基于MIDAS/Civil 的大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)力監(jiān)測分析

■鄭成忠

（南平市建陽區(qū)嘉禾公路建設(shè)投資有限公司，南平 353000）

隨著我國交通運輸事業(yè)的不斷發(fā)展，大跨度連續(xù)梁橋成為公路、 鐵路上的一種重要橋梁結(jié)構(gòu)形式。 其中，連續(xù)剛構(gòu)橋因可跨越河流、峽谷復雜地質(zhì)而廣泛應(yīng)用。 而在大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工過程進行截面應(yīng)力監(jiān)測能夠及時反饋懸澆施工階段任意工況下關(guān)鍵截面的應(yīng)力狀態(tài)，對現(xiàn)場各施工階段進行指導，保證橋梁的順利合龍及施工質(zhì)量[1-3]。 本文以某山區(qū)公路上的大跨度預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的主體結(jié)構(gòu)施工過程為研究背景，建立MIDAS/Civil 模型， 監(jiān)測橋梁施工過程中關(guān)鍵截面的應(yīng)力變化情況，對比分析應(yīng)力實測值與有限元模型理論計算值，得到大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工階段控制截面的應(yīng)力變化規(guī)律，為相同類型工程的施工和設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 工程背景

本文依托的橋梁工程實例是位于某山區(qū)公路的一座大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁立面布置如圖1 所示。 橋梁主墩采用雙肢薄壁墩結(jié)構(gòu)，橋梁上部結(jié)構(gòu)為跨徑布置采用（86+156+86）m 的3 跨變截面現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)箱梁。 箱梁截面形式為單箱單室直腹板，頂板寬12.4 m，底板寬6.6 m，梁體兩側(cè)翼板懸臂長度2.9 m，根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，箱梁底板高度曲線從距離主墩中心4.5 m至合龍段處采用2 次拋物線變化。 箱梁頂板通過箱梁直腹板高差設(shè)置2%單向橫坡。 箱梁0 號段長12 m，主梁在縱橋向劃分為1#～20# 共20 個對稱梁段。 橋梁各塊段采用掛籃對稱懸臂澆筑施工，懸臂施工階段的主要工況包括：①掛籃安裝；②綁扎鋼筋；③澆筑混凝土；④預應(yīng)力鋼筋張拉；以上步驟循環(huán)一次則完成一個懸臂梁段的施工，重復以上工況直到合龍[4]。 在懸臂施工階段過程中，基于MIDAS/Civil的有限元模型分析結(jié)果，結(jié)合該橋的主要施工順序?qū)υ摌虻目刂平孛鎸嵭袘?yīng)力監(jiān)測分析，將模型中各工況截面應(yīng)力理論值與各工況截面應(yīng)力實測值進行對比分析，得到大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工過程中關(guān)鍵截面的應(yīng)力變化規(guī)律。

圖1 立面布置圖

2 MIDAS/Civil 有限元仿真模擬

在橋梁在施工過程中對橋梁的受力狀況和位移變形進行有限元仿真模擬設(shè)計可以為施工立模標高、施工偏差分析及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析提供理論依據(jù)，以保證合龍精度及結(jié)構(gòu)安全[1]。

橋梁結(jié)構(gòu)的T 構(gòu)是指懸臂澆筑連續(xù)梁或者連續(xù)剛構(gòu)橋尚未合龍時的結(jié)構(gòu)形態(tài)。 在每個梁段的懸臂澆筑施工過程中，荷載是隨著各工況的進行而逐步施加的。 隨著T 構(gòu)懸臂向外延伸，鋼筋綁扎、混凝土澆筑、掛籃前移都將會使T 構(gòu)產(chǎn)生顯著的內(nèi)力變化及箱梁截面應(yīng)力變化，而預應(yīng)力鋼筋的張拉則會大幅度地改變箱梁截面的應(yīng)力分布。 此外，混凝土的收縮、徐變和溫度變化等因素也將使得橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中產(chǎn)生更加復雜的變形及應(yīng)力變化規(guī)律。 MIDAS/Civil 是用于橋梁結(jié)構(gòu)力學分析的專業(yè)軟件，能夠綜合考慮混凝土收縮、徐變、結(jié)構(gòu)體系溫差、環(huán)境整體溫度等對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，精確地模擬橋梁結(jié)構(gòu)的實際施工過程并反映結(jié)構(gòu)行為，得到各施工工況下的位移和受力狀態(tài)。 因此，對于本文工程實例大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)力監(jiān)測及其變化規(guī)律的研究分析將結(jié)合MIDAS/Civil 的有限元分析結(jié)果展開。

2.1 MIDAS/Civil 有限元計算模型簡介

根據(jù)工程設(shè)計實例的橋型布置與結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點， 基于有限單元法， 采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專業(yè)軟件MIDAS/Civil 將全橋離散并簡化為平面桿系結(jié)構(gòu)， 對結(jié)構(gòu)進行分析計算， 有限元計算模型如圖2所示。 在有限元模型中，橋梁各構(gòu)件均采用梁單元模擬，全橋共145 個節(jié)點，劃分為128 個梁單元。 主墩分為24 個單元，上部箱梁結(jié)構(gòu)分為104 個單元。其中每個主墩上部的箱梁0 號段考慮到橫隔板的影響劃分為6 個單元；懸臂部分的梁段按照設(shè)計的20 個塊段劃分為20 個單元； 跨中合龍段劃分為2 個單元；邊跨合龍段劃分為1 個單元，兩端的邊跨現(xiàn)澆段各劃分為4 個單元。 模型中充分考慮了施工及運營階段的橋梁各部分的結(jié)構(gòu)剛度的模擬和各種荷載的作用過程。

圖2 MIDAS/Civil 全橋結(jié)構(gòu)模型

2.2 邊界條件及計算參數(shù)

懸臂施工在合龍前后會發(fā)生結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，但與連續(xù)梁橋不同的是，連續(xù)剛構(gòu)橋因墩梁固結(jié)而不存在橋梁結(jié)構(gòu)的邊界條件變化。 有限元模型的邊界條件設(shè)有外部邊界條件和內(nèi)部約束條件：包括主墩樁底采用固接形式（不考慮樁土之間的相互作用）；主墩與主梁之間采用剛性連接；兩端的邊跨現(xiàn)澆段采用一般支承模擬。上部結(jié)構(gòu)主梁梁體采用C50 混凝土，彈性模量為3.45 GPa，泊松比為0.2，混凝土比重γ＝25000 kN/m3。 箱梁頂板縱向預應(yīng)力鋼筋采用標準強度級別1860 MPa， 張拉控制應(yīng)力為1395 MPa， 公稱直徑為15.2 mm 高強度低松弛鋼絞線，彈性模量為195000 MPa，泊松比取0.3，鋼絞線松弛損失為張拉控制應(yīng)力的3.5%，管道摩阻系數(shù)為0.17，偏差系數(shù)為0.0015，錨具回縮取6 mm。

2.3 有限元模型截面應(yīng)力計算結(jié)果

將上述所建立的MIDAS/Civil 有限元模型結(jié)合施工階段的劃分進行計算分析，得到各施工階段主梁的內(nèi)力及應(yīng)力結(jié)果。 主梁及主墩控制截面在各工況下的應(yīng)力理論計算結(jié)果如表1～3 所示。

表1 主梁控制截面頂板應(yīng)力理論值（單位：MPa）

表2 主梁控制截面底板應(yīng)力理論值（單位：MPa）

表3 主墩控制截面應(yīng)力各測點理論值（單位：MPa）

3 應(yīng)力監(jiān)測及對比分析結(jié)果

3.1 應(yīng)力監(jiān)測截面及測點布置

隨著懸臂澆筑施工過程的進行，主墩內(nèi)力和主梁根部產(chǎn)生的彎矩將不斷加大，因此要對主墩和主梁控制截面的應(yīng)力狀態(tài)進行實時監(jiān)測以確保關(guān)鍵受力部位的在相關(guān)規(guī)范規(guī)定的容許范圍內(nèi)，以此作為主體結(jié)構(gòu)施工過程的安全預警系統(tǒng)，保障主體結(jié)構(gòu)的施工安全性。

主墩在偏心荷載作用下，墩底截面外側(cè)的應(yīng)力最大，因此主墩應(yīng)力監(jiān)測截面應(yīng)當布置在底部截面外側(cè)；上部結(jié)構(gòu)在懸臂施工過程中，根部位置內(nèi)力最大，因此主梁應(yīng)力監(jiān)測截面設(shè)置在根部。 此外，為監(jiān)測合龍后全橋關(guān)鍵截面的應(yīng)力狀態(tài)，還應(yīng)分別在中跨合龍部位、邊跨L/3 跨位置等正彎矩最大值截面布置應(yīng)力測點。 綜上，應(yīng)力監(jiān)測截面位置如圖3 所示，上部結(jié)構(gòu)共布置7 個應(yīng)力監(jiān)測截面（1-1 至7-7截面），主墩共布置2 個應(yīng)力監(jiān)測截面，應(yīng)力監(jiān)測截面布置如圖3 所示[5]。 本工程采用振弦式埋入應(yīng)變計配合傳感器讀數(shù)儀進行應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，考慮到混凝土澆搗過程中可能導致的測點損壞及測試偏差，為保證應(yīng)力測點采集數(shù)值的正確性，上部結(jié)構(gòu)分別在箱梁的頂板和底板布置3 個測點，每個主墩應(yīng)力監(jiān)測截面布置4 個應(yīng)力測點。 應(yīng)力監(jiān)測截面的測點布置如圖4～5 所示。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測截面布置圖

圖4 箱梁截面應(yīng)力測點布置圖

圖5 主墩截面應(yīng)力測點布置圖

3.2 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.1 主梁應(yīng)力理論值與實測值對比

由于本工程懸臂澆筑施工過程完全對稱，所以2 個T 構(gòu)在懸臂施工過程中的內(nèi)力狀態(tài)相似。 因此在分析懸臂施工過程中的主梁控制截面應(yīng)力時，只將3-3 截面頂板和底板的應(yīng)力實測值與理論值進行對比分析。 以每個梁段的掛籃安裝、鋼筋綁扎及混凝土澆筑初凝、預應(yīng)力鋼筋張拉全部完成為1 個完整的應(yīng)力采集周期，分別在以上每個工況完成時進行應(yīng)力數(shù)據(jù)讀取。隨著各施工階段進行，3-3 截面的應(yīng)力值變化趨勢如圖6 所示，其中主刻度和次刻度的位置分別對應(yīng)著上述工況的完成，即從起始點起每3 個刻度線表示一個梁段施工工況的完整進行，取壓應(yīng)力為正值。

圖6 主梁3-3 截面應(yīng)力趨勢變化

由圖6 可以看出，各測點的實測值均與模型理論計算值接近，偏差較小。 該橋在懸臂施工過程中，主梁控制截面的頂板和底板均處于受壓狀態(tài)，即全截面受壓而不產(chǎn)生拉應(yīng)力，符合全預應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計要求。 其中頂板的應(yīng)力隨著各工況的循環(huán)進行呈明顯的往復上升趨勢， 應(yīng)力的變化幅度較大。 造成截面應(yīng)力往復上升的原因在于掛籃前移以及混凝土澆筑所造成的截面應(yīng)力變化與預應(yīng)力鋼筋張拉所造成的截面應(yīng)力變化是相反的。 在10#梁段前的施工過程中，底板的壓應(yīng)力值非常低，且變化幅度并不明顯，接近受壓與受拉的臨界值。 隨著10#梁段開始施工， 底板應(yīng)力才呈明顯的往復上升趨勢。 由此可知在懸臂施工階段的前期，張拉控制應(yīng)力對底板應(yīng)力控制至關(guān)重要，在實際工程中應(yīng)著重關(guān)注箱梁底板的應(yīng)力變化情況，分析造成不利影響的原因，避免使其產(chǎn)生拉應(yīng)力而無法達到設(shè)計要求。 最后，當懸臂澆筑施工進行至最大懸臂階段時，控制截面的出現(xiàn)的最大應(yīng)力約為13 MPa，位于箱梁頂板附近。

3.2.2 主墩應(yīng)力理論值與實測值對比

同理，由于2 個主墩的尺寸及構(gòu)造基本相同，僅取1# 墩的應(yīng)力監(jiān)測截面A-A 進行應(yīng)力實測值與理論值的對比分析， 應(yīng)力值變化趨勢如圖7 所示，實測應(yīng)力采集的工況及表示方法同上所述。 從應(yīng)力變化趨勢圖可以看出，應(yīng)力監(jiān)測截面位于雙肢薄壁墩兩側(cè)各測點的應(yīng)力變化趨勢在懸臂澆筑施工至10#梁段前較為一致，但是從10# 梁段開始，主墩應(yīng)力變化趨勢開始往不同方向分化，說明此時主墩受偏心荷載的影響逐漸變大。 與主梁3-3 截面的應(yīng)力情況不同的是， 主墩應(yīng)力變化趨勢總體較為緩和，掛籃安裝和預應(yīng)力鋼筋張拉對于主墩應(yīng)力造成的影響較小， 混凝土的澆筑對主墩應(yīng)力的影響較大。此外， 即使當懸臂澆筑施工進行至最大懸臂狀態(tài)時，所監(jiān)測到的主墩截面應(yīng)力最大值約為6.5 MPa，說明主墩總體處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則，主墩處于低應(yīng)力狀態(tài)能夠保障橋梁主體結(jié)構(gòu)施工過程的安全性。

圖7 主墩A-A 截面應(yīng)力趨勢變化

4 結(jié)論

以某山區(qū)一座大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景， 結(jié)合MIDAS/Civil 有限元計算模型對懸臂澆筑施工過程進行截面應(yīng)力監(jiān)測分析，得到相關(guān)結(jié)論與經(jīng)驗如下：（1）運用MIDAS/Civil 有限元模型計算的大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋控制截面應(yīng)力理論值與應(yīng)力實測值的變化趨勢一致且數(shù)值偏差較小，計算結(jié)果可以用作實際工程中應(yīng)力監(jiān)測的參照和對比分析；（2）大跨徑預應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋隨著每個梁段各工況的進行，主梁應(yīng)力變化受施工工況影響較大，主墩應(yīng)力變化受梁段施工工況影響較??；（3）主墩截面兩側(cè)應(yīng)力變化趨勢不同，說明掛籃對稱懸臂施工過程主墩會受偏心荷載影響；（4）懸臂澆筑施工過程前期，主梁梁段各工況造成的底板應(yīng)力變化不明顯， 且主梁底板壓應(yīng)力較小，接近受壓與受拉的臨界值，對全預應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計施工不利，施工過程應(yīng)當注意張拉控制應(yīng)力的施加；（5）掛籃對稱懸臂澆筑施工至中跨L/4附近時，大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)力變化趨勢開始發(fā)生顯著改變。