大跨预应力混凝土连续梁桥的预应力损失探讨

大跨预应力混凝土连续梁桥的预应力损失探讨

李万明

昭通市巧善沿线高速公路投资开发有限公司 云南省 昭通市 657000

摘要：大跨预应力砼（混凝土）连续梁桥预应力损失对桥梁受力情况及运作有影响，预应力损失太大会引起主梁跨中下扰、腹下板断裂、承载力降低，而且危害结构稳定。本文以某大桥为例，针对该桥创建有限元模型，根据长期监控系统实测信息，分析桥梁运营阶段预应力钢束性能变动规律。运行监控一年以来，钢束性能实测值微微变动，但总体上是降低趋势，体现出钢束出现了预应力损失。根据扰度影响矩阵，制定了一种采取主梁监测扰度值体现钢束预应力损失办法。结合桥梁成桥一年阶段测得的扰度值反映预应力损失，且和测得的预应力损失值展开比较研究。结果显示，所提办法有效、有用，能为同种类大桥预应力损失判断提供借鉴。

关键词：大跨预应力；有限元模型；钢束应力；预应力损失

大跨预应力砼连续大桥具备刚度强、通车稳定舒适、养护容易、防震性能好、施工方便等优势，在国内得到普遍使用，尤其是跨度处于50-200米内，预应力砼连续大桥竞争力更好。大跨预应力砼连续大桥一般采取横向、纵向和竖向施工结构，但是伴随这类大桥运行年限的延长，浮现出了许多问题。近几年，一些在役大桥都不同程度的产生跨中下扰、腹板断裂等质量问题。所以，预应力损失判断特别关键。

1. 桥梁概况与有限元模型

某桥梁是单联15跨不对称预应力砼连续大桥，总长1434米，主梁截面是单箱双室。顶部结构根据全预应力砼结构规划，选择纵向、横向、竖向构造。主梁包含左幅、右幅，一幅桥宽为16.9米。

利用MIDAS/Civil创建有限元模型。该桥梁共安装421个预应力钢束，每个阶段分离成梁单元，创模时忽略桩基干扰，主桥框架细分成336个单元。

2. 监测平台与实测应力研究

2.1监测平台

该桥梁监测平台包含硬件与软件，而硬件包含：传感器；信息收集系统；信息收集和输送系统；信息采集与保存系统^[1]。软件包含长久监测服务端；远距离计算机中依靠信息深度处置的结构状态辨别平台等。

JMZX-3110HAT型锚索计属于桥梁长久监测平台下用来监测钢束拉力的设备，其设置于156米跨合龙束3THI锚固位置，信息收集平台设置每4小时取样1次，自动读取且保存一次信息。

锚索测力设备直接测出的信息是钢束有效张拉力，测得的钢束3TH1截面总范围是1260mm²，为了便于分析，把钢束有效张拉力除去截面总大小换算为有效应力^[2]。钢束在桥梁运营阶段的有效预应力会受到温度、汽车活载、钢筋应力放松、砼收缩徐变等干扰，钢束应力在短时间内的改变一般和温度影响、汽车活载相关，长时间变化一般和砼的收缩徐变及钢筋应力放松相关。

2.2实测应力研究

依靠收集的长期监测平台实测信息，分析桥梁运营阶段预应力钢束应力改变规律，具体涉及短期与长久的实测应力浮动^[3]。从成桥早期2019年11月和成桥一年后2020年11月之间选择温度接近的7天内测出的一天实测信息，见图1（a）、（b）；整年内温度最小的1月份和整年温度最大的8月份中选择7天内测出的一天实测信息，见图2（a）、（b）。实测应力研究中所列的温度都是箱梁中钢束周围的温度。

1. 成桥早期一周内一天钢束应力变动 (b)成桥后一周内一天钢束应力变动

图1 成桥早期及成桥后一周内一天钢束应力变动

（a）1月份某一周一天内钢束应力变动（b）8月份某一周一天内钢束应力变动

图2 1月和8月某一周一天内钢束应力变动

为充分反映钢束应力浮动状况，曲线上的全部信息均处理成和初始值的增量。通过图1（a）、（b）发现，相对来说，成桥早期钢束的1天应力浮动幅度大于成桥一年后，成桥早期1天应力浮动值最高是4MPa，而成桥后只有0.8MPa。因为选择的这两周温度变动很小，温度影响较小，体现的是汽车荷载造成的应力变动，根据结果来说，存在较大的随机性，没有明显规律寻找。

通过图2（a）、（b）得知，温度很低时，7天内一天里钢束应力浮动值最大是0.8MPa；温度很高时，7天内一天里钢束应力浮动最大是1.6MPa。在研究7天内应力的变动状况时，为削减砼收缩徐变和钢束放松对钢束应力的作用，选择成桥一段时间后的信息展开研究^[4]。具体选择情况是：8月的一周，温度持续升高，变化值大概是5℃；9月的一周，温度有微微变化，但总体升高；10月的一周，温度出现小幅度变化，但总体降低；11月的一周，温度不断降低，变动值大概是4℃。

3、预应力损失辨别

3.1预应力损失辨别过程

把全部的预应力钢束根据其位置和特征仔细分组，再把每组之中钢束预应力损失视为影响因素，基于有限元研究计量扰度影响矩阵；再按照每个扰度测量部位的扰度变动值，根据扰度影响矩阵以判断预应力损失的作用大小，进而得到最终的预应力损失大小。

每个预应力钢束组出现单位预应力损失量造成的N各扰度作用向量注意排列产生的扰度影响矩阵A是：

其中：au表示分组编码j的预应力给钢塑组出现单位预应力损失量a时，编码i的测量点从单位预应力损失出现的扰度变动量^[5]。预应力损失和a之间的比值组成的N个单独未知量所形成的列向量X_σ是：

X_σ=[X_σ1，X_σ2，X_σ3，X_σN]^T

其中，X_σj=△_σj/a，△_σj表示辨别的第j组钢束的具体预应力损失。

通过总扰度变动向量中各种元素和相呼应的有关参数的比值所构成的列向量D_σ是：

D_σ=[D_σ1，D_σ2，D_σ3，D_σN]^T

其中，D_σj=di/（1+βi），βi表示相关参数，由砼收缩徐变造成的i点扰度变动值D_σ和通过预应力损失造成的i点扰度变动值D_σj的比值，见下式：

βi=D_σj/D_σij

假设大桥处在弹性变化状态，每个环节扰度的变动符合线性叠加原理，所以下述方程成立：

AX_σ=D_σi

其中，A并非方阵，无法直接求逆，A的求解是多变量极小值的完善问题，能用MATLAB完成最小二乘求解。

计算每个钢塑组预应力损失。每个钢塑组具体预应力损失通过下式获得：

△_σ=X_σa

根据长期测量扰度的预应力损失辨别首先应设置恰当的扰度影响矩阵，其中涉及的元素为单位预应力损失量造成的大量测量部位的扰度变动信息，能依靠有限元系统计量获得^[6]。接着，依靠扰度影响矩阵创建预应力损失和测量部位实测的扰度变动值间的关联方程，再采用多元函数求极值办法就能辨别出各钢束组预应力损失。

3.2长期扰度测量结果

该桥梁长期监测平台采取TZT-3500A型液压式静力水准设备展开扰度监测。于左幅桥跨上选择了16个重要位置。

选择2019年11月16日到20日早上5点所测扰度信息用作基准值，这时温度传感器所测的温度大概是22℃；选择2020年11月16日到20日早上5点所测扰度信息用作评价对比值，这时温度传感器所测温度是19℃。和上一年相同时间的温度差别很小。

3.3预应力损失辨别

兼顾到在现场测量主梁扰度时，虽然通过对信息测量时段的选择基本剔除了温度影响和汽车荷载造成的扰度变动，但是很少情况像早上3:40时刻有汽车经过桥梁的可能性依旧存在，加之监测偏差的干扰，测量值和实测扰度值有一定误差。文章选择均值是0、方差是1的高斯随机过程逐个乘上3%和5%来虚拟该种监测误差^[7]。各钢束结构预应力损失是：顶板1%（13.96MPa）、腹板2%（27.8MPa）和底板3%（41.86MPa），具体结果如表2所示。

项目		顶板	腹板	底板
3%监测偏差	预应力损失/MPa	13.96	27.8	41.86
	辨别应力损失/MPa	12.98	24.43	41.67
	辨别精度/%	93.14	87.52	99.53
5%监测偏差	预应力损失/MPa	13.96	27.8	41.82
	辨别应力损失/MPa	12.84	23.82	42.28
	辨别精度/%	91.96	85.37	99.14

表1 考虑扰度监测偏差时各钢束结构损失辨别结果

按照主梁测量的扰度变动值体现的156米跨3TH1钢束预应力损失值如表2所示。

名称	损失识别参数	损失程度/%	应力损失/MPa
顶部	0.115	0.165	0.323
腹板	0.58	0.83	1.62
底板	8.09	11.58	22.6

表2钢束预应力损失浮动结果

通过表2得知，按照主梁测量扰度变动值体现的合龙束（包含在底板钢束组内）一年里的应力损失值是22.6MPa，而测量的应力损失值是23.41MPa，二者吻合较好，结果显示所提办法有效、有用。

4、结束语

（1）短时间内实测应力浮动的研究结果显示，钢束应力和温度变动负相关，温度提高，应力降低。

（2）成桥投用1之后，在温度与车辆压力的共同影响下，应力值微微变化，但总体上应力是降低趋势，体现钢束出现了一些损失。

（3）比较1年里每月的测量应力损失值和有限元计量值，测量值于有限元计量值周围变化，主要原因在于温度浮动。所测钢束一年应力损失的测量值是23.41MPa。

（4）按照主梁成桥一年阶段测量的扰度值，体现预应力损失，且和测出的预应力损失值相比较研究，结果显示所提办法有效、有效，能为同种类大桥预应力损失判断提供借鉴。

参考文献：

[1]蒋功化,刘丽萍,周德.大跨预应力混凝土连续梁桥的预应力损失识别[J].公路,2021,66(09):226-231.

[2]周海涛. 参数敏感性分析在预应力混凝土连续梁桥施工监控中的应用[D].安徽建筑大学,2020.

[3]宋佳杰.大跨度预应力混凝土连续梁桥预应力损失对线形的影响[J].国防交通工程与技术,2018,16(01):77-80.

[4]管钟. 超长联预应力混凝土连续梁桥合龙顺序对结构效应的影响[D].华中科技大学,2019.

[5]强文婷. 高铁预应力混凝土连续梁桥计算分析和梁的高跨比参数研究[D].西南交通大学,2019.

[6]张利,张亮,唐先鹏,王茜.预应力损失对大跨混凝土连续刚构桥长期性能影响分析[J].公路交通科技(应用技术版),2018,14(06):157-160.

[7]金文宏. 预应力混凝土连续梁桥悬臂施工监控技术研究与工程问题分析[D].兰州交通大学,2018.