桥梁应力监测与控制研究

姜鹏

摘要：本文分析了望东长江公路大桥江内引桥采用移动模架施工，虽然国内有类似的跨度甚至超过该跨径的桥梁采用该施工工艺，但鉴于本桥主梁施工重量在国内也是较大的，所以该桥施工过程控制尤其重要。该文主要利用结构分析软件，从应力监测与控制方面介绍桥梁施工过程中的控制方法及监测目的，阐述了桥梁施工监控的基本内容和误差处理以及在实际工程中的应用。

关键词：等截面箱梁；移动模架施工；应力监测；控制研究

中图分类号： TU997 文献标识码： A

引言

在当今的桥梁监测中的各种应力传感器，其原理基本上都是利用传感器与所在点梁体的一致性物理伸长或缩短的这种变化来感应梁体内的应力的。而梁体的伸长或缩短并不一定是梁体内应力的增加或减少引起的。这就是当今桥梁监测中应力监测的困难所在了。桥梁结构成桥内力、线形与施工方法及过程紧密相关，必须保证对桥梁结构的整个过程进行严密监控。

一、工程概述

望东长江公路大桥江内引桥全长715m，下部结构采用根式沉井基础，上部采用单箱单室预应力混凝土现浇箱梁（图1）。

图1引桥箱梁标准断面图

桥梁上部采用(4×55m)+(4×55m)+(5×55m)预应力混凝土等截面箱梁，中心梁高3.2m，顶板宽16.0m，底板宽8.0m，翼缘悬臂长4.0m。顶板标准厚30cm，底板标准厚30cm，腹板标准厚50cm。

二、施工方案

该大桥上部施工，用目前国内外先进的移动模架施工工艺，整个箱梁分段浇筑，浇筑施工过程全部在移动模架上完成。

混凝土施工工艺：立模、绑扎钢筋→浇筑混凝土、张拉预应力→模架迁移、立模板、绑扎钢筋准备浇筑下一孔→浇筑混凝土、张拉预应力。

三、施工应力监控方案

1、应力测点布设

选取各跨在施工和成桥阶段内力均较大的控制截面进行应力测试，对于四跨一联箱梁和五跨一联箱梁分别选取1/4L截面、1/2L截面、3/4L截面和中支点截面共17个控制截面，如图2所示。

图2应力测点布设截面

各控制断面应力测点布设如图３所示，全桥3联共布设189个测点(含补偿应变计)：

图3应力测点横向布置图

2、监测工况

在每一个施工阶段中，根据相关关键工序确定应力监测工况：①混凝土浇注后。②预应力张拉后。③模架前移到位。④本联后续跨施工完成后。⑤每隔一段时间定期测量，间隔时间视实际工程进度而定。

3、应力测试方法

3.1 应力传感器选择与埋设。在整个监测监控期间，借鉴同类混凝土桥梁施工监控的经验，选用内埋式钢弦应变传感器。钢弦式内埋应变传感器量程大、精度高、非线性范围大、以及零漂、温漂范围微小，对测量精度基本无影响，且自身防护破损的能力好，便于长期观测，是混凝土应变测量较理想的传感元件。

为保证埋设的钢弦应变计有较高的成活率和测量精度，需对埋设的应变计进行特殊处理和多项检查。首先，为防止外界电磁场干扰，全部采用多股铜芯屏蔽线；其次，由于监测监控属于长时间稳定性测量，且连接线较长，对连接线采用平行钎焊，在接头处用绝缘胶布反复包扎，再用７０３乳胶进行密封，然后用万用电表测量有无断路，检查引线与被测构件有无短路。在操作中尽可能准确地使钢弦应变计与纵向应力方向保持一致。为防止混凝土浇筑过程中传感器的窜位和角度改变，埋设时用扎丝将传感器牢牢捆扎在钢筋上。

3.2 测试应力误差分析。混凝土结构的应力是通过应变测量获得的，即

σＴ＝Ｅ×εｔ

其中，σＴ为载荷作用下混凝土结构的弹性应力；Ｅ为混凝土弹性模量；εｔ载荷作用下混凝土结构的弹性应变。

混凝土的应变可分为受力应变和非受力应变，在实测的应变中，它们是混杂在一起的。根据CEB-FIP(1990)标准规范，在时刻τ承受单轴向、不变应力σ（ｔ）的混凝土构件，在时刻ｔ测量总应变ε（ｔ）可分解为

ε（ｔ）＝εｉ（τ）＋εＣ（ｔ）＋εＳ（ｔ）＋εＴ（ｔ）＋εｍ

其中，ε（ｔ）表示时刻ｔ测量总应变；εｉ（τ）表示加载时初应变；εＣ（ｔ）表示时刻ｔ＞τ时的徐变应变；εＳ（ｔ）表示收缩应变；εＴ（ｔ）表示温度应变；εｍ表示系统应变误差。

由于在设计参数取值、施工方案比选、测量仪器的精度、结构力学模型等存在一定误差，桥梁结构的实际状况与理论状况相比较，往往都存在着一定的差异。因此，通过理论分析、误差分析等手段，确保测试结果尽可能地接近于结构实际状态，才能较准确地掌握结构的真实受力状态。结合混凝土材料的特殊性，可以得出测量应力的误差，主要来源于混凝土的实际弹性模量的测量和混凝土的收缩应力与徐变应力的计算。

四、施工监控仿真分析

采用移动模架对大跨预应力混凝土连续箱梁进行逐跨现浇方法施工，从施工到成桥过程中，结构受力体系要发生一系列的变化，最终才能形成多跨连续梁。这些体系转换，势必引起结构内力和线形的不断变化，而各施工阶段的受力状态既相互影响又相互独立，其最终结构的受力和几何线形是由逐工况、逐阶段累计形成。因此，必须建立精细化分析模型，进行各施工阶段不同工况下的数值模拟，以掌握理论规律。

根据实际施工采用的工序，通过结构分析软件来模拟真实施工步骤，按照结构设计所提供的基本设计参数，采用MIDAS/Civil对结构进行正装与倒装分析。仿真分析的主要内容包括3方面：结构变形分析、控制截面结构应变应力及内力计算与结构预拱度计算分析三个方面。

4.1 4×55m连续箱梁计算模型

采用MIDAS/Civil空间有限元计算程序，建立包含移动模架的箱梁模型，共设119个节点、113个梁单元，成桥时有限元模型如图4所示。

图4分析计算模型1

4.2 5×55m连续箱梁计算模型

采用MIDSA/Civil空间有限元计算程序，建立包含移动模架的箱梁模型，共设146个节点、140个梁单元，成桥时有限元模型如图5所示。

图5分析计算模型2

五、应力监测结果

5.1 监测结果

表1列出了5×55m梁段在混凝土浇筑、钢束张拉、模架落架等阶段的应力实测值，并与理论值进行了对比（表中实测值为该截面顶板或底板传感器的平均值）。

表1（5×55m）主梁应力监测结果（ＭＰａ）

5.2 监测结果分析

5.2.1 由于箱梁浇筑体积较大、梁体较高，实际施工浇筑过程中模板有变形情况，主要集中在墩顶左、右加厚段，即实际施工成桥墩顶左、右截面大于理论设计，因此结构刚度较理论采用值大。

5.2.2 施工单位在预应力张拉过程中，引伸量实际测量往往大于理论计算值，因此实际孔道摩擦系数可能小于理论计算选用参数。

5.2.3 理论计算时，墩顶仅仅按照单支点模拟，实际负弯矩有一定的弯矩折减。

5.2.4 混凝土实际弹模及收缩徐变和检测分析采用值之间的误差。

由于偏差均维持在±10%以内，且跨内顶缘压应力偏小，底缘压应力偏大，墩顶截面顶缘压应力偏大，底缘压应力偏小，这正好与成桥运营阶段受力相反，对运营阶段受力有利，因此，无需对原有设计及施工进行修正处理。

结束语

综上所述，由该大桥的应力监控结果可知，各控制截面受力状态均和理论计算值较为接近，虽然有所误差，但误差在可控范围之内，且偏于安全，因此可验证理论计算基本和实际结构受力一致，桥梁结构安全，受力合理。通过对该桥的应力监测，对于同类桥梁给出以下建议：①在设计时可适当考虑墩顶消峰的作用。②应同时对孔道摩阻系数等参数，按照规范上下限值分别计算，防止部分构件部位实际压应力出现超标现象。③施工过程中应注意保证模板等足够的刚度，防止浇筑过程出现跑模等导致截面尺寸和设计不符，而导致应力异常的情况出现。此外，通过对桥梁施工线形监测和应力检测，可以为整个工程在施工过程中出现的技术问题以及安全等问题提供预判和分析，为工程的圆满完成奠定了良好的基础。

参考文献：

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