某連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力損失識別方法探討

楊 曙

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

大跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的應(yīng)用非常廣泛，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為剛度大、行車穩(wěn)定性高、抗震性能等，尤其是在跨度為50~200 m內(nèi)，其競爭優(yōu)勢更加明顯。大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的預(yù)應(yīng)力體系結(jié)構(gòu)分為橫向、縱向、豎向，但隨著其使用年限不斷增加，各種問題也日益顯現(xiàn)出來。有些在役橋梁相繼出現(xiàn)了各種程度的病害，主要有跨中下?lián)?、腹板、底板開裂等，這就需要準(zhǔn)確地識別預(yù)應(yīng)力損失[1-3]。該文具體研究了某公路大橋，通過分析監(jiān)測該橋所得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對鋼束在其使用過程中的預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了全面分析。通過運(yùn)用撓度影響矩陣，對主梁變形程度實(shí)施測量，提出具體方法用于反演鋼束預(yù)應(yīng)力損失。監(jiān)測主梁成橋一年內(nèi)的撓度值，對預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行反演，對比所得結(jié)果與實(shí)測的預(yù)應(yīng)力損失值，以驗(yàn)證方法的可行性。

1 工程概況

某公路大橋長度為1 434 m，屬于單聯(lián)15跨非對稱預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，其主梁截面為單箱雙室，橋型布置見圖1。上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用了全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力體系分為縱、橫、豎三向。主梁共有左、右兩幅，單幅橋的寬度為16.9m。

圖1 橋型布置

2 建立有限元分析模型

構(gòu)建有限元模型，運(yùn)用了Midas/Civil，該公路大橋的預(yù)應(yīng)力鋼束共有421根，各節(jié)段離散為梁n。構(gòu)建模型時(shí)，樁基并不屬于其考慮的影響因素，主橋結(jié)構(gòu)共包含336個(gè)單元。主橋成橋有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

3 監(jiān)測系統(tǒng)及實(shí)測應(yīng)力分析

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)

該大橋監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件和軟件兩塊，硬件部分主要包含：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)收集和存儲系統(tǒng)。軟件部分主要有長期監(jiān)測服務(wù)端系統(tǒng)、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上基于數(shù)據(jù)深度處理的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別系統(tǒng)等。

大橋長期監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，對鋼束有效拉力進(jìn)行準(zhǔn)確測量，會采用JMZX-3110HAT型錨索計(jì)這一儀器。該儀器是在156 m跨合龍束3TH1的錨固端設(shè)置，系統(tǒng)會每四小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，能自動讀取并保存。鋼束有效張拉力即為錨索測力計(jì)的測量數(shù)據(jù)。通過檢測了解到，鋼束3TH1的截面共計(jì)為1 260 mm2。實(shí)際應(yīng)用中，會將效拉力與鋼束截面總面積相除，獲得有效應(yīng)力，主要目的是便于開展研究。

3.2 實(shí)測應(yīng)力分析

運(yùn)用由長期監(jiān)測系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)值，針對大橋運(yùn)營期間預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力的變化，開展規(guī)律性研究，測得應(yīng)力變化分為短期和長期的[4-5]。

（1）大橋建成于2019年11月，選取一年內(nèi)溫度值變動較小的一周內(nèi)的測量值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)所測數(shù)據(jù)，可知相對于大橋建成后半年鋼束的單日應(yīng)力變動，成橋初期的要大得多，成橋初期的為0.8 MPa，而半年后最大可增至4 MPa。

（2）在溫度最低的1月份和溫度最高的8月份，選出一周測量出的單日數(shù)據(jù)，通過對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知其溫度較低，一周內(nèi)單日內(nèi)鋼束應(yīng)力變化值不超過0.8 MPa。而當(dāng)溫度升高時(shí)，其鋼束應(yīng)力變化值最大會增至1.6 MPa。實(shí)測應(yīng)力分析中介紹的溫度，等于箱梁內(nèi)部鋼束周邊溫度[6]。

4 預(yù)應(yīng)力損失識別

4.1 預(yù)應(yīng)力損失識別過程

首先，根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼束的方位及特點(diǎn)，對其實(shí)行分組；其次，將各組的預(yù)應(yīng)力鋼束的預(yù)應(yīng)力損失當(dāng)做影響因素之一，采用有限元分析方法，計(jì)算出撓度影響矩陣；最后，依照不同撓度的變化量，并通過運(yùn)用撓度影響矩陣，對預(yù)應(yīng)力損失的影響程度作出判斷，獲得實(shí)際的預(yù)應(yīng)力損失程度[7]。

通過長期監(jiān)測撓度，識別預(yù)應(yīng)力損失的過程包括：①構(gòu)建撓度影響矩陣，確保具有較高準(zhǔn)確度。由單位預(yù)應(yīng)力損失量導(dǎo)致產(chǎn)生的橋梁監(jiān)測位置的撓度變量，是矩陣的具體構(gòu)成要素，通過有限元軟件可算出該值。②通過運(yùn)用撓度影響矩陣設(shè)計(jì)方程式，明確預(yù)應(yīng)力損失與監(jiān)測位置實(shí)測的撓度變化值的關(guān)系。③運(yùn)用多元函數(shù)求極值法，可對各種鋼束組的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行準(zhǔn)確識別。主要識別過程見圖3。

圖3 長期撓度反演預(yù)應(yīng)力損失識別流程

4.2 長期撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)

在該公路大橋長期監(jiān)測系統(tǒng)中，撓度測量主要使用的是TZT-3500A型液壓式靜力水準(zhǔn)儀。從左幅橋跨上選取16個(gè)關(guān)鍵位置，布置見圖4。

圖4 大橋左幅撓度監(jiān)測位置分布

將2019年11月17日至20日凌晨4:00測出的撓度值當(dāng)做基準(zhǔn)，通過溫度傳感器測量出的溫度大約為21 ℃。選取2020年11月17日至20日凌晨4:00測出的撓度值當(dāng)做評估比較值，通過溫度傳感器測量出的溫度大約為19 ℃，相比較于去年同期，溫度值沒有明顯變化。所選2次撓度數(shù)據(jù)及其差值見表1。

表1 監(jiān)測截面處所測撓度數(shù)據(jù)成果表

4.3 預(yù)應(yīng)力損失的識別

對主梁撓度實(shí)施現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)，在選定監(jiān)測時(shí)段時(shí)，將溫度因素影響及由車輛荷載產(chǎn)生的撓度變化不考慮在內(nèi)，盡管凌晨三四點(diǎn)時(shí)很少有汽車通過大橋，但這種可能性并不能排除，還有測量活動會出現(xiàn)誤差，這就導(dǎo)致監(jiān)測值偏離實(shí)際撓度值[8-9]。

該文對測量偏差實(shí)施模擬，使用的高斯隨機(jī)過程中均值為0、方差為1，將其分別與3%、5%相乘。各鋼束組預(yù)設(shè)應(yīng)力損失：頂板鋼束組1%（13.95 MPa），腹板鋼束組2%（27.90 MPa）、底板鋼束組3%（41.85 MPa）。測量撓度會產(chǎn)生一定誤差，將其考慮在內(nèi)，識別結(jié)果見表2。

表2 各鋼束組損失識別結(jié)論

依照主梁實(shí)測撓度變化值反演出的156 m跨3TH1鋼束預(yù)應(yīng)力損失結(jié)果見表3。

表3 鋼束預(yù)應(yīng)力損失反演結(jié)論

由表3可知，運(yùn)用主梁實(shí)測撓度變化值對1年內(nèi)的合龍束進(jìn)行反演，計(jì)算出的應(yīng)力損失值為22.59 MPa，實(shí)測損失值為23.41 MPa，兩者大體相近，由此可證明該方法具有較高的可行性。

5 結(jié)論

綜上所述，該連續(xù)梁橋基于撓度影響矩陣，提出了利用主梁實(shí)測撓度值，反演鋼束預(yù)應(yīng)力損失的方法[10]。采用該文所述預(yù)應(yīng)力損失方法進(jìn)行具體識別，并將識別結(jié)論與實(shí)測預(yù)應(yīng)力損失值進(jìn)行對比分析，可得出以下結(jié)論：

（1）分析短期內(nèi)實(shí)測應(yīng)力的變化可知，當(dāng)溫度上升時(shí)，鋼束應(yīng)力下降，反之則增加。

（2）大橋建成運(yùn)營一年來，受到溫度及車輛荷載的聯(lián)合影響，應(yīng)力值會有較小幅度的波動，整體來講屬于下降趨勢，由此可知鋼束出現(xiàn)了部分損失。

（3）將一年內(nèi)每月的實(shí)測應(yīng)力損失值和有限元計(jì)算值作比較，受溫度的影響，前者在后者周邊波動。監(jiān)測的鋼束1年應(yīng)力損失的實(shí)測值為23.41 MPa。

（4）運(yùn)用主梁成橋一年期間實(shí)測的撓度值，對預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行反演，將其對比實(shí)測的預(yù)應(yīng)力損失值，可證明所提方法具有較高可行性，有助于準(zhǔn)確識別該類橋梁的預(yù)應(yīng)力損失。