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摘 要:大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥具有结构刚度大、变形小、行车平顺舒适、伸缩缝少、抗震能力强等优点,因此无论是公路或城市桥梁、高架道路,还是跨越宽阔河流的大桥,均是首选的桥型方案之一。本文分析了大跨度连续梁设计计算原理及GPS位移安全监测技术方法的分析
关键词:大跨度；公路桥梁；预应力混凝土；设计；测量
目前桥梁施工控制的结构计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。正装计算法能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程,得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,同时,能较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩、徐变等问题。对于大跨度预应力混凝土桥梁,首先必须进行正装计算。施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为计算和予以确定。只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工,才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。一般而言,以正装计算结果作为应力监测的依据,以倒装计算结果作为预拱度控制的依据。
一、桥梁结构的理论计算
1.关于压应力控制值问题
如均采用C50混凝土,达到设计强度的80%进行张拉,按三国规范容许压应力比较见表1。
表1 运营及预加力阶段压应力控制比较MPa
规范运营阶段预加力阶段
英国BS 540020.016.0
中国J TJ 023-8517.521.0
美国规范(94) 22.522.0
从表1知,运营阶段压应力容许值中国规范偏低,趋于保守。而施工阶段容许压应力仅次于美国,两者仅差4.76%,比英国大出31.25%。签于中国施工水平的实际情况;另还有许多因素在设计中是很难精确计算的,若施工阶段容许压应力取值过高,确实存在着冒险的因素。建议σha=0.65Rba(荷载组合Ⅰ),即为其两国的平均值较好。在具体进行桥梁设计时,要求结构各截面的应力具有一定的安全储备,对截面正应力,一般要求在不利荷载组合下,还应保持2.0～3.0MPa的压应力储备。
2.剪力滞效应
剪力滞效应在混凝土箱形梁设计中应该考虑,特别是簿壁箱形宽翼缘截面,不能忽视其剪力滞效应。剪力滞效应考虑过多,对钢筋混凝土结构只不过多配筋,造成一些浪费;而对预应力混凝土结构,由于翼缘板上的法向应力不均匀,若按大值取值或按等间距等预应力,不按应力变化的要求设置预应力筋,都有可能造成混凝土开裂。对箱形截面的剪力滞效应问题,比较各国规范现阶段箱形梁桥设计可参考德国规范DIN1075“关于共同作用宽度”的条文规定执行。
二、主梁线形测量
1.主梁挠度、轴线和主梁顶面高程的测量
在每一节段悬臂端梁顶设立2～4个标高观测点和一个轴线点。测点用短钢筋或钢板预埋,并用红色油漆标明编号。标高用水准仪进行测量,根据各节段施工次序,每一节段按三种工况对主梁挠度进行平行独立测量,相互校核。轴线使用全站仪和钢尺等进行测量,采用测小角法或视准法直接测量其前端偏位。视准时,将轴线后视点引至过渡墩,用远点控制近距离点。在主梁顶面混凝土高程测量过程中,同一截面测2～4点,根据其横坡取其平均值,这样可得到主梁顶面的高程值。同时,在不同工况下,由观察得到的主梁挠度(反拱)变化值,与给定立模标高(含预拱度)立模的高程值,也可得到主梁顶面的高程值,两者比较后,可检验施工质量。
2.主梁立模标高的测量
用精密水准仪测量立模标高,立模标高的测量应避开温差较大的时段。施工单位立模到位,测量完毕后,监理单位对施工各节段的立模标高进行复测,监控单位不定期进行抽测。
3、同跨两边对称截面相对高差的直接测量和多跨线形的通测
当两边施工节段相同时,对称截面的相对高差可直接进行测量和分析比较。当施工节段不同时,对称节段的相对高差不满足可比性,此时,可选择较慢的一边最末端截面和较快的一边已施工的对应截面作为相对高差的测量对象。在测量过程中,同一对称截面可测多点,根据其横坡取其平均值,可得到对称截面的对应点的相对高差。除保证各跨线形在控制范围内外,主梁全程线形应定期或不定期进行通测,确保全桥线形的协调性。
三、线形控制原理与技术
1.预拱度控制
主梁悬浇段的各节段立模标高可按下式确定
Hi=H0+fi+(-fi预)+f篮+fx(1)
式中:Hi为待浇筑段主梁底板前端底模标高;H0为该点设计标高;fi为本施工段及以后浇筑的各段对该点的影响值;fi预为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值;f篮为挂篮弹性变形对该施工段的影响值;fx为由徐变、收缩、温度、结构体系转换、二期恒载、活载等影响值。上述各参数在有限元倒向分析基础上,根据实测信息,对计算预拱度进行调整和预测,确定最佳预拱度。
2.预拱度
指令预拱度是主梁线形控制的主要参数,也是决定主跨和边跨能否顺利合拢,应力分布是否合理的关键。施工预拱度指令,一般由监测监控单位拿出方案,经设代组计算审核后,桥梁专业监理工程师签字才能组织施工。施工预拱度指令除保证其合理性、科学性外,下达时间应保证施工的连续性和及时性。
四、主梁结构应变测量与应力分析
1.布点时间
在主梁钢筋布置基本就绪、混凝土浇筑之前,在控制断面预埋传感元件,并做好相应的防护工作。对于预应力混凝土梁桥,主要是测试和控制桥梁结构纵向应力。因此,布点时,传感元件沿纵向(桥的里程或桩号方向)布置,用铁丝捆扎在主梁纵向钢筋的上(下)缘。
2.传感元件测试原理及其应变测量
混凝土应力测试传感元件类型较多,目前通常使用钢弦应变计,其测试效果较好。钢弦传感器应变与频率间的关系通常是以标定表和折线图的形式给出的,用二次曲线或三次曲线进行最小二乘拟合,便能得到较好数学表达式。
五、GPS位移安全监测的技术方法分析
由于GPS定位精度高，速度快，同其他几种位移监测仪器相比具有明显的优点，可用它对大跨度桥梁做连续实时监测，同时应进一步提高其精度，从而扩展其应用范围。GPS监测的原理和特点。
1.GPS位移监测原理：大桥位移监测系统是采用卫星定位系统。它是利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即 RTK技术（Real Time Kinematic），实时测定大桥位移。
GPS RTK差分系统是由 GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。此结果将送到GPS监控中心。监控中心对接收机的GPS差分信号结果进行桥梁桥面、桥塔的位移、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析。
2.GPS监测大桥位移特点：
（l）由于GPS是接收卫星运行定位，所以大桥上各点只要能接收到6颗以上GPS卫星及基准站传来的GPS差分信号，即可进行GPS RTK差分定位。各监测站之间勿需通视，是相互独立的观测值。（2）GPS定位受外界大气影响小，可以在暴风雨中进行监测。（3）GPS测定位移自动化程度高。从接收信号，捕捉卫星，到完成RTK差分位移都可由仪器自动完成。所测三维坐标可自动存入监控中心服务器进行大桥安全性分析。（4）GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可达10～20Hi速率输出定位结果，定位精度平面为10mm，高程为20mm。
当然，GPS进行桥梁的实时监测也存在着不足，目前仅能对变形相对较大的位移进行监测，对于小位移还需进一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS对其他大型结构的应用前景。
综上所述，对大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测，至今仍有不少问题没有更好的解求方法。在科学的方法没有建立之前，经验的积累十分重要。当前由于工程发展需要，正推动这项测试工作不断开展，在这大好的时机中，只要坚持不断地实践，不断地分析总结，不断地试验探索，必将使这项工作更快地走向完善。
关键词:大跨度；公路桥梁；预应力混凝土；设计；测量
目前桥梁施工控制的结构计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。正装计算法能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程,得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,同时,能较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩、徐变等问题。对于大跨度预应力混凝土桥梁,首先必须进行正装计算。施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为计算和予以确定。只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工,才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。一般而言,以正装计算结果作为应力监测的依据,以倒装计算结果作为预拱度控制的依据。
一、桥梁结构的理论计算
1.关于压应力控制值问题
如均采用C50混凝土,达到设计强度的80%进行张拉,按三国规范容许压应力比较见表1。
表1 运营及预加力阶段压应力控制比较MPa
规范运营阶段预加力阶段
英国BS 540020.016.0
中国J TJ 023-8517.521.0
美国规范(94) 22.522.0
从表1知,运营阶段压应力容许值中国规范偏低,趋于保守。而施工阶段容许压应力仅次于美国,两者仅差4.76%,比英国大出31.25%。签于中国施工水平的实际情况;另还有许多因素在设计中是很难精确计算的,若施工阶段容许压应力取值过高,确实存在着冒险的因素。建议σha=0.65Rba(荷载组合Ⅰ),即为其两国的平均值较好。在具体进行桥梁设计时,要求结构各截面的应力具有一定的安全储备,对截面正应力,一般要求在不利荷载组合下,还应保持2.0～3.0MPa的压应力储备。
2.剪力滞效应
剪力滞效应在混凝土箱形梁设计中应该考虑,特别是簿壁箱形宽翼缘截面,不能忽视其剪力滞效应。剪力滞效应考虑过多,对钢筋混凝土结构只不过多配筋,造成一些浪费;而对预应力混凝土结构,由于翼缘板上的法向应力不均匀,若按大值取值或按等间距等预应力,不按应力变化的要求设置预应力筋,都有可能造成混凝土开裂。对箱形截面的剪力滞效应问题,比较各国规范现阶段箱形梁桥设计可参考德国规范DIN1075“关于共同作用宽度”的条文规定执行。
二、主梁线形测量
1.主梁挠度、轴线和主梁顶面高程的测量
在每一节段悬臂端梁顶设立2～4个标高观测点和一个轴线点。测点用短钢筋或钢板预埋,并用红色油漆标明编号。标高用水准仪进行测量,根据各节段施工次序,每一节段按三种工况对主梁挠度进行平行独立测量,相互校核。轴线使用全站仪和钢尺等进行测量,采用测小角法或视准法直接测量其前端偏位。视准时,将轴线后视点引至过渡墩,用远点控制近距离点。在主梁顶面混凝土高程测量过程中,同一截面测2～4点,根据其横坡取其平均值,这样可得到主梁顶面的高程值。同时,在不同工况下,由观察得到的主梁挠度(反拱)变化值,与给定立模标高(含预拱度)立模的高程值,也可得到主梁顶面的高程值,两者比较后,可检验施工质量。
2.主梁立模标高的测量
用精密水准仪测量立模标高,立模标高的测量应避开温差较大的时段。施工单位立模到位,测量完毕后,监理单位对施工各节段的立模标高进行复测,监控单位不定期进行抽测。
3、同跨两边对称截面相对高差的直接测量和多跨线形的通测
当两边施工节段相同时,对称截面的相对高差可直接进行测量和分析比较。当施工节段不同时,对称节段的相对高差不满足可比性,此时,可选择较慢的一边最末端截面和较快的一边已施工的对应截面作为相对高差的测量对象。在测量过程中,同一对称截面可测多点,根据其横坡取其平均值,可得到对称截面的对应点的相对高差。除保证各跨线形在控制范围内外,主梁全程线形应定期或不定期进行通测,确保全桥线形的协调性。
三、线形控制原理与技术
1.预拱度控制
主梁悬浇段的各节段立模标高可按下式确定
Hi=H0+fi+(-fi预)+f篮+fx(1)
式中:Hi为待浇筑段主梁底板前端底模标高;H0为该点设计标高;fi为本施工段及以后浇筑的各段对该点的影响值;fi预为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值;f篮为挂篮弹性变形对该施工段的影响值;fx为由徐变、收缩、温度、结构体系转换、二期恒载、活载等影响值。上述各参数在有限元倒向分析基础上,根据实测信息,对计算预拱度进行调整和预测,确定最佳预拱度。
2.预拱度
指令预拱度是主梁线形控制的主要参数,也是决定主跨和边跨能否顺利合拢,应力分布是否合理的关键。施工预拱度指令,一般由监测监控单位拿出方案,经设代组计算审核后,桥梁专业监理工程师签字才能组织施工。施工预拱度指令除保证其合理性、科学性外,下达时间应保证施工的连续性和及时性。
四、主梁结构应变测量与应力分析
1.布点时间
在主梁钢筋布置基本就绪、混凝土浇筑之前,在控制断面预埋传感元件,并做好相应的防护工作。对于预应力混凝土梁桥,主要是测试和控制桥梁结构纵向应力。因此,布点时,传感元件沿纵向(桥的里程或桩号方向)布置,用铁丝捆扎在主梁纵向钢筋的上(下)缘。
2.传感元件测试原理及其应变测量
混凝土应力测试传感元件类型较多,目前通常使用钢弦应变计,其测试效果较好。钢弦传感器应变与频率间的关系通常是以标定表和折线图的形式给出的,用二次曲线或三次曲线进行最小二乘拟合,便能得到较好数学表达式。
五、GPS位移安全监测的技术方法分析
由于GPS定位精度高，速度快，同其他几种位移监测仪器相比具有明显的优点，可用它对大跨度桥梁做连续实时监测，同时应进一步提高其精度，从而扩展其应用范围。GPS监测的原理和特点。
1.GPS位移监测原理：大桥位移监测系统是采用卫星定位系统。它是利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即 RTK技术（Real Time Kinematic），实时测定大桥位移。
GPS RTK差分系统是由 GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。此结果将送到GPS监控中心。监控中心对接收机的GPS差分信号结果进行桥梁桥面、桥塔的位移、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析。
2.GPS监测大桥位移特点：
（l）由于GPS是接收卫星运行定位，所以大桥上各点只要能接收到6颗以上GPS卫星及基准站传来的GPS差分信号，即可进行GPS RTK差分定位。各监测站之间勿需通视，是相互独立的观测值。（2）GPS定位受外界大气影响小，可以在暴风雨中进行监测。（3）GPS测定位移自动化程度高。从接收信号，捕捉卫星，到完成RTK差分位移都可由仪器自动完成。所测三维坐标可自动存入监控中心服务器进行大桥安全性分析。（4）GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快可达10～20Hi速率输出定位结果，定位精度平面为10mm，高程为20mm。
当然，GPS进行桥梁的实时监测也存在着不足，目前仅能对变形相对较大的位移进行监测，对于小位移还需进一步提高GPS的定位精度，但不排除GPS对其他大型结构的应用前景。
综上所述，对大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测，至今仍有不少问题没有更好的解求方法。在科学的方法没有建立之前，经验的积累十分重要。当前由于工程发展需要，正推动这项测试工作不断开展，在这大好的时机中，只要坚持不断地实践，不断地分析总结，不断地试验探索，必将使这项工作更快地走向完善。