大跨徑連續剛構橋運營期監測分析

馬宏斌

摘要：為分析大跨徑連續剛構橋的運營情況，文章采用現場監測法對各監測斷面撓度和應力進行監測，并結合理論計算值對橋梁穩定性進行分析。根據監測結果，主橋中部兩跨跨中截面的撓度和應力均較大，在監測三年后撓度增速明顯下降，進入穩定發展階段，且撓度和應力實測值均小于理論計算值，說明橋梁變形和應力均在設計允許范圍內，橋梁結構安全穩定。

關鍵詞：大跨徑連續剛構橋；運營期；應力；變形；監測

中圖分類號：U446.2 A 41 0134 4

0 引言

大跨徑連續剛構橋無伸縮縫，橋面平整度高，行車舒適性好［1］，不設置支座，不需要進行體系轉換，施工工序簡單，與其他橋梁相比具有明顯的技術優勢。然而，在大跨徑連續剛構橋的運營過程中，很多橋梁出現了跨中下撓、梁體開裂等問題［2］，直接影響橋梁的使用性能，嚴重時甚至威脅行車安全。橋梁跨中下撓是由于運營中跨中變形高于理論計算預測值，導致橋梁線形失真［3］，主要表現為完工后撓度持續增長，長期撓度大于預測值。另外，梁體開裂會降低橋梁結構剛度，跨中下撓會加重梁體開裂，二者互相影響加劇橋梁結構破壞。大跨徑橋梁運營期間，需要定期開展應力應變和沉降監測［4］，掌握橋梁的受力狀態和變形情況，通過長期監測及時發現橋梁結構存在的問題，為橋梁維護與加固提供參考依據。以某大跨徑連續剛構橋為研究對象，制定方案開展運營期監測，通過在橋梁主要部位布置測點和儀器，分析現場監測數據，得出橋梁結構變形和應力的變化規律，并與理論計算值對比以確定橋梁結構的穩定性。

1 工程概況

某大橋設計全長為960.6 m，其中主橋為預應力混凝土連續剛構結構，橋跨組合結構為120 m+2×200 m+120 m，引橋采用預應力混凝土連續箱梁結構，橋跨組合為3×40 m+2×40 m+3×40 m三聯結構。橋梁上部結構為單箱單室箱型斷面，僅在橋墩頂部設置4道隔板。該橋梁于2018年6月建成通車，由于受環境因素、氣候變化、靜載和活載作用等多方面因素的影響，橋梁結構的受力狀態和變形情況不斷變化，造成橋梁結構的強度和剛度有一定幅度的下降。由于很多已建成的大跨徑連續剛構橋梁運營期間普遍存在受力與變形超出預測的情況，為全面掌握該橋梁的受力、變形情況，評價橋梁結構的穩定性和安全性，在運營期間開展應力應變和沉降監測。本文選取該大橋運營后三年內的現場監測結果作為研究對象，監測時間段為2018年6月至2021年6月，該三年為重點監測期。其中2018年6月至2019年6月，監測頻率為每月一次；2019年6月至2020年6月，監測頻率為每兩個月一次；2020年6月至2021年6月，監測頻率為每兩個月一次。本文選取重點監測期三年中的部分監測數據作為研究對象，分析監測結果對橋梁結構的承載能力、營運狀態等并進行評價。

2 現場監測測點布置

2.1 橋面標高監測點布置

該橋橋面凈寬為12 m，外側護欄寬度為0.5 m，內側采用波形護欄。為監測橋梁各部分的標高變化情況，在主橋上共設置100個高程監測點，其中120 m段測點布置間距為3 m，200 m段布置間距為2.5 m，高程監測點布置如圖1所示。單個橋面標高橫斷面測點布置位置分別為跨中墩頂、邊跨墩頂、1/2跨、1/4跨、1/8跨位置。其中，監測點A系列位于橋梁左幅橋面護欄內側25 cm位置，監測點B系列位于橋梁左幅橋面距翼板邊緣25 cm位置，監測點C系列位于橋梁左幅橋面距翼板邊緣25 cm位置，監測點D系列位于橋梁左幅橋面護欄內側25 cm位置。橋梁沉降監測采用精密水準儀和銦鋼尺，測量精度為0.1 mm，對各監測測點標高進行監測，計算得到相應的變形量。測點布置后進行首次觀測，作為初始標高，后續觀測與首次觀測的高差即為變形量。

2.2 應力監測點布置

通過全面分析大橋的橋型布置、受力特點等因素［5-6］，選取主橋右幅主梁跨中和墩頂斷面作為應力監測斷面，其中1-1斷面、2-2斷面、3-3斷面、4-4斷面為跨中截面，5-5斷面、6-6斷面、7-7斷面為墩頂斷面，應力監測斷面布置如圖2所示。每個測試斷面頂面和底面各布置3個應變計，共計42個應變計，應變計布置如圖3所示。橋梁應力監測采用JK-65型振弦式應變計，其具有穩定性好、分辨率高、數據采集準確等優點，可用于長期監測。

3 橋梁現場監測結果分析

3.1 橋梁變形監測結果分析

自2018年6月開始對橋梁左幅和右幅的各監測點標高進行監測，計算確定各測點的變形量。本研究取2018年6月、2019年6月、2020年6月和2021年3月四個月份的橋梁左幅和右幅監測結果作為研究對象，整理監測數據后，繪制了橋梁左幅和右幅變形曲線如圖4和圖5所示。

分析圖4可知，橋梁左幅主橋中間長度為200 m兩跨下撓較大，兩側120 m跨下撓較小，主橋中間兩跨撓度的增長速度也較大，而主橋邊上兩跨撓度的增長速度較小，且隨著監測時間的增長增速有所下降。另外，單跨跨中位置的撓度最大，向兩側不斷減小，這符合橋梁撓度的變化規律。2021年3月，橋梁左幅中間兩跨撓度最大，最大值分別為2.71 cm、2.54 cm，較2020年6月觀測結果分別增長了11.8%和9.1%，較上一年度的20.9%和20.8%明顯下降，說明橋梁變形逐步達到平穩狀態。

分析圖5可知，橋梁右幅曲線變化規律與左幅基本一致，主橋中間兩跨變形較大，撓度增速也較大，兩側兩跨變形較小，增速也較小。另外，撓度變化也符合單跨跨中位置最大，向兩側不斷減小的變化規律。2021年3月橋梁右幅中間兩跨撓度最大，最大值分別為2.92 cm、2.77 cm，較2020年6月觀測結果分別增長了18.9%和18.7%，較上一年度的28.5%和27.6%明顯下降，同樣說明橋梁變形已逐步進入平穩發展階段?？傊?，橋梁左右兩幅撓度隨運營時間的增加而增加，但增加速率逐步下降，且在2021年3月以后主橋撓度值明顯下降，說明橋梁變形已經進入平穩發展階段，但撓度仍在增長，仍需加強監測。

3.2 橋梁應力現場監測結果分析

本研究取2018年9月、2019年6月、2020年6月和2021年3月四個月份的橋梁左幅和右幅監測結果作為研究對象，以2018年6月監測結果作為初始應力，整理監測數據繪制橋梁主梁上緣縱向、橫向和下緣應力變化曲線如圖6～8所示。

分析圖6～8可知，主梁跨中截面上緣縱向承受壓應力，波動范圍為0.16～1.79 MPa；上緣橫向承受拉應力，波動范圍為0.13～1.55 MPa；主梁下緣主要承受拉應力，波動范圍為0.36～3.21 MPa。主梁墩頂截面頂板縱向承受拉應力，波動范圍為0.11～0.41 MPa；主梁墩頂截面頂板橫向承受拉應力，波動范圍為0.11～0.47 MPa；主梁下緣承受壓應力，波動范圍為0.01～0.6 MPa。

3.3 橋梁結構穩定性分析

3.3.1 跨中撓度分析

根據設計資料，利用有限元軟件建立橋梁計算模型，計算運營階段的橋梁跨中撓度。取主橋跨中撓度最大的C9監測點實測值作為研究對象，與理論計算值進行對比分析，繪制跨中截面撓度對比分析曲線如圖9所示。

對比分析圖9可知，在運營期間橋梁主跨撓度持續增長，運營初期增長速率較大，后期增長速率下降，且實測值均小于理論計算值，二者變化規律相同。另外，撓度實測值均小于理論計算值，說明運營期間主橋跨中撓度較小，實際變形小于預測值，橋梁結構變形小，橋梁結構穩定安全，處于正常的運行狀態。但監測結束時撓度仍有小幅增長，還應加強監測。

3.3.2 監測截面應力分析

取運營期間應力實測值最大的左幅2-2跨中截面測點65和右幅3-3截面測點126的主梁下緣應力實測值作為研究對象，結合橋梁結構應力計算結果繪制跨中截面應力對比分析曲線如圖10所示。

分析圖10可知，左右兩幅主橋跨中截面應力實測值與理論計算值變化趨勢基本一致，且實測值均小于理論計算值。實測值與計算值比較接近，二者之間的誤差主要是由于混凝土收縮徐變、橋面荷載和溫度變化等因素造成的。另外，應力計算所采用的彈性模量是通過混凝土試件檢測得到的，與實測梁體混凝土的彈性模量有一定誤差?？缰薪孛鎽崪y最大值為3.21 MPa，小于理論計算值3.95 MPa，結合其他監測斷面主梁上緣和下緣的應力對比結果，實測值均小于設計值，說明橋梁處于正常的使用狀態，橋梁結構安全。

4 結語

通過分析案例橋梁運營后三年的現場監測數據，總結得出了橋梁變形和應力變化規律，并與理論計算值進行對比分析確定橋梁的穩定性，得出以下結論：

（1）撓度隨監測時間增加而增加，增速逐漸趨緩，主橋中間兩跨跨中截面產生的撓度最大，且監測三年后進入平穩發展階段，但仍需加強監測。

（2）橋梁跨中截面和墩頂截面應力隨監測時間增加而增加，增速逐漸趨緩，且跨中截面主梁下緣所產生的應力較大。

（3）通過對比分析，現場實測撓度和應力值均小于理論計算值，且二者變化規律相同，說明橋梁處于正常的使用狀態，橋梁結構穩定安全。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-10