基于MIDAS/Civil 的大跨径预应力混凝土连续刚构桥应力监测分析

■郑成忠

（南平市建阳区嘉禾公路建设投资有限公司，南平 353000）

随着我国交通运输事业的不断发展，大跨度连续梁桥成为公路、 铁路上的一种重要桥梁结构形式。 其中，连续刚构桥因可跨越河流、峡谷复杂地质而广泛应用。 而在大跨径预应力混凝土连续刚构桥的施工过程进行截面应力监测能够及时反馈悬浇施工阶段任意工况下关键截面的应力状态，对现场各施工阶段进行指导，保证桥梁的顺利合龙及施工质量[1-3]。 本文以某山区公路上的大跨度预应力混凝土连续刚构桥的主体结构施工过程为研究背景，建立MIDAS/Civil 模型， 监测桥梁施工过程中关键截面的应力变化情况，对比分析应力实测值与有限元模型理论计算值，得到大跨径预应力混凝土连续刚构桥悬臂施工阶段控制截面的应力变化规律，为相同类型工程的施工和设计提供参考依据。

1 工程背景

本文依托的桥梁工程实例是位于某山区公路的一座大跨径预应力混凝土连续刚构桥，桥梁立面布置如图1 所示。 桥梁主墩采用双肢薄壁墩结构，桥梁上部结构为跨径布置采用（86+156+86）m 的3 跨变截面现浇连续刚构箱梁。 箱梁截面形式为单箱单室直腹板，顶板宽12.4 m，底板宽6.6 m，梁体两侧翼板悬臂长度2.9 m，根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，箱梁底板高度曲线从距离主墩中心4.5 m至合龙段处采用2 次抛物线变化。 箱梁顶板通过箱梁直腹板高差设置2%单向横坡。 箱梁0 号段长12 m，主梁在纵桥向划分为1#～20# 共20 个对称梁段。 桥梁各块段采用挂篮对称悬臂浇筑施工，悬臂施工阶段的主要工况包括：①挂篮安装；②绑扎钢筋；③浇筑混凝土；④预应力钢筋张拉；以上步骤循环一次则完成一个悬臂梁段的施工，重复以上工况直到合龙[4]。 在悬臂施工阶段过程中，基于MIDAS/Civil的有限元模型分析结果，结合该桥的主要施工顺序对该桥的控制截面实行应力监测分析，将模型中各工况截面应力理论值与各工况截面应力实测值进行对比分析，得到大跨径预应力混凝土连续刚构桥悬臂施工过程中关键截面的应力变化规律。

图1 立面布置图

2 MIDAS/Civil 有限元仿真模拟

在桥梁在施工过程中对桥梁的受力状况和位移变形进行有限元仿真模拟设计可以为施工立模标高、施工偏差分析及结构体系转换后的结构应力状态分析提供理论依据，以保证合龙精度及结构安全[1]。

桥梁结构的T 构是指悬臂浇筑连续梁或者连续刚构桥尚未合龙时的结构形态。 在每个梁段的悬臂浇筑施工过程中，荷载是随着各工况的进行而逐步施加的。 随着T 构悬臂向外延伸，钢筋绑扎、混凝土浇筑、挂篮前移都将会使T 构产生显著的内力变化及箱梁截面应力变化，而预应力钢筋的张拉则会大幅度地改变箱梁截面的应力分布。 此外，混凝土的收缩、徐变和温度变化等因素也将使得桥梁结构在施工过程中产生更加复杂的变形及应力变化规律。 MIDAS/Civil 是用于桥梁结构力学分析的专业软件，能够综合考虑混凝土收缩、徐变、结构体系温差、环境整体温度等对桥梁结构的影响，精确地模拟桥梁结构的实际施工过程并反映结构行为，得到各施工工况下的位移和受力状态。 因此，对于本文工程实例大跨径预应力混凝土连续刚构桥应力监测及其变化规律的研究分析将结合MIDAS/Civil 的有限元分析结果展开。

2.1 MIDAS/Civil 有限元计算模型简介

根据工程设计实例的桥型布置与结构构造特点， 基于有限单元法， 采用桥梁结构分析专业软件MIDAS/Civil 将全桥离散并简化为平面杆系结构， 对结构进行分析计算， 有限元计算模型如图2所示。 在有限元模型中，桥梁各构件均采用梁单元模拟，全桥共145 个节点，划分为128 个梁单元。 主墩分为24 个单元，上部箱梁结构分为104 个单元。其中每个主墩上部的箱梁0 号段考虑到横隔板的影响划分为6 个单元；悬臂部分的梁段按照设计的20 个块段划分为20 个单元； 跨中合龙段划分为2 个单元；边跨合龙段划分为1 个单元，两端的边跨现浇段各划分为4 个单元。 模型中充分考虑了施工及运营阶段的桥梁各部分的结构刚度的模拟和各种荷载的作用过程。

图2 MIDAS/Civil 全桥结构模型

2.2 边界条件及计算参数

悬臂施工在合龙前后会发生结构体系转换，但与连续梁桥不同的是，连续刚构桥因墩梁固结而不存在桥梁结构的边界条件变化。 有限元模型的边界条件设有外部边界条件和内部约束条件：包括主墩桩底采用固接形式（不考虑桩土之间的相互作用）；主墩与主梁之间采用刚性连接；两端的边跨现浇段采用一般支承模拟。上部结构主梁梁体采用C50 混凝土，弹性模量为3.45 GPa，泊松比为0.2，混凝土比重γ＝25000 kN/m3。 箱梁顶板纵向预应力钢筋采用标准强度级别1860 MPa， 张拉控制应力为1395 MPa， 公称直径为15.2 mm 高强度低松弛钢绞线，弹性模量为195000 MPa，泊松比取0.3，钢绞线松弛损失为张拉控制应力的3.5%，管道摩阻系数为0.17，偏差系数为0.0015，锚具回缩取6 mm。

2.3 有限元模型截面应力计算结果

将上述所建立的MIDAS/Civil 有限元模型结合施工阶段的划分进行计算分析，得到各施工阶段主梁的内力及应力结果。 主梁及主墩控制截面在各工况下的应力理论计算结果如表1～3 所示。

表1 主梁控制截面顶板应力理论值（单位：MPa）

表2 主梁控制截面底板应力理论值（单位：MPa）

表3 主墩控制截面应力各测点理论值（单位：MPa）

3 应力监测及对比分析结果

3.1 应力监测截面及测点布置

随着悬臂浇筑施工过程的进行，主墩内力和主梁根部产生的弯矩将不断加大，因此要对主墩和主梁控制截面的应力状态进行实时监测以确保关键受力部位的在相关规范规定的容许范围内，以此作为主体结构施工过程的安全预警系统，保障主体结构的施工安全性。

主墩在偏心荷载作用下，墩底截面外侧的应力最大，因此主墩应力监测截面应当布置在底部截面外侧；上部结构在悬臂施工过程中，根部位置内力最大，因此主梁应力监测截面设置在根部。 此外，为监测合龙后全桥关键截面的应力状态，还应分别在中跨合龙部位、边跨L/3 跨位置等正弯矩最大值截面布置应力测点。 综上，应力监测截面位置如图3 所示，上部结构共布置7 个应力监测截面（1-1 至7-7截面），主墩共布置2 个应力监测截面，应力监测截面布置如图3 所示[5]。 本工程采用振弦式埋入应变计配合传感器读数仪进行应力数据采集，考虑到混凝土浇捣过程中可能导致的测点损坏及测试偏差，为保证应力测点采集数值的正确性，上部结构分别在箱梁的顶板和底板布置3 个测点，每个主墩应力监测截面布置4 个应力测点。 应力监测截面的测点布置如图4～5 所示。

图3 应力监测截面布置图

图4 箱梁截面应力测点布置图

图5 主墩截面应力测点布置图

3.2 应力监测结果分析

3.2.1 主梁应力理论值与实测值对比

由于本工程悬臂浇筑施工过程完全对称，所以2 个T 构在悬臂施工过程中的内力状态相似。 因此在分析悬臂施工过程中的主梁控制截面应力时，只将3-3 截面顶板和底板的应力实测值与理论值进行对比分析。 以每个梁段的挂篮安装、钢筋绑扎及混凝土浇筑初凝、预应力钢筋张拉全部完成为1 个完整的应力采集周期，分别在以上每个工况完成时进行应力数据读取。随着各施工阶段进行，3-3 截面的应力值变化趋势如图6 所示，其中主刻度和次刻度的位置分别对应着上述工况的完成，即从起始点起每3 个刻度线表示一个梁段施工工况的完整进行，取压应力为正值。

图6 主梁3-3 截面应力趋势变化

由图6 可以看出，各测点的实测值均与模型理论计算值接近，偏差较小。 该桥在悬臂施工过程中，主梁控制截面的顶板和底板均处于受压状态，即全截面受压而不产生拉应力，符合全预应力混凝土构件的设计要求。 其中顶板的应力随着各工况的循环进行呈明显的往复上升趋势， 应力的变化幅度较大。 造成截面应力往复上升的原因在于挂篮前移以及混凝土浇筑所造成的截面应力变化与预应力钢筋张拉所造成的截面应力变化是相反的。 在10#梁段前的施工过程中，底板的压应力值非常低，且变化幅度并不明显，接近受压与受拉的临界值。 随着10#梁段开始施工， 底板应力才呈明显的往复上升趋势。 由此可知在悬臂施工阶段的前期，张拉控制应力对底板应力控制至关重要，在实际工程中应着重关注箱梁底板的应力变化情况，分析造成不利影响的原因，避免使其产生拉应力而无法达到设计要求。 最后，当悬臂浇筑施工进行至最大悬臂阶段时，控制截面的出现的最大应力约为13 MPa，位于箱梁顶板附近。

3.2.2 主墩应力理论值与实测值对比

同理，由于2 个主墩的尺寸及构造基本相同，仅取1# 墩的应力监测截面A-A 进行应力实测值与理论值的对比分析， 应力值变化趋势如图7 所示，实测应力采集的工况及表示方法同上所述。 从应力变化趋势图可以看出，应力监测截面位于双肢薄壁墩两侧各测点的应力变化趋势在悬臂浇筑施工至10#梁段前较为一致，但是从10# 梁段开始，主墩应力变化趋势开始往不同方向分化，说明此时主墩受偏心荷载的影响逐渐变大。 与主梁3-3 截面的应力情况不同的是， 主墩应力变化趋势总体较为缓和，挂篮安装和预应力钢筋张拉对于主墩应力造成的影响较小， 混凝土的浇筑对主墩应力的影响较大。此外， 即使当悬臂浇筑施工进行至最大悬臂状态时，所监测到的主墩截面应力最大值约为6.5 MPa，说明主墩总体处于较低的应力状态，根据结构设计的基本原则，主墩处于低应力状态能够保障桥梁主体结构施工过程的安全性。

图7 主墩A-A 截面应力趋势变化

4 结论

以某山区一座大跨径预应力混凝土连续刚构桥为工程背景， 结合MIDAS/Civil 有限元计算模型对悬臂浇筑施工过程进行截面应力监测分析，得到相关结论与经验如下：（1）运用MIDAS/Civil 有限元模型计算的大跨径预应力混凝土连续刚构桥控制截面应力理论值与应力实测值的变化趋势一致且数值偏差较小，计算结果可以用作实际工程中应力监测的参照和对比分析；（2）大跨径预应力混凝土刚构桥随着每个梁段各工况的进行，主梁应力变化受施工工况影响较大，主墩应力变化受梁段施工工况影响较小；（3）主墩截面两侧应力变化趋势不同，说明挂篮对称悬臂施工过程主墩会受偏心荷载影响；（4）悬臂浇筑施工过程前期，主梁梁段各工况造成的底板应力变化不明显， 且主梁底板压应力较小，接近受压与受拉的临界值，对全预应力混凝土构件的设计施工不利，施工过程应当注意张拉控制应力的施加；（5）挂篮对称悬臂浇筑施工至中跨L/4附近时，大跨径预应力混凝土连续刚构桥应力变化趋势开始发生显著改变。