫向應力特性[6]。在構(gòu)建的孔道有限元模型上設(shè)置測點，并安裝光柵傳感器設(shè)備，光柵傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當外部軸向應力作用于光柵時，由于機械特性的擴大，光柵周期發(fā)生變化。當橫向應力變化時，光柵的波長也會發(fā)生變化，變化規(guī)律與Pockel(普克爾)系數(shù)的具體取值有關(guān)，該系數(shù)由光柵傳感器中使用的材料決定[7]。在橋梁預應力孔道磨損的數(shù)據(jù)采集過程中，由于預應力的施加而引起的應變可以表示為

ε=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)-α×ΔT

(1)

式中，K為應變系數(shù)；B為溫度修正系數(shù)；λ1為應變光柵變化量；λ0為溫補光柵變化量；λt1為當前波長；λt0為初始波長；α為熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化量。式(1)最終的計算結(jié)果ε表示的是應變量，若橋梁預應力為拉力則ε為正數(shù)，預應力為壓力則ε為負數(shù)[8]。將光柵傳感設(shè)備安裝在指定位置，通過對光柵傳感器顯示數(shù)據(jù)的讀取，得到橋梁預應力以及孔道磨損量的數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果。

1.3 計算橋梁有效預應力

實際預應力值等于張拉控制應力減去預應力損失值后剩余的有效預應力值，即

σpe=σcon-σl

(2)

用預應力鋼筋錨固前張拉鋼筋千斤頂所顯示的拉力總量除以預應力鋼筋截面積得到張拉應力的數(shù)值σcon，可為施工時張拉預應力筋設(shè)置提供計算依據(jù)。張拉控制應力值在有限范圍內(nèi)設(shè)定到最大，這樣混凝土結(jié)構(gòu)可獲得較大的預壓應力值，從而提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能，充分利用鋼筋并減少鋼筋用量[9]。但張拉控制應力也有極限值，如果張拉控制應力過大，單個張拉鋼筋會超過極限值，并因承受不住張拉力而被拉斷。此外，過高的應力還會降低構(gòu)件的塑性，不利于構(gòu)件的縱向開裂，一般情況下σcon取值應小于鋼筋的比例極限。

1.4 估算橋梁預應力孔道磨損量

橋梁預應力孔道的磨損產(chǎn)生預應力損失，預應力孔道一般由直線和曲線兩部分組成。線形孔道無磨損，但由于施工過程中孔道制孔器是支撐在有一定間距的定位鋼筋上，制得的孔道不能完全順直，因此線形預應力筋在被拉時會與周圍材料發(fā)生摩擦造成磨損，一般稱該損失為孔道偏差對磨損的影響，其值較小，主要取決于預應力筋的長度、接觸材料間的磨損系數(shù)和孔道施工質(zhì)量等[10]。彎曲部分除受孔徑偏移影響外，還有因孔徑彎曲和拉伸時預應力筋對孔壁的徑向垂直擠壓所造成的磨損，一般稱為彎曲作用下的磨損，其值較大，且隨著預應力筋彎曲角度之和的增大而增大。在估算橋梁預應力孔道磨損量之前，首先須根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)確定磨損系數(shù)。根據(jù)預應力鋼筋長度方向上不同位置的試件，將預留的孔洞引至試件上，測試預應力鋼筋在長度方向上的應變變化，得出預應力鋼筋的孔道摩阻損失系數(shù)[11]?？紤]孔道摩擦損失后預應力筋任意位置處的實際預應力為

σx=σpee-(μθ+kx)

(3)

式中，θ為預應力筋曲線段孔道彎折夾角，將式(2)中的計算結(jié)果代入式(3)中，便可得出實際預應力的計算結(jié)果[12]。將式(3)作對數(shù)后有

(4)

式中，εx為計算截面處預應力筋；εcon為張拉端錨控制下的拉力應變[13]。設(shè)第i束預應力筋相距光柵傳感器測點的應變分別為εi1和εi2，取n束預應力筋進行測試，根據(jù)最小二乘法原理存在如下關(guān)系式:

(5)

測試的預應力孔道應由直線段和曲線段組成，直線段位置上的θi取值為0，可以得出k的具體取值。由各直線段測點的應變測試結(jié)果，可以求得孔道偏差系數(shù)[14]。通過選取直線段和曲線段組合，可得到孔道磨損系數(shù)μ，計算公式為

(6)

磨損量估算結(jié)果可以表示為

Wx=μ×σx

(7)

將式(5)和式(6)的計算結(jié)果代入式(7)，便可得出橋梁預應力孔道最終的磨損量估算結(jié)果。

1.5 實現(xiàn)橋梁預應力孔道磨損誤差預測

橋梁預應力孔道磨損誤差主要出自橋梁預應力孔道直線段部分的測算，將光柵傳感技術(shù)監(jiān)測采集的橋梁預應力孔道磨損數(shù)據(jù)記為W0，孔道磨損誤差可以表示為

φ=Wx-W0

(8)

將參數(shù)Wx的求解結(jié)果代入式(8)中，便可得出橋梁預應力孔道磨損誤差的最終預測結(jié)果[15]。

2 試驗與結(jié)果分析

以橋梁預應力孔道磨損誤差預測方法的預測性能為目的，設(shè)計對比試驗，試驗中的對比方法分別為傳統(tǒng)磨損誤差預測方法和文獻[8]中提出的基于Simulink反饋方法的磨損預測方法。除預測方法不同外，試驗過程中處理的橋梁預應力孔道樣本以及運行環(huán)境均相同，從而保證試驗變量的唯一性[16]。

2.1 橋梁工程概況

以某市已竣工的橋梁工程為研究背景，該工程施工環(huán)境平坦開闊，高程差較小。橋梁上部結(jié)構(gòu)為3×30 m+4×30 m+4×30 m+3×30 m+3×30 m 的預應力混凝土連續(xù)箱梁，頂板寬為12.5 m，底板寬為7.0 m。橋梁的預應力孔道摩擦系數(shù)為0.35，管道偏置系數(shù)為0.003 0 m-1。

2.2 準備試驗材料與加載設(shè)備

為最大程度降低試驗對橋梁工程產(chǎn)生的負面影響，應采用彈性模量較小的材料模擬橋梁預應力孔道結(jié)構(gòu)，在各階段可保障試驗模型的變形在彈性范圍內(nèi)。在分析多種材料的物理性質(zhì)后，采用聚氨酯橡膠材料模擬孔道結(jié)構(gòu)。為確保試驗數(shù)據(jù)采集順利，采用木材作為加載裝置，確定支架尺寸為660 mm×280 mm，并采用直徑為5 mm的鋼絲繩進行加載。加載時為保證接觸角的多重性，在加載支架上設(shè)置3對預留孔，使用墊板調(diào)整支架高度，在相同角度下通過控制左右兩個力矩的大小來調(diào)整繩索的張拉力。

2.3 設(shè)置預應力孔道參數(shù)

在橋梁工程中選擇頂板束孔道T2和腹板束孔道F2進行試驗，橋梁預應力孔道參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 橋梁預應力孔道參數(shù)設(shè)置

2.4 布設(shè)與安裝光柵傳感器

由于所設(shè)計的橋梁預應力孔道磨損誤差預測方法中應用了光柵傳感技術(shù)，須對該技術(shù)的運行環(huán)境系統(tǒng)進行安裝與配置。光柵傳感器的埋設(shè)方法與常規(guī)儀器基本相同，均采用鉆入法，一般采用Φ91或Φ108鉆具。儀表安裝前必須將傳感器充分浸濕于清水中，安裝時應保證傳感器的探頭與待測位置在同一直線上再將傳感器緩慢插入鉆孔，當達到設(shè)計高度時應使用解調(diào)器和便攜式計算機進行測量，以檢查傳感器是否正常運作，確認無誤后進行回填。在孔道T2與孔道F2各布設(shè)3個點的光柵傳感器，布設(shè)示意如圖3所示。

光柵傳感器安裝完成后，在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，得到傳感設(shè)備遠程運行界面。

2.5 試驗過程與結(jié)果分析

在橋梁工程的不同位置上，利用加載設(shè)備實現(xiàn)對預應力的控制，間接控制磨損量的產(chǎn)生，從而可設(shè)置磨損量的實際誤差。橋梁預應力孔道磨損誤差設(shè)置如表2所示。

表2 橋梁預應力孔道磨損誤差設(shè)置

運行光柵傳感器，測得預應力水平荷載為15 kN，彎折夾角為4.8°，預應力筋曲線段孔道彎矩為11.92 kN·m，孔道誤差預測結(jié)果數(shù)據(jù)對比如表3 所示。

表3 孔道誤差預測結(jié)果數(shù)據(jù)對比 (MJ)

將表3的預測結(jié)果數(shù)據(jù)與表2中的誤差設(shè)置數(shù)據(jù)進行比對，為更清晰地顯示設(shè)計的誤差預測方法所得到的結(jié)果與實際誤差數(shù)值之間的差異，取誤差預測方法的結(jié)果與實際誤差數(shù)值的差值后計算平均值，可以得出3種預測方法結(jié)果的平均誤差分別為0.70 MJ、0.45 MJ和0.15 MJ，設(shè)計的誤差預測方法所得數(shù)值更加接近設(shè)置數(shù)據(jù)，即設(shè)計方法的預測精度更高。

3 結(jié)語

橋梁預應力孔道的磨損，易導致橋梁出現(xiàn)跨中持續(xù)下?lián)稀⑾淞毫后w開裂等病害現(xiàn)象，不僅影響橋梁的正常使用，嚴重時甚至會威脅行人生命安全。通過應用光柵傳感技術(shù)，對橋梁預應力孔道磨損誤差預測方法進行優(yōu)化設(shè)計，試驗結(jié)果表明所設(shè)計的橋梁預應力孔道磨損預測方法可使誤差的預測精度顯著提升，可為橋梁的監(jiān)測與維護工作提供更精準的數(shù)據(jù)支持。