大跨径连续刚构桥运营期监测分析

马宏斌

摘要：为分析大跨径连续刚构桥的运营情况，文章采用现场监测法对各监测断面挠度和应力进行监测，并结合理论计算值对桥梁稳定性进行分析。根据监测结果，主桥中部两跨跨中截面的挠度和应力均较大，在监测三年后挠度增速明显下降，进入稳定发展阶段，且挠度和应力实测值均小于理论计算值，说明桥梁变形和应力均在设计允许范围内，桥梁结构安全稳定。

关键词：大跨径连续刚构桥；运营期；应力；变形；监测

中图分类号：U446.2 A 41 0134 4

0 引言

大跨径连续刚构桥无伸缩缝，桥面平整度高，行车舒适性好［1］，不设置支座，不需要进行体系转换，施工工序简单，与其他桥梁相比具有明显的技术优势。然而，在大跨径连续刚构桥的运营过程中，很多桥梁出现了跨中下挠、梁体开裂等问题［2］，直接影响桥梁的使用性能，嚴重时甚至威胁行车安全。桥梁跨中下挠是由于运营中跨中变形高于理论计算预测值，导致桥梁线形失真［3］，主要表现为完工后挠度持续增长，长期挠度大于预测值。另外，梁体开裂会降低桥梁结构刚度，跨中下挠会加重梁体开裂，二者互相影响加剧桥梁结构破坏。大跨径桥梁运营期间，需要定期开展应力应变和沉降监测［4］，掌握桥梁的受力状态和变形情况，通过长期监测及时发现桥梁结构存在的问题，为桥梁维护与加固提供参考依据。以某大跨径连续刚构桥为研究对象，制定方案开展运营期监测，通过在桥梁主要部位布置测点和仪器，分析现场监测数据，得出桥梁结构变形和应力的变化规律，并与理论计算值对比以确定桥梁结构的稳定性。

1 工程概况

某大桥设计全长为960.6 m，其中主桥为预应力混凝土连续刚构结构，桥跨组合结构为120 m+2×200 m+120 m，引桥采用预应力混凝土连续箱梁结构，桥跨组合为3×40 m+2×40 m+3×40 m三联结构。桥梁上部结构为单箱单室箱型断面，仅在桥墩顶部设置4道隔板。该桥梁于2018年6月建成通车，由于受环境因素、气候变化、静载和活载作用等多方面因素的影响，桥梁结构的受力状态和变形情况不断变化，造成桥梁结构的强度和刚度有一定幅度的下降。由于很多已建成的大跨径连续刚构桥梁运营期间普遍存在受力与变形超出预测的情况，为全面掌握该桥梁的受力、变形情况，评价桥梁结构的稳定性和安全性，在运营期间开展应力应变和沉降监测。本文选取该大桥运营后三年内的现场监测结果作为研究对象，监测时间段为2018年6月至2021年6月，该三年为重点监测期。其中2018年6月至2019年6月，监测频率为每月一次；2019年6月至2020年6月，监测频率为每两个月一次；2020年6月至2021年6月，监测频率为每两个月一次。本文选取重点监测期三年中的部分监测数据作为研究对象，分析监测结果对桥梁结构的承载能力、营运状态等并进行评价。

2 现场监测测点布置

2.1 桥面标高监测点布置

该桥桥面净宽为12 m，外侧护栏宽度为0.5 m，内侧采用波形护栏。为监测桥梁各部分的标高变化情况，在主桥上共设置100个高程监测点，其中120 m段测点布置间距为3 m，200 m段布置间距为2.5 m，高程监测点布置如图1所示。单个桥面标高横断面测点布置位置分别为跨中墩顶、边跨墩顶、1/2跨、1/4跨、1/8跨位置。其中，监测点A系列位于桥梁左幅桥面护栏内侧25 cm位置，监测点B系列位于桥梁左幅桥面距翼板边缘25 cm位置，监测点C系列位于桥梁左幅桥面距翼板边缘25 cm位置，监测点D系列位于桥梁左幅桥面护栏内侧25 cm位置。桥梁沉降监测采用精密水准仪和铟钢尺，测量精度为0.1 mm，对各监测测点标高进行监测，计算得到相应的变形量。测点布置后进行首次观测，作为初始标高，后续观测与首次观测的高差即为变形量。

2.2 应力监测点布置

通过全面分析大桥的桥型布置、受力特点等因素［5-6］，选取主桥右幅主梁跨中和墩顶断面作为应力监测断面，其中1-1断面、2-2断面、3-3断面、4-4断面为跨中截面，5-5断面、6-6断面、7-7断面为墩顶断面，应力监测断面布置如图2所示。每个测试断面顶面和底面各布置3个应变计，共计42个应变计，应变计布置如图3所示。桥梁应力监测采用JK-65型振弦式应变计，其具有稳定性好、分辨率高、数据采集准确等优点，可用于长期监测。

3 桥梁现场监测结果分析

3.1 桥梁变形监测结果分析

自2018年6月开始对桥梁左幅和右幅的各监测点标高进行监测，计算确定各测点的变形量。本研究取2018年6月、2019年6月、2020年6月和2021年3月四个月份的桥梁左幅和右幅监测结果作为研究对象，整理监测数据后，绘制了桥梁左幅和右幅变形曲线如图4和图5所示。

分析图4可知，桥梁左幅主桥中间长度为200 m两跨下挠较大，两侧120 m跨下挠较小，主桥中间两跨挠度的增长速度也较大，而主桥边上两跨挠度的增长速度较小，且随着监测时间的增长增速有所下降。另外，单跨跨中位置的挠度最大，向两侧不断减小，这符合桥梁挠度的变化规律。2021年3月，桥梁左幅中间两跨挠度最大，最大值分别为2.71 cm、2.54 cm，较2020年6月观测结果分别增长了11.8%和9.1%，较上一年度的20.9%和20.8%明显下降，说明桥梁变形逐步达到平稳状态。

分析图5可知，桥梁右幅曲线变化规律与左幅基本一致，主桥中间两跨变形较大，挠度增速也较大，两侧两跨变形较小，增速也较小。另外，挠度变化也符合单跨跨中位置最大，向两侧不断减小的变化规律。2021年3月桥梁右幅中间两跨挠度最大，最大值分别为2.92 cm、2.77 cm，较2020年6月观测结果分别增长了18.9%和18.7%，较上一年度的28.5%和27.6%明显下降，同样说明桥梁变形已逐步进入平稳发展阶段。总之，桥梁左右两幅挠度随运营时间的增加而增加，但增加速率逐步下降，且在2021年3月以后主桥挠度值明显下降，说明桥梁变形已经进入平稳发展阶段，但挠度仍在增长，仍需加强监测。

3.2 桥梁应力现场监测结果分析

本研究取2018年9月、2019年6月、2020年6月和2021年3月四个月份的桥梁左幅和右幅监测结果作为研究对象，以2018年6月监测结果作为初始应力，整理监测数据绘制桥梁主梁上缘纵向、横向和下缘应力变化曲线如图6～8所示。

分析图6～8可知，主梁跨中截面上缘纵向承受压应力，波动范围为0.16～1.79 MPa；上缘横向承受拉应力，波动范围为0.13～1.55 MPa；主梁下缘主要承受拉应力，波动范围为0.36～3.21 MPa。主梁墩顶截面顶板纵向承受拉应力，波动范围为0.11～0.41 MPa；主梁墩顶截面顶板横向承受拉应力，波动范围为0.11～0.47 MPa；主梁下缘承受压应力，波动范围为0.01～0.6 MPa。

3.3 桥梁结构稳定性分析

3.3.1 跨中挠度分析

根据设计资料，利用有限元软件建立桥梁计算模型，计算运营阶段的桥梁跨中挠度。取主桥跨中挠度最大的C9监测点实测值作为研究对象，与理论计算值进行对比分析，绘制跨中截面挠度对比分析曲线如图9所示。

对比分析图9可知，在运营期间桥梁主跨挠度持续增长，运营初期增长速率较大，后期增长速率下降，且实测值均小于理论计算值，二者变化规律相同。另外，挠度实测值均小于理论计算值，说明运营期间主桥跨中挠度较小，实际变形小于预测值，桥梁结构变形小，桥梁结构稳定安全，处于正常的运行状态。但监测结束时挠度仍有小幅增长，还应加强监测。

3.3.2 监测截面应力分析

取运营期间应力实测值最大的左幅2-2跨中截面测点65和右幅3-3截面测点126的主梁下缘应力实测值作为研究对象，结合桥梁结构应力计算结果绘制跨中截面应力对比分析曲线如图10所示。

分析图10可知，左右两幅主桥跨中截面应力实测值与理论计算值变化趋势基本一致，且实测值均小于理论计算值。实测值与计算值比较接近，二者之间的误差主要是由于混凝土收缩徐变、桥面荷载和温度变化等因素造成的。另外，应力计算所采用的弹性模量是通过混凝土试件检测得到的，与实测梁体混凝土的弹性模量有一定误差。跨中截面应力实测最大值为3.21 MPa，小于理论计算值3.95 MPa，结合其他监测断面主梁上缘和下缘的应力对比结果，实测值均小于设计值，说明桥梁处于正常的使用状态，桥梁结构安全。

4 结语

通过分析案例桥梁运营后三年的现场监测数据，总结得出了桥梁变形和应力变化规律，并与理论计算值进行对比分析确定桥梁的稳定性，得出以下结论：

（1）挠度随监测时间增加而增加，增速逐渐趋缓，主桥中间两跨跨中截面产生的挠度最大，且监测三年后进入平稳发展阶段，但仍需加强监测。

（2）桥梁跨中截面和墩顶截面应力随监测时间增加而增加，增速逐渐趋缓，且跨中截面主梁下缘所产生的应力较大。

（3）通过对比分析，现场实测挠度和应力值均小于理论计算值，且二者变化规律相同，说明桥梁处于正常的使用状态，桥梁结构稳定安全。

参考文献

［1］左代阳.大跨径连续刚构桥梁施工监测技术应用探析［J］.交通世界，2022（27）：36-38.

［2］郑成忠.基于MIDAS/Civil的大跨径预应力混凝土连续刚构桥应力监测分析［J］.福建交通科技，2022（9）：71-75.

［3］余春霖.大跨径连续刚构桥跨中挠度控制技术研究［D］.南宁：广西大学，2020.

［4］闫升华.大跨径连续刚构桥施工监测BIM管控平台技术实现探究［J］.山西交通科技，2020（3）：108-113.

［5］孙宗全，刘 斌.营运期特大跨径连续刚构桥变形监测分析［J］.公路工程，2014，39（2）：232-237，250.

［6］袁卓亞，曹 湘，许 冰，等.高墩大跨径连续刚构桥健康监测系统研究［J］.公路交通科技（应用技术版），2012，8（10）：157-159，181.

收稿日期：2023-07-10