■鄭成忠

（南平市建陽區(qū)嘉禾公路建設(shè)投資有限公司，南平 353000）

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的不斷發(fā)展，大跨度連續(xù)梁橋成為公路、 鐵路上的一種重要橋梁結(jié)構(gòu)形式。 其中，連續(xù)剛構(gòu)橋因可跨越河流、峽谷復(fù)雜地質(zhì)而廣泛應(yīng)用。 而在大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工過程進(jìn)行截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)反饋懸澆施工階段任意工況下關(guān)鍵截面的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各施工階段進(jìn)行指導(dǎo)，保證橋梁的順利合龍及施工質(zhì)量[1-3]。 本文以某山區(qū)公路上的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的主體結(jié)構(gòu)施工過程為研究背景，建立MIDAS/Civil 模型， 監(jiān)測(cè)橋梁施工過程中關(guān)鍵截面的應(yīng)力變化情況，對(duì)比分析應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元模型理論計(jì)算值，得到大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工階段控制截面的應(yīng)力變化規(guī)律，為相同類型工程的施工和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程背景

本文依托的橋梁工程實(shí)例是位于某山區(qū)公路的一座大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁立面布置如圖1 所示。 橋梁主墩采用雙肢薄壁墩結(jié)構(gòu)，橋梁上部結(jié)構(gòu)為跨徑布置采用（86+156+86）m 的3 跨變截面現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)箱梁。 箱梁截面形式為單箱單室直腹板，頂板寬12.4 m，底板寬6.6 m，梁體兩側(cè)翼板懸臂長(zhǎng)度2.9 m，根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，箱梁底板高度曲線從距離主墩中心4.5 m至合龍段處采用2 次拋物線變化。 箱梁頂板通過箱梁直腹板高差設(shè)置2%單向橫坡。 箱梁0 號(hào)段長(zhǎng)12 m，主梁在縱橋向劃分為1#～20# 共20 個(gè)對(duì)稱梁段。 橋梁各塊段采用掛籃對(duì)稱懸臂澆筑施工，懸臂施工階段的主要工況包括：①掛籃安裝；②綁扎鋼筋；③澆筑混凝土；④預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉；以上步驟循環(huán)一次則完成一個(gè)懸臂梁段的施工，重復(fù)以上工況直到合龍[4]。 在懸臂施工階段過程中，基于MIDAS/Civil的有限元模型分析結(jié)果，結(jié)合該橋的主要施工順序?qū)υ摌虻目刂平孛鎸?shí)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析，將模型中各工況截面應(yīng)力理論值與各工況截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，得到大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工過程中關(guān)鍵截面的應(yīng)力變化規(guī)律。

圖1 立面布置圖

2 MIDAS/Civil 有限元仿真模擬

在橋梁在施工過程中對(duì)橋梁的受力狀況和位移變形進(jìn)行有限元仿真模擬設(shè)計(jì)可以為施工立模標(biāo)高、施工偏差分析及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析提供理論依據(jù)，以保證合龍精度及結(jié)構(gòu)安全[1]。

橋梁結(jié)構(gòu)的T 構(gòu)是指懸臂澆筑連續(xù)梁或者連續(xù)剛構(gòu)橋尚未合龍時(shí)的結(jié)構(gòu)形態(tài)。 在每個(gè)梁段的懸臂澆筑施工過程中，荷載是隨著各工況的進(jìn)行而逐步施加的。 隨著T 構(gòu)懸臂向外延伸，鋼筋綁扎、混凝土澆筑、掛籃前移都將會(huì)使T 構(gòu)產(chǎn)生顯著的內(nèi)力變化及箱梁截面應(yīng)力變化，而預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉則會(huì)大幅度地改變箱梁截面的應(yīng)力分布。 此外，混凝土的收縮、徐變和溫度變化等因素也將使得橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中產(chǎn)生更加復(fù)雜的變形及應(yīng)力變化規(guī)律。 MIDAS/Civil 是用于橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的專業(yè)軟件，能夠綜合考慮混凝土收縮、徐變、結(jié)構(gòu)體系溫差、環(huán)境整體溫度等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，精確地模擬橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工過程并反映結(jié)構(gòu)行為，得到各施工工況下的位移和受力狀態(tài)。 因此，對(duì)于本文工程實(shí)例大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)力監(jiān)測(cè)及其變化規(guī)律的研究分析將結(jié)合MIDAS/Civil 的有限元分析結(jié)果展開。

2.1 MIDAS/Civil 有限元計(jì)算模型簡(jiǎn)介

根據(jù)工程設(shè)計(jì)實(shí)例的橋型布置與結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)， 基于有限單元法， 采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專業(yè)軟件MIDAS/Civil 將全橋離散并簡(jiǎn)化為平面桿系結(jié)構(gòu)， 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算， 有限元計(jì)算模型如圖2所示。 在有限元模型中，橋梁各構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M，全橋共145 個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分為128 個(gè)梁?jiǎn)卧?主墩分為24 個(gè)單元，上部箱梁結(jié)構(gòu)分為104 個(gè)單元。其中每個(gè)主墩上部的箱梁0 號(hào)段考慮到橫隔板的影響劃分為6 個(gè)單元；懸臂部分的梁段按照設(shè)計(jì)的20 個(gè)塊段劃分為20 個(gè)單元； 跨中合龍段劃分為2 個(gè)單元；邊跨合龍段劃分為1 個(gè)單元，兩端的邊跨現(xiàn)澆段各劃分為4 個(gè)單元。 模型中充分考慮了施工及運(yùn)營(yíng)階段的橋梁各部分的結(jié)構(gòu)剛度的模擬和各種荷載的作用過程。

圖2 MIDAS/Civil 全橋結(jié)構(gòu)模型

2.2 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

懸臂施工在合龍前后會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，但與連續(xù)梁橋不同的是，連續(xù)剛構(gòu)橋因墩梁固結(jié)而不存在橋梁結(jié)構(gòu)的邊界條件變化。 有限元模型的邊界條件設(shè)有外部邊界條件和內(nèi)部約束條件：包括主墩樁底采用固接形式（不考慮樁土之間的相互作用）；主墩與主梁之間采用剛性連接；兩端的邊跨現(xiàn)澆段采用一般支承模擬。上部結(jié)構(gòu)主梁梁體采用C50 混凝土，彈性模量為3.45 GPa，泊松比為0.2，混凝土比重γ＝25000 kN/m3。 箱梁頂板縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度級(jí)別1860 MPa， 張拉控制應(yīng)力為1395 MPa， 公稱直徑為15.2 mm 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，彈性模量為195000 MPa，泊松比取0.3，鋼絞線松弛損失為張拉控制應(yīng)力的3.5%，管道摩阻系數(shù)為0.17，偏差系數(shù)為0.0015，錨具回縮取6 mm。

2.3 有限元模型截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

將上述所建立的MIDAS/Civil 有限元模型結(jié)合施工階段的劃分進(jìn)行計(jì)算分析，得到各施工階段主梁的內(nèi)力及應(yīng)力結(jié)果。 主梁及主墩控制截面在各工況下的應(yīng)力理論計(jì)算結(jié)果如表1～3 所示。

表1 主梁控制截面頂板應(yīng)力理論值（單位：MPa）

表2 主梁控制截面底板應(yīng)力理論值（單位：MPa）

表3 主墩控制截面應(yīng)力各測(cè)點(diǎn)理論值（單位：MPa）

3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)及對(duì)比分析結(jié)果

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面及測(cè)點(diǎn)布置

隨著懸臂澆筑施工過程的進(jìn)行，主墩內(nèi)力和主梁根部產(chǎn)生的彎矩將不斷加大，因此要對(duì)主墩和主梁控制截面的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以確保關(guān)鍵受力部位的在相關(guān)規(guī)范規(guī)定的容許范圍內(nèi)，以此作為主體結(jié)構(gòu)施工過程的安全預(yù)警系統(tǒng)，保障主體結(jié)構(gòu)的施工安全性。

主墩在偏心荷載作用下，墩底截面外側(cè)的應(yīng)力最大，因此主墩應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面應(yīng)當(dāng)布置在底部截面外側(cè)；上部結(jié)構(gòu)在懸臂施工過程中，根部位置內(nèi)力最大，因此主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面設(shè)置在根部。 此外，為監(jiān)測(cè)合龍后全橋關(guān)鍵截面的應(yīng)力狀態(tài)，還應(yīng)分別在中跨合龍部位、邊跨L/3 跨位置等正彎矩最大值截面布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。 綜上，應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面位置如圖3 所示，上部結(jié)構(gòu)共布置7 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面（1-1 至7-7截面），主墩共布置2 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面，應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面布置如圖3 所示[5]。 本工程采用振弦式埋入應(yīng)變計(jì)配合傳感器讀數(shù)儀進(jìn)行應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，考慮到混凝土澆搗過程中可能導(dǎo)致的測(cè)點(diǎn)損壞及測(cè)試偏差，為保證應(yīng)力測(cè)點(diǎn)采集數(shù)值的正確性，上部結(jié)構(gòu)分別在箱梁的頂板和底板布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)主墩應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面布置4 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。 應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面的測(cè)點(diǎn)布置如圖4～5 所示。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面布置圖

圖4 箱梁截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 主墩截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 主梁應(yīng)力理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由于本工程懸臂澆筑施工過程完全對(duì)稱，所以2 個(gè)T 構(gòu)在懸臂施工過程中的內(nèi)力狀態(tài)相似。 因此在分析懸臂施工過程中的主梁控制截面應(yīng)力時(shí)，只將3-3 截面頂板和底板的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析。 以每個(gè)梁段的掛籃安裝、鋼筋綁扎及混凝土澆筑初凝、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉全部完成為1 個(gè)完整的應(yīng)力采集周期，分別在以上每個(gè)工況完成時(shí)進(jìn)行應(yīng)力數(shù)據(jù)讀取。隨著各施工階段進(jìn)行，3-3 截面的應(yīng)力值變化趨勢(shì)如圖6 所示，其中主刻度和次刻度的位置分別對(duì)應(yīng)著上述工況的完成，即從起始點(diǎn)起每3 個(gè)刻度線表示一個(gè)梁段施工工況的完整進(jìn)行，取壓應(yīng)力為正值。

圖6 主梁3-3 截面應(yīng)力趨勢(shì)變化

由圖6 可以看出，各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值均與模型理論計(jì)算值接近，偏差較小。 該橋在懸臂施工過程中，主梁控制截面的頂板和底板均處于受壓狀態(tài)，即全截面受壓而不產(chǎn)生拉應(yīng)力，符合全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。 其中頂板的應(yīng)力隨著各工況的循環(huán)進(jìn)行呈明顯的往復(fù)上升趨勢(shì)， 應(yīng)力的變化幅度較大。 造成截面應(yīng)力往復(fù)上升的原因在于掛籃前移以及混凝土澆筑所造成的截面應(yīng)力變化與預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉所造成的截面應(yīng)力變化是相反的。 在10#梁段前的施工過程中，底板的壓應(yīng)力值非常低，且變化幅度并不明顯，接近受壓與受拉的臨界值。 隨著10#梁段開始施工， 底板應(yīng)力才呈明顯的往復(fù)上升趨勢(shì)。 由此可知在懸臂施工階段的前期，張拉控制應(yīng)力對(duì)底板應(yīng)力控制至關(guān)重要，在實(shí)際工程中應(yīng)著重關(guān)注箱梁底板的應(yīng)力變化情況，分析造成不利影響的原因，避免使其產(chǎn)生拉應(yīng)力而無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 最后，當(dāng)懸臂澆筑施工進(jìn)行至最大懸臂階段時(shí)，控制截面的出現(xiàn)的最大應(yīng)力約為13 MPa，位于箱梁頂板附近。

3.2.2 主墩應(yīng)力理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

同理，由于2 個(gè)主墩的尺寸及構(gòu)造基本相同，僅取1# 墩的應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面A-A 進(jìn)行應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比分析， 應(yīng)力值變化趨勢(shì)如圖7 所示，實(shí)測(cè)應(yīng)力采集的工況及表示方法同上所述。 從應(yīng)力變化趨勢(shì)圖可以看出，應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面位于雙肢薄壁墩兩側(cè)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)在懸臂澆筑施工至10#梁段前較為一致，但是從10# 梁段開始，主墩應(yīng)力變化趨勢(shì)開始往不同方向分化，說明此時(shí)主墩受偏心荷載的影響逐漸變大。 與主梁3-3 截面的應(yīng)力情況不同的是， 主墩應(yīng)力變化趨勢(shì)總體較為緩和，掛籃安裝和預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉對(duì)于主墩應(yīng)力造成的影響較小， 混凝土的澆筑對(duì)主墩應(yīng)力的影響較大。此外， 即使當(dāng)懸臂澆筑施工進(jìn)行至最大懸臂狀態(tài)時(shí)，所監(jiān)測(cè)到的主墩截面應(yīng)力最大值約為6.5 MPa，說明主墩總體處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，主墩處于低應(yīng)力狀態(tài)能夠保障橋梁主體結(jié)構(gòu)施工過程的安全性。

圖7 主墩A-A 截面應(yīng)力趨勢(shì)變化

4 結(jié)論

以某山區(qū)一座大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃?結(jié)合MIDAS/Civil 有限元計(jì)算模型對(duì)懸臂澆筑施工過程進(jìn)行截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析，得到相關(guān)結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)如下：（1）運(yùn)用MIDAS/Civil 有限元模型計(jì)算的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋控制截面應(yīng)力理論值與應(yīng)力實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)一致且數(shù)值偏差較小，計(jì)算結(jié)果可以用作實(shí)際工程中應(yīng)力監(jiān)測(cè)的參照和對(duì)比分析；（2）大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋隨著每個(gè)梁段各工況的進(jìn)行，主梁應(yīng)力變化受施工工況影響較大，主墩應(yīng)力變化受梁段施工工況影響較??；（3）主墩截面兩側(cè)應(yīng)力變化趨勢(shì)不同，說明掛籃對(duì)稱懸臂施工過程主墩會(huì)受偏心荷載影響；（4）懸臂澆筑施工過程前期，主梁梁段各工況造成的底板應(yīng)力變化不明顯， 且主梁底板壓應(yīng)力較小，接近受壓與受拉的臨界值，對(duì)全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)施工不利，施工過程應(yīng)當(dāng)注意張拉控制應(yīng)力的施加；（5）掛籃對(duì)稱懸臂澆筑施工至中跨L/4附近時(shí)，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)力變化趨勢(shì)開始發(fā)生顯著改變。