预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方法

韦立勇

摘要：现有桥梁结构强度连续动态监控方法已不适用于预应力混凝土桥梁结构，会导致连续动态监控时对监控点数据读取误差大，文章为此提出预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方法研究，通过布置超声波监控探头，确保超声波直接通过混凝土桥梁外壁传播最大发声时间，且必须小于直接通過桥梁外壁绕射的最大发声时间;同时根据各阶段累积应变值为测读应力减去初始应力，将监控点得到的应变值转化为应力值，剔除初值误差、混凝土收缩、徐变误差以及温度误差，完成连续动态监控。实验结果表明，设计的监控方法应力值与真实应力值更贴近，误差较小，可以有效实现对预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控。

关键词：预应力;混凝土桥梁;结构强度;连续动态监控方法

中图分类号：U448.3文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.038

文章编号：1673-4874（2021）01-0139-04

0引言

城市道路桥梁工程应力张拉质量控制，必须通过千斤顶和压力表进行配套校验，确定张拉力与压力表之间的关系，从而对桥梁结构强度进行连续动态监控[1]。预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方法的进一步优化是建筑行业发展的必然选择，致力于最大限度地降低施工风险。目前，我国已有大量针对预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方面的研究，学者普遍得出的影响桥梁结构强度连续动态监控的参数包括：材料弹性模量、材料容重、桥梁结构的截面尺寸、施工荷载以及预加应力等。因此，本文依据以上各项影响参数，提出预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方法设计，致力于提高预应力混凝土桥梁的安全性。

1预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方法

预应力混凝土桥梁结构连续动态监控主要根据检验评价标准的要求进行，由计算机对预应力混凝土试件的抗压强度进行分批监控，并根据统计方法或非统计方法进行监测h同时打印出各项数据。在此过程中布置超声波监控探头进行动态监控，在明确监控点以及监控对象的基础上，通过各阶段累积，应变值为测读应力减去初始应力，将监控点得到的应变值转化为应力值，读取监控点应力值数据。具体如下。

1.1布置超声波监控探头

在使用超声波监控探头对预应力混凝土桥梁结构强度进行连续动态监控前，首先要确保超声波直接通过混凝土桥梁外壁传播的最大发声时间必须小于直接通过桥梁外壁绕射的最大发声时间，否则，超声波首次发出的波将无法直接通过外壁，而是通过绕射的方式达到接收探头，无法准确地监控预应力混凝土桥梁结构强度。

考虑到预应力混凝土桥梁只具有两个对侧面，因此本文采用平面对测法对其结构强度进行连续动态监控[2]。平面对测法的超声波探头布置主要集中在预应力混凝土桥梁的四个外壁上，每个外壁上设置三个超声波探头。超声波探头布置及传播路径如图1所示。

通过图1可知，O表示外壁面，R表示超声波探头传播方向。超声波的传播路径是在预应力混凝土桥梁没有缺陷时产生的，当其外观上存在缺陷时，声波会受到缺陷位置的影响发生不同程度的折射，影响桥梁的结构强度[3]。在排除桥梁外部缺陷的情况下，超声波在传播的过程中产生最大发声时的时间计算公式为式（1）：

（1）

式中：T₁——桥梁外壁不存在缺陷时的超声波最大发声时间;

e——桥梁的边长;

c——桥梁外壁厚度;

Vh——混凝土的声速。

当混凝土桥梁外壁存在缺陷时，超声波产生最大发声时的时间计算公式为式（2）：

（2）

式中：T₂——桥梁外壁存在缺陷时的超声波最大发声时间;

d——超声波探头布置位置与边界的最小距离;

θ——当声波受到影响时产生的折射角角度。

根据上述公式，严格控制超声波监控探头的布置方式，将超声波监控探头的布置位置设为监控点，有效避免由于外界因素导致桥梁结构强度监控精度低的问题[4]。本文监控对象为预应力混凝土桥梁结构强度，将桥梁结构强度分为两个测试内容逐一进行，分别为：高程基准点负荷测试以及承台沉降测试。在监控全过程反馈监控点的标高，将反馈得到的监控点标高与计算值进行对比，从而更好地控制主梁安装轴线，保证主梁轴线与横向标高差均满足规范要求，得出桥梁结构强度线性变化规律[5]。

1.2监控点应力值数据读取

在明确监控点以及监控对象的基础上，通过各阶段累积，应变值为测读应力减去初始应力，将监控点得到的应变值转化为应力值，读取监控点应力值数据，具体转换公式如式（3）所示：

σ_cd=E×ε（3）

式中：σ_cd——监控点读取应力;

E——混凝土弹性模量;

ε——监控点混凝土应变值。

比较计算出的预应力混凝土桥梁结构强度值更新结果的大小关系，若比较结果结构强度值大于承载极限，则立即通过评估设备中的异常预警元件实现报警，提示预应力混凝土桥梁结构建筑项目存在安全隐患[6-7]。若结构强度值远远小于承载极限，则启动新一轮的监控循环，维持当前的运行环境和使用状况。

在预应力混凝土桥梁结构强度动态监测系统中，主要通过监测结果显示模块来显示监测数据，其中显示的监测数据包括设备的历史信息、实时信息和服务器整体信息等。一般来说，系统会从两个维度对系统的相应性能状况以及系统资源在不同时间的使用情况进行查询，这两个维度分别是资源和业务[8]。在监测系统中，用户可以根据自己的需要查询相应的实时数据和历史数据，将收集到的监测信息和监测数据进行分类处理，得到相应的监测报告。

为获得更加精准的监控效果，还需要在得到的应力值中剔除初值误差、混凝土收缩、徐变误差以及温度误差，进而得到预应力混凝土桥梁结构强度真实应力。设真实应力为σ，则其计算公式如式（4）所示：

σ=σ_cd-σ_xb-σ_ss-σ_wd（4）

式中：σ_xb——初始值误差;

σ_ss——监测点收缩徐变应力误差值;

σ_wd——温度差引起的应力误差值。

通过式（4）计算得出的结果，就是预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控的成果。

2实验

2.1实验准备

为构建仿真实验，实验对象选取某预应力混凝土桥梁，并对整体式桥梁横断面形式、允许误差、检查方法和频率以及权值等参数进行具体设计。预应力混凝土桥梁各参数如表1所示。

根据表1所示，分别使用传统监控方法以及本文设计的监控方法进行实验，设置传统的监控方法为实验对照组。设计10个桥梁監控点，经过一段时间后，记录桥梁监控点的沉降位移，记录沉降数据，将实验数据整理成表格。实验主要内容为核查两种监控方法下得到的应力值，将得到的应力值与真实应力进行比较，误差越小证明该监控方法的监控精度越高，从而采用监控性能更强的监控方法。

2.2实验结果分析与结论

通过无线传输网络将监控设备采集到的监控结果传输到主控计算机中，计算机通过统计与分析将监控结果通过监控界面显示出来，具体如图2所示。

由图2可知，通过人为控制的方式来调整预应力混凝土桥梁结构强度，采用的控制方式为增加或减少其上层空间的负载重量。预应力混凝土桥梁结构监控点呈现均匀分布状态，在一定程度上更加有利于监控结果的合理性，对于预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控更具可靠性，在实际的应用中更能保障工程质量。

为进一步验证预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方法的效果及可行性，采集10组监控点实验数据，将两种监控方法下的应力值与真实应力进行对比，具体实验结果如表2所示。

通过表2可得出如下结论：在10个监控点得出的数据中，本文设计的监控方法得到的应力值与真实应力值更贴近，误差小，证明设计监控方法可以实现对预应力混凝土桥梁结构强度的连续动态监控。通过实验结果证明，所设计的监控方法其各项功能均可以满足施工总体要求，可以广泛应用于预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控工作。

3结语

预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方法，提高了预应力混凝土桥梁改建施工安全性。本文通过实验证明，设计监控方法在保证施工安全方面的具体优势已经显现出来。监控得到的应力值与真实应力值误差的大小是保证桥梁质量的主要衡量标准，验证了预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控的主体内容，为预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控方法的进一步优化提供参考依据。本文不足之处是此次研究时间有限，虽然取得了一定的研究成果，但对于该方法研究还不足，没有对预应力混凝土桥梁结构强度连续动态监控施工技术进行深入研究，可以作为日后研究的重点。

参考文献

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