连续刚构桥应力监测及误差修正

2021-08-04张开银付一小

工程与建设 2021年3期

姚璐，张开银，付一小

(1.中铁桥隧技术有限公司，江苏南京 210061；2. 武汉理工大学，湖北武汉 430063)

0 引言

桥梁施工监控是桥梁施工中的重要环节,是桥梁施工安全和质量的保证。桥梁施工应力监测是通过在桥梁结构各个控制截面的测点处埋置应变或应力传感器,对桥梁实际施工中的受力状态进行监测,当结构应力超过安全范围时,就可能导致混凝土产生过大裂缝,直接影响混凝土的力学性能以及结构的刚度和耐久性,严重时甚至会导致结构直接破坏[1]。因此,桥梁应力监测是十分必要的。当实际应力值与理论应力值的差值超出了允许范围内时,应该立即停工排查并进行调整使其符合要求,这样才能有效保证桥梁施工质量和施工安全[2]。

预应力混凝土连续刚构桥本身为非匀质材料,施工时还要受到施工环境、养护条件等因素的影响,这会使得桥梁结构的实际施工状态与其理论分析状态并不完全相符合,即桥梁截面尺寸、混凝土的弹性模量与容重等参数的实测值与理论值存在一定的偏差[3]。因此,在施工时应对这些数值进行实时测试,用以修正结构有限元模型。此外,在实际施工时,应变监测的数据除了包含外荷载作用下产生的弹性应变外,还包含混凝土的收缩应变、徐变应变和温度应变,将这三种应变从实测数据中分离后才能得到结构的真实应变[4]。

本文以实际工程为背景,结合有限元计算软件MIDAS/Civil对连续刚构桥进行了施工应力监测,并分析、修正了理论计算值和现场实测值中存在的部分误差。

1 误差分析及修正方法

1.1 计算误差修正

预应力混凝土连续刚构桥进行模型计算分析时采用的均为结构设计参数,但是桥梁实际施工时,由于施工环境、养护条件、材料配合比以及人员操作不当都会使结构实际参数与设计参数并不完全一致,这就必然会导致计算模型与实际结构之间存在偏差[5]。为了更好地指导施工,需要在施工中将结构参数作为未知变量实时识别,并将识别的数据应用于结构模型修正,而后经过多个施工阶段的计算和参数调整,使结构的有限元模型更贴近实际施工状态。

本文主要对混凝土弹性模量、混凝土容重进行分析和修正,混凝土的收缩徐变及预应力损失均按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)[6]计算。

(1)混凝土弹性模量。预应力混凝土连续刚构桥为超静定结构,桥梁结构的应力与混凝土弹性模量的取值密切相关[7]。依据相关经验,混凝土弹性模量的实测值大于其规范值,为了使结构计算模型更准确,应采用实测值对模型进行修正。

(2)混凝土容重。混凝土的容重决定了桥梁结构的自重,对于结构的受力和线形有直接影响,因材料配合比等因素的差异,混凝土容重的实测值与规范值之间的偏差难以避免[8]。因此,也要根据现场施工进度,对材料试块进行定期抽样测试,依据实测结果修正有限元模型。

1.2 测试误差修正

(1)温度应变。当所处环境的温度发生变化时,混凝土结构和应变传感器均会随着温度的变化发生热胀冷缩,埋置在混凝土内部的应变传感器会随着混凝土结构的变化发生协同变形。对于振弦式应变传感器而言,当传感器埋入混凝土内部时,金属外壳与混凝土变形协调,环境温度发生变化时,两者温度应变一致,而此时内部的钢弦却因为温度膨胀系数与混凝土差别较大,温度应变也与混凝土结构的温度应变不同[9]。即温度改变时,通过振弦式应变传感器测得的应变与混凝土结构的实际应变存在一定差异,因此需要对振弦式应变传感器进行温度修正[10]。

(2)收缩与徐变。当没有外界荷载作用时,混凝土构件的体积也会自发的随时间缓慢变化,这就是混凝土的收缩。混凝土的收缩应变的大小主要与水泥种类、水灰比、骨料含量、养护条件和持续时间等因素有关系。受到外界荷载作用时,混凝土构件首先产生弹性变形,之后变形随时间不断增加。这种在外界荷载持续作用下的产生变形的现象称为混凝土的徐变。混凝土徐变的大小会受到加载时间、所处环境、应力条件和构件尺寸等因素的影响。[11]在分析结构应变时,必须分离出结构的收缩与徐变应变,才能根据弹性应力——应变关系得到结构的实际应力。

(3)应变滞后性。对应变进行连续实时测量显示:预应力混凝土的应变具有滞后性。预应力钢束张拉完成后,应变在主梁各截面的传播速度会因所处节段的不同而不同。当管道通顺,预应力钢束较短时,这种滞后现象不明显;但是当管道不通畅、钢束较长时,靠近张拉端的截面与钢束较短时相似,远离张拉端的截面,应变滞后性明显。因此,在进行应变监测时,要考虑应变滞后性,选择恰当的时间进行测试。

2 桥梁结构仿真分析

2.1 工程概况

凉水河特大桥主桥为(86+160+86)m的预应力混凝土连续刚构桥,主梁采用悬臂法挂篮施工,截面为分幅式单箱单室断面,桥面单向2%横坡。箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次抛物线变化,墩顶与跨中处的桥梁断面如图1所示。主梁采用C55混凝土,桥墩采用C50混凝土,桥面铺装为8 cm沥青混凝土,预应力钢绞线的公称直径Φ=15.2mm,弹性模量Es=1.95×105MPa,抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa。

图1 跨中-墩顶截面图(单位：cm)

2.2 误差修正

(1)混凝土弹性模量。凉水河特大桥主梁采用C55混凝土,因此根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)[12]中的水泥混凝土棱柱体抗压弹性模量试验方法,对C55混凝土弹性模量进行现场试验。经测定主梁C55混凝土弹性模量趋势图如图2所示。

图2 混凝土各龄期弹性模量趋势图

由图2可知,所试验的混凝土试块龄期大于3天时轴心抗压强度能够达到规范规定值并趋于稳定,可以正常使用。混凝土试块的弹性模量在前3天增长迅速,3天后可以达到规范值,随着龄期的增长,试块的弹性模量也不断地增长变化直至稳定,稳定后其实测值比设计值大1%～20%。将有限元模型中C55混凝土弹性模量修正为3.8×104MPa。

(2)混凝土容重。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规范》(JTG E30-2005)[12]中的水泥混凝土密度试验方法,现场测量C55混凝土的密度。根据现场试验结果,将有限元模型中C55混凝土的容重修正为26.5kN/m3。

2.3 桥梁有限元模型的建立

运用有限元计算软件Midas/Civil建立桥梁结构的有限元模型,如图3所示。全桥共包含22个结构组(桥墩、0#-17#节段、边跨现浇段、边跨合龙段和中跨合龙段)、4个边界组(墩底固结、墩梁固结、满堂支架和边跨滑动支座),悬臂法施工的每个节段均包含移动挂篮、混凝土浇筑和钢束张拉3个施工阶段。

图3 桥梁结构有限元模型

2.4 应力计算结果

当悬臂节段全部浇筑完成后,达到悬臂最长阶段,是桥梁施工监控的关键阶段,此时单侧T型结构为静定结构。桥梁有限元模型计算结果表明,桥梁全截面上下缘受力为对称状态,具有较好的稳定性。主梁最大压应力为9.44 MPa,位于1#节段上缘,最大拉应力为0.35 MPa,位于17#节段下缘,均满足规范要求。

桥梁进行边跨、中跨合龙时,相应节段预应力钢束张拉前后,边跨节段应力变化较小,但是中跨17#节段下缘压应力有所增加,最大为9.58 MPa。

桥梁合龙后,由静定结构变为超静定结构,0#节段箱梁根部截面的应力状态能较好地反映出桥梁结构的预应力储备情况。主桥桥墩若出现根部预应力储备不足的情况,主梁顶板和腹板就会因为受到较大拉应力的作用而出现变形或裂缝,这会在后期桥梁运营阶段造成严重影响。有限元模型计算结果表明,桥梁结构最大压应力为10.09 MPa,位于中跨1#节段上缘,最大拉应力为0.99 MPa,位于中跨18#节段上缘,均满足预应力混凝土桥梁要求。

3 应力监测

3.1 应力监测方案

基于凉水河特大桥测点多、工期长、工作量大的特点,且在施工中因撞击、振捣损坏传感器的情况不可避免。结合同类桥梁施工监测的经验,选用带有热敏电阻的振弦式应变传感器,热敏电阻可以用于测量测点所在处温度的变化,便于进行温度补偿。箱梁应力测试控制截面选择在0#节段(悬臂梁根部)、L/4跨截面和L/2跨截面。桥梁为对称结构,因此以一侧桥墩为例说明应力监测控制截面及传感器分布。箱梁应力监测控制截面如图4所示,箱梁截面应力传感器布置如图5所示。