预应力连续刚构桥应力监测分析

时间：2024-05-17

廖永恒

（岳阳路桥三公司，湖南岳阳414000）

1 引言

大型桥梁结构在它的施工过程中，由于受到施工临时荷载、预加力、混凝土收缩、徐变和温度作用等诸多因素的影响，结构的内力状态和变形以及分布很难通过设计计算事先做出准确估计，总会有可能发生一些人们事先预计不到的情况，这样只能通过实际测试才能了解清楚。工程实践和现场试验表明[1-4]，对于要采用悬臂法施工的桥梁，施工进程中结构的内力状态的变化可能会相当大，因此应力监测也就显的尤为重要，它是施工过程中的安全预报系统，是对桥梁的实际受力状态进行评判和确保施工安全顺利的主要依据。结构的某定点的应力也和其几何位置一样，随着施工的推进，受到诸多因素的影响，其值是不断的变化的，在某一时刻的应力值是否与分析预测的值一致，是否处于安全是施工控制关心的问题，解决这一问题的办法就是进行监测，在结构的控制截面布置应力观测点，以观测在施工过程中这些截面的应力变化及其应力分布情况，预告当前已安装构件即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态，一旦应力监测发现异常情况，就应立即停止施工，查找原因并及时调整变量。

2 工程背景

采用悬臂浇注施工法的某预应力混凝土连续刚构桥是一座大型公路桥梁。主桥是跨径布置为50+2×90+50m，由左、右两个半幅组成，左、右两个半幅的翼缘板是通过现浇湿接缝连接起来的，半幅主梁是单箱单室，为三向预应力箱梁，采用挂篮悬臂施工。三个主墩（37号，38号，39号）均采用整体基础，有利于抵抗船舶的撞击力。桩基采用钻孔灌注桩，桩径2.0m，按双排菱形布置，承台厚3.0m，左右半幅桥的双肢薄壁墩墩身分离布置，且在上、下游端均设置了防撞设施。

大桥设计的标准为：一级公路，设计行车速度60km/h；设计荷载：汽车超20级，挂车-120，人群荷载3.5kN/m2；桥面总宽为22.5m，横断面由双幅单箱单室连接而成；桥面设2.0%双向横坡，桥面设2.38%的双向纵坡，变坡点设在主桥的38号墩的中心处。

3 监测控制截面及其测点布置

本工程选用振弦式应变计，观测值较为稳定，并且耐久性较好，适合应力场的长期观测。振弦式应变计的工作原理：钢弦在受力时或拉伸或压缩，由此引起其自振频率的变化；在观测时给钢弦施加一电流激振，观测其振动频率，以此反算其受力情况。在典型控制截面处埋设了应变计。对每一施工梁段的每一工况：移挂篮、浇注混凝土、预应力张拉，我们都进行了全部应变计的观测。把观测值与理论值比较，反馈调整混凝土的收缩徐变系数；掌握主梁的内部应力情况，确保施工期的安全。测点布置在关心截面：梁顶截面、1号截面、6号截面、跨中截面的上下缘，应变观测点布置如图1所示。

4 应力测试的误差分析

桥梁结构的实际状况与理论状况总存在一点的误差，究其原因，主要由设计参数，施工误差，测量误差，结构分析模型误差等综合因素所致。混凝土的应变可分为受力应变和非受力应变两种，在实测的应变中它们是混杂在一起的，而施工控制中应力测试应该通过理论分析，误差分析等手段，使应力测试结果尽可能地接近实际，从而较准确的掌握结构的真实应力状态，桥梁施工监控过程中，影响应力测试的因素有以下几个方面：

4.1 应变计的安装误差

桥梁施工过程中，为了保正振弦应变计安装的牢固可靠，稳定耐久，我们一般用扎丝将其牢牢捆扎在梁上、下缘纵向钢筋上，这样应变计距梁体上下缘表面就会有一定距离，因而使得测试应力与梁体表面的计算应力有些差异，同时振弦应变计的轴线与结构的轴线也不可能完全一致，其不可避免地存在上下左右方向的偏差，伴随这混凝土的浇筑和振捣，振弦应变计受到不同方向非平衡力的挤压，有时会略偏离轴线，上述因素的存在形成了以部分测试误差，使得测试值与理论计算值存在偏差，对于应变计上下位置引起的差异，可以通过修正截面上下缘的实测应力来考虑：而应变计方位带来的偏差是随机的，一般不便修正，不过其值相对较小，可不予考虑。

4.2 振弦应变计的调零误差

振弦应变计埋设好后稳定较好，在同一温度下，同一工况下的钢弦频率测试数据有很好的重复性，由于振弦应变计是在混凝土中埋设的，混凝土初凝时产生的初应力作用于应变计，应该及时给予排除。而出初应力与初读数（调零）时间有关，初读过早，混凝土凝结时的初应力不能完全消除，初读书过晚，外加荷载又施加在结构上，一般初读在混凝土凝结，预应力钢铰线张拉前进行比较合适。

4.3 混凝土的弹性模量误差

按照有关桥梁规定，混凝土的弹性模量一般取定值，但实际上混凝土弹性模量是时间的函数，加载龄期的不同，使得混凝土产生的塑性形变有很大的差异，而且混凝土的初次加载与卸载时其初始切线弹性模量EC，割线模量E'C，及其卸载模量E"C，具有明显的差异，经过多次加载，卸载以后，才逐步一致。因此，在整个结构构件截面应力测试中，混凝土弹性模量都是变化的，计算时应该取混凝土相应龄期的弹性模量。

4.4 混泥土应变滞后的误差

应变观测数据表明，受力混凝土应变具有一定的滞后性，特别是预应力张拉后，由于种种因素的影响，应变在沿梁体各截面的传播速度随施工阶段的不同而有很大的差异。当预应力束较短，管道较畅通时，应变的滞后性不太明显，此时应立即对张拉后的混凝土结构进行应变测量，其应变滞后性造成的误差较小；当预应力束较长时，各截面应变的滞后性与张拉端的位置有关，靠近张拉端的截面与短束的情况比较接近，远离张拉端的截面，应变滞后现象严重。如果应变测试偏早，将会导致部分应力丢失（不含预应力损失），使测试应力值偏小，若应变测试偏晚，这时应力测试又会受到后续工况的影响。因此，应力测试应尽量选择适当时间进行。

4.5 温度影响误差

温度变化时，如果混凝土无约束自由伸展，埋入其中的振弦应变计将会随同变形，振弦应变计中的钢弦丝的应变和自振频率也将发生改变，这样就会导致应力测试的误差。

4.6 混凝土的徐变与收缩误差[5]

施工应力测试影响相当复杂，除荷载作用引起的弹性应变外，还有与收缩徐变因素有关的应变。混凝土无荷载条件下的收缩变形是由于所含水分蒸发及其它物理化学原因产生的干燥收缩和体积收缩。主要与混凝土品质和构件所处的环境有关。混凝土持续荷载条件下的环境等有关。在实际工程应变测量中，其包含了收缩和徐变的应变，应给予扣除。