浅谈预应力混凝土简支梁桥的施工监测技术_黎颉

2010年 第8期(总第198期)
黑龙江交通科技
HE I L ONG JI A NG J I A OTONG KEJI
No .8,2010
(S u m No .198)
浅谈预应力混凝土简支梁桥的施工监测技术
黎 颉
(长沙市公路桥梁建设有限责任公司)
摘 要:以Y 桥为依托工程,对该桥在施工过程中(特别是主梁预制过程中)对主要控制断面进行了应力跟踪监测,监测的主要内容包括主要控制截面累计施工应力监测、预拱度和侧向变形监测与分析、刚度评价。

关键词:预应力混凝土;简支梁;施工监测;桥梁
中图分类号:U 44517 文献标识码:C 文章编号:1008-3383(2010)08-0157-02
收稿日期:2010-06-25
1 工程背景1.1 结构尺寸
Y 桥为公路大桥,设计荷载等级为汽-20级,挂-100级;桥面宽度为双向八车道,43.2m 。

Y 桥主梁采用采用拉压双预应力简支梁,梁长48.8m (斜交25b ),计算跨径48.0m ,梁高1.60m,高跨比1/30.5;中-中梁间距1.53m,中-梁间距1.545m,中梁预制宽度1.10m,边梁预制宽度1.36m ;中-中梁翼板间留有0.43m 宽的湿接缝,中-边梁翼板间留有0.415m 宽的湿接缝,以加强桥梁的整体性,同时也可以减轻吊装的重量。

主梁顶板厚23~25cm ;腹板宽22cm ;底板宽90c m,厚20~30c m 。

主梁具有大跨度,低高度,侧向刚度校,横截面抗扭惯矩小,显著增加了吊装的施工难度等特点。

1.2 预应力布置
主梁顶板内布置10根30Cr M nsi A 预压调质钢管,在四分点前后分三次弯出顶板下缘锚固,锚点设齿板;底板内布置5根15~9和1根15~7预拉应力钢绞线,在梁端分别弯起锚固。

1.3 主要材料
主梁和翼板湿接缝采用C 50混凝土,采用早强快硬水泥,水泥用量不小于475kg /m 3,石子的粒径采用5~20nun 。

预拉预应力钢绞线,采用高强度低松弛钢绞线,标准强度1860M P a ,弹性模量1.95@105M P a 。

预压预应力束:采用30C r M nsi A 热处理高强合金无缝钢管,屈服强度885M Pa ,弹
性模量2.0@105
M P a 。

钢板采用钢束锚板采用Q 345钢。

普通钢筋采用I 、Ò级钢。

2 预应力混凝土梁施工监测简介
为了确保该桥主梁施工安全和施工质量,该桥在施工过程中(特别是主梁预制过程中)对主要控制断面进行了应力跟踪监测。

主要目的是为了及时发现梁体在预应力钢束张拉、预应力钢管放张施工过程中可能产生的异常应力、异常挠度(包括侧向)变化等情况,以便及时调整施工方法。

项目历时4个多月。

监测项目主要分为:主要控制截面累计施工应力监测、预拱度和侧向变形监测与分析、裸梁及成桥状态自振频率检测(刚度评价)。

3 主要控制截面累计施工应力监测
/双向预应力0梁工作截面的预应力效应,是由预应力钢束和钢管作用叠加形成的。

本项目中的应力监测,其目的就是采用跟踪监测的手段掌握施工过程中主要控制截面混凝土是否建立起正常的预应力效应。

3.1 监测控制截面与测点
在常用的工程测试技术中,构件的应力是通过安装在检
测部位的传感元件(表面粘贴应变片或在构件内部预装应变传感器),检测/相关荷载0作用下构件截面纤维变形方向的/应变(=v L /L )0,然后通过被测构件的材料特性参数(主要是弹性模量E)间接计算测量/应力0。

为了提高检测数据的有效性和可靠性,本工程中采用了两种手段,即现场粘贴应变片和预埋应变传感器的方法进行应变检测。

3.2 应力检测
项目采用的传感器为VW -4200型,标距为150mm;应变量程为3000LE ;最小应变分辨率为1.0LE ;非线性度<0.5%F.S .。

配套的检测记录仪表为VW -403C 。

根据施工进度和现场条件,采用应变片监测了第一根梁(编号B1),随后选择了三根梁(编号:Z9;Z10;Z15)分批逐渐预埋安装了共计25枚钢弦式应变传感器。

待构件混凝土达到设计强度后开始跟踪检测传感器读数变化值。

预埋传感器与构件同步变形,因此所测的数据将反映了施工过程中构件所张拉预应力钢束,放张预应力钢管以及吊装前后其他施工荷载产生的效应。

混凝土材料随龄期不同而表现的/收缩0/徐变0应变;不同检测时刻环境温度产生的应变也将叠加在上述主要的施工荷载效应中,这是需要在数据分析中加以甄别的。

项目最后一次检测时桥面己完成混凝土铺装施工,因此全程施工监测包括了构件混凝土自重效应、预应力效应、以及部分二期恒载效应等,可以认为最终监测的累计应力基本上为该桥主梁的实际/恒载应力0。

4 预拱度和侧向挠曲变形监测分析
后张法施工的预应力梁,随着预应力钢束的逐步张拉,裸梁将相应的产生竖向挠曲变形(预拱效应),预拱挠度的设置是根据该桥梁的长期持续荷载效应弹性挠度、活载效应挠度、以及混凝土材料的终极徐变、收缩影响综合确定的。

监测预应力施工过程中裸梁的预拱度变化,是为了验证分析有效预应力效应的建立。

该桥裸梁较/细长0,截面的竖向和横向抗弯刚度相对较小;施工中对N 1、N 2实施交替的单侧张拉时可能产生侧向挠曲变形,为确保施工安全,对裸梁的变形监测尤为重要。

5 裸梁及成桥状态自振频率检测
由于该桥梁高与跨经之比较小,即截面线刚度较小,通过监测手段了解结构的实际刚度表现是本次施工监测的内容之一。

项目中采用传感器检测记录成品裸梁和成桥状态的竖向振动时域信号,再通过软件分析得到简支状态上述两种工况下结构竖向自振频率。

根据结构振动原理,在边界条件确定的情况下,自振频率的大小反映了该结构实际刚度的大小。

监测采用的传感器为891-2型超低频高精度拾振器
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总第198期黑龙江交通科技第8期
和相应的配套二次仪表。

6主要应力监测结果
6.1应变片法监测结果
采用应变片检测张拉过程中主梁跨中和四分点下缘的混凝土应变。

分别为各预应力钢束张拉过程中监测的应变效应,B l梁跨中、四分点下缘两侧的检测结果。

检测中采用计算机控制自动连续采样方式记录(自动进行每秒10次间隙采样)。

应变曲线反映的主要检测结果是以下几方面。

(1)通过分批、分级张拉预应力钢束N2、N3、N4、N1主梁混凝土下缘混凝土随之逐渐产生预应力(应变)效应,图中可见跨中截面的应变略小于四分点截面,这与设计计算时的结果相吻合;
(2)布置测点时在截面的两侧均有测点,见上述图中两根应变变化曲线。

曲线的形态随预应力的施加,其变化趋势大致相同,但同一时刻的示值应变不同,这是截面两侧的预应力建立有一定差异的表现。

从施工现场对该梁的变形(挠度)的监测可见:该梁在产生竖向预拱挠度的同时,发生了一定程度的横向变形。

经分析变形的方向与两侧应变差相互印证;
(3)张拉完所有预应力钢束后(时刻)。

跨中截面下缘测点处混凝土平均应变为398LE(压);相当于13.1M P a硅应力。

四分点截面下缘测点处混凝土平均应变为454LE (压);相当于14M Pa混凝土应力。

实测结果与理论计算基本吻合;
(4)4月12日进行放张施工,预先在检测梁(B1#)的跨中截面上下缘分别布置了应变片测点,采用同样方法进行施工过程监测。

检测结果:上缘混凝土产生应变增量:120LE (拉);相当于4.1M P a硷应力增量;下缘混凝土产生应变增量:-29LE(压);相当于1.0M Pa硅应力增量。

上述实测结果与计算基本相符。

6.2应变传感器法监测结果
由于应变片不适宜用于长期监测,本工程监测中仅分别用于张拉钢束和放张钢管时(短期)的混凝土应变增量监测。

主梁从制作到架梁、横向现浇连接以及桥面铺装的全部施工过程的荷载效应,采用预埋传感器法进行较长时的跟踪监测。

桥为上下行二幅桥梁,每幅桥梁由13榀梁组成,全桥共计26榀梁。

为有一定的代表性,随抽取3榀梁安装测点,测点主要安装在跨简梁跨中截面控制),其中选择一榀梁还在四分点也布置了测点。

主要工况测点应变示值变化曲线反映了梁体混凝土施工完成后,随着预应力施工、吊装、浇筑横向联系现浇段和浇.筑完桥面混凝土铺装过程中施工荷载产生的效应(应变)。

分析可知以下两点。

(1)随着张拉钢绞线过程,梁的检测截面逐渐建立预压应力,其应力变化的过程(曲线)与前述采用应变片监测结果基本一致;
(2)放张预压应力钢管后,各梁跨中截面的上缘产生89LE,相当于3.0M P a拉应力增量;下缘产生-22LE,相当于0.7M Pa压应力增量;与上述应变片检测结果基本一致。

设计计算中上缘应力增量为此荷载效应是截面上缘预压钢管N5-N7放张后其储存的轴向力对截面产生的,也是该梁所谓/双向预应力0的内力特征。

以上述施工监测结果作为评价样本,取平均值与理论计算比较,见表1。

表1施工监测应力实测与设计计算值对比表
施工工况
实测平均
值/M Pa
设计计算
值/M Pa
比较(实测-
计算)
预应力施
工完成时
L2
上缘
下缘
-7.0
-1511
-5.98
-12143
-1.02
-2.67
L4
上缘
下缘
-5.8
-1513
-3.64
-14197
-2.16
-0.33
混凝土铺
装完成后
L2
上缘
下缘
-8.5
-1411
-7.82
-13125
-0.68
-0185
L4
上缘
下缘
-7.2
1410
-7.75
-1217
-0.55
-1.3表中数据表明以下几点。

(1)该桥主梁主要控制截面应力(包括有效预应力和主要恒载应力)与设计计算值基本一致,说明梁体实际有效预应力效应满足设计要求;
(2)根据设计规范,自主梁预制、裸梁吊装、横向连接和浇注桥面铺装等主要施工阶段中,实测最大截面为应力-15.3M Pa(压),小于规范允许的施工阶段应力限值,因此满足规范要求。

参考文献:
[1]李国平1桥梁预应力混凝土技术及设计原理[M].人民交通
出版社,20041
[2]杨文渊,张稗1桥梁工程师手册[M].人民交通出版社,20001
[3]周志祥,范亮,吴海军1预应力混凝土桥梁新技术)探索与实
践[M].人民交通出版社,20051
(上接第156页)
最大双悬臂状态稳定性。

对双薄壁墩上柱,K
1=1567,K
2
=0.397,将K
1
、K
2
代入
式2,可求得L在1.33与1.331之间,取L=1.33。

对双薄
壁墩下柱,K
1=0.397,K
2
=],将K
1
、K
2
(取足够大数)代入
式2,同样可求得L在1.33与1.331之间,取L=1.33。

按式3计算临界力,即
P
cr =
P2E I
(L H)2
-013q H
式中:E=3145e4M P a;I=018064;H=2215m;q= 174172kN/m。

则:P
cr
=31063e5kN
最大悬臂状态下,单个薄壁墩墩顶最大轴力为2.04e4kN,则自稳定系数K=15102。

6结论
(1)在用欧拉公式计算双薄壁墩的稳定性时,柱的计算长度的确定是关键问题。

按本文公式1及公式2,可以方便地确定柱的计算长度。

(2)红岭高架桥双薄壁墩的稳定系数最小为6.53,满足大于4的一般要求。

(3)在双薄壁墩的中间加一道横撑后,可以显著提高墩身稳定性。

按本文计算,最大双悬臂状态墩身稳定性由6.53提高到15.02。

参考文献:
[1]钢结构设计规范(GBJ17-88)1
[2]红岭高架桥施工图设计审查报告.黑龙江省公路勘察设计院
桥梁设计部,20051
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