某连续梁桥预应力损失识别方法探讨

杨 曙

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

大跨预应力连续梁桥的应用非常广泛，其优势主要表现为刚度大、行车稳定性高、抗震性能等，尤其是在跨度为50~200 m内，其竞争优势更加明显。大跨度预应力连续梁桥的预应力体系结构分为横向、纵向、竖向，但随着其使用年限不断增加，各种问题也日益显现出来。有些在役桥梁相继出现了各种程度的病害，主要有跨中下挠、腹板、底板开裂等，这就需要准确地识别预应力损失[1-3]。该文具体研究了某公路大桥，通过分析监测该桥所得的各项数据，对钢束在其使用过程中的预应力变化规律进行了全面分析。通过运用挠度影响矩阵，对主梁变形程度实施测量，提出具体方法用于反演钢束预应力损失。监测主梁成桥一年内的挠度值，对预应力损失进行反演，对比所得结果与实测的预应力损失值，以验证方法的可行性。

1 工程概况

某公路大桥长度为1 434 m，属于单联15跨非对称预应力混凝土连续梁桥，其主梁截面为单箱双室，桥型布置见图1。上部结构的设计采用了全预应力混凝土结构，其预应力体系分为纵、横、竖三向。主梁共有左、右两幅，单幅桥的宽度为16.9m。

图1 桥型布置

2 建立有限元分析模型

构建有限元模型，运用了Midas/Civil，该公路大桥的预应力钢束共有421根，各节段离散为梁n。构建模型时，桩基并不属于其考虑的影响因素，主桥结构共包含336个单元。主桥成桥有限元模型见图2。

图2 有限元模型

3 监测系统及实测应力分析

3.1 监测系统

该大桥监测系统分为硬件和软件两块，硬件部分主要包含：传感器系统、数据采集系统、数据采集与传输系统，以及数据收集和存储系统。软件部分主要有长期监测服务端系统、远程计算机上基于数据深度处理的结构状态识别系统等。

大桥长期监测系统当中，对钢束有效拉力进行准确测量，会采用JMZX-3110HAT型锚索计这一仪器。该仪器是在156 m跨合龙束3TH1的锚固端设置，系统会每四小时采集一次数据，能自动读取并保存。钢束有效张拉力即为锚索测力计的测量数据。通过检测了解到，钢束3TH1的截面共计为1 260 mm2。实际应用中，会将效拉力与钢束截面总面积相除，获得有效应力，主要目的是便于开展研究。

3.2 实测应力分析

运用由长期监测系统测得的数据值，针对大桥运营期间预应力钢束应力的变化，开展规律性研究，测得应力变化分为短期和长期的[4-5]。

（1）大桥建成于2019年11月，选取一年内温度值变动较小的一周内的测量值。经统计所测数据，可知相对于大桥建成后半年钢束的单日应力变动，成桥初期的要大得多，成桥初期的为0.8 MPa，而半年后最大可增至4 MPa。

（2）在温度最低的1月份和温度最高的8月份，选出一周测量出的单日数据，通过对所得数据进行统计，可知其温度较低，一周内单日内钢束应力变化值不超过0.8 MPa。而当温度升高时，其钢束应力变化值最大会增至1.6 MPa。实测应力分析中介绍的温度，等于箱梁内部钢束周边温度[6]。

4 预应力损失识别

4.1 预应力损失识别过程

首先，根据预应力钢束的方位及特点，对其实行分组；其次，将各组的预应力钢束的预应力损失当做影响因素之一，采用有限元分析方法，计算出挠度影响矩阵；最后，依照不同挠度的变化量，并通过运用挠度影响矩阵，对预应力损失的影响程度作出判断，获得实际的预应力损失程度[7]。

通过长期监测挠度，识别预应力损失的过程包括：①构建挠度影响矩阵，确保具有较高准确度。由单位预应力损失量导致产生的桥梁监测位置的挠度变量，是矩阵的具体构成要素，通过有限元软件可算出该值。②通过运用挠度影响矩阵设计方程式，明确预应力损失与监测位置实测的挠度变化值的关系。③运用多元函数求极值法，可对各种钢束组的预应力损失进行准确识别。主要识别过程见图3。

图3 长期挠度反演预应力损失识别流程

4.2 长期挠度监测数据

在该公路大桥长期监测系统中，挠度测量主要使用的是TZT-3500A型液压式静力水准仪。从左幅桥跨上选取16个关键位置，布置见图4。

图4 大桥左幅挠度监测位置分布

将2019年11月17日至20日凌晨4:00测出的挠度值当做基准，通过温度传感器测量出的温度大约为21 ℃。选取2020年11月17日至20日凌晨4:00测出的挠度值当做评估比较值，通过温度传感器测量出的温度大约为19 ℃，相比较于去年同期，温度值没有明显变化。所选2次挠度数据及其差值见表1。

表1 监测截面处所测挠度数据成果表

4.3 预应力损失的识别

对主梁挠度实施现场监测时，在选定监测时段时，将温度因素影响及由车辆荷载产生的挠度变化不考虑在内，尽管凌晨三四点时很少有汽车通过大桥，但这种可能性并不能排除，还有测量活动会出现误差，这就导致监测值偏离实际挠度值[8-9]。

该文对测量偏差实施模拟，使用的高斯随机过程中均值为0、方差为1，将其分别与3%、5%相乘。各钢束组预设应力损失：顶板钢束组1%（13.95 MPa），腹板钢束组2%（27.90 MPa）、底板钢束组3%（41.85 MPa）。测量挠度会产生一定误差，将其考虑在内，识别结果见表2。

表2 各钢束组损失识别结论

依照主梁实测挠度变化值反演出的156 m跨3TH1钢束预应力损失结果见表3。

表3 钢束预应力损失反演结论

由表3可知，运用主梁实测挠度变化值对1年内的合龙束进行反演，计算出的应力损失值为22.59 MPa，实测损失值为23.41 MPa，两者大体相近，由此可证明该方法具有较高的可行性。

5 结论

综上所述，该连续梁桥基于挠度影响矩阵，提出了利用主梁实测挠度值，反演钢束预应力损失的方法[10]。采用该文所述预应力损失方法进行具体识别，并将识别结论与实测预应力损失值进行对比分析，可得出以下结论：

（1）分析短期内实测应力的变化可知，当温度上升时，钢束应力下降，反之则增加。

（2）大桥建成运营一年来，受到温度及车辆荷载的联合影响，应力值会有较小幅度的波动，整体来讲属于下降趋势，由此可知钢束出现了部分损失。

（3）将一年内每月的实测应力损失值和有限元计算值作比较，受温度的影响，前者在后者周边波动。监测的钢束1年应力损失的实测值为23.41 MPa。

（4）运用主梁成桥一年期间实测的挠度值，对预应力损失进行反演，将其对比实测的预应力损失值，可证明所提方法具有较高可行性，有助于准确识别该类桥梁的预应力损失。