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基于监测数据的预应力混凝土桥梁施工评估与长期预测

Helder Sousa¹, Joao Bento², Joaquim Figueirasa³

^{LABEST, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Rua Dr. Roberto Frias s/n,4200-465 Porto, Portugal}

^{Department of Civil Engineering and Architecture, Instituto Superior Tecnico,1049-001 Lisboa, Portugal}

摘要：对大型民用基础设施（如预应力混凝土桥梁）的长期评估是一项挑战性的任务。与分阶段施工相关的实时历史，所采用的混凝土的表征和环境条件是基于有限元模型的准确预测的关键方面。来自长期监测系统的数据已用于改进这些预测的质量，即验证设计假设，校准结构模型和更新安全系数。

位于葡萄牙塔霍河上的新桥梁Leziria大桥包含一座1700米长的高架桥，该高架桥采用可移动的脚手架系统竖立起来。实施了长期监控系统，并在施工开始后进行了测量。基于这些测量，这项工作提出了基于有限元模型计算长期行为的分析策略。对与高架桥行为相关的所有信息进行了详细扫描。对真实长期的全面讨论行为是，重点关注测量结果与数值模型得到的结果之间的差异，即由于收缩和蠕变引起的趋势以及由于温度引起的变化。最后，关于高架桥寿命，更新测量参数的预测值，因为基于欧洲标准规则的预测呈现出显着的偏差，可用作关于高架桥监视的参考值。

关键词：监控；混凝土桥梁；可移动脚手架系统；收缩；爬行；松弛；温度；预测；结构寿命；保养

1绪论

对诸如预应力混凝土桥梁等大型民用基础设施的长期评估是一项具有挑战性的任务。最常见和可靠的策略之一是使用有限元模型（FEM）。例如，在现如今的短期时间内负载测试可以用有限元分析解释且具有令人满意的精度，但长期预测并不是那么简单。新颖的桥梁设计方案，材料性能的不断变化以及土木工程领域中使用的施工方法的进步对长期响应具有直接影响。因此，除了几何和材料属性之外，在分析策略中必须考虑桥梁行为中具有重要意义的其他方面，以获得更可靠的预测并减少偏差。与分阶段施工相关的实时历史，所用混凝土的精确表征和环境条件是一些最相关的方面。

可移动脚手架系统是现浇混凝土桥梁施工中最常用的一种施工方法。搭设脚手架、支撑模板使桥梁成形，是这些系统的基础，这种施工方法适用于困难地形或水上的多跨桥梁。该系统的适用于跨度在30到40m之间且具有高度重复性的长桥。可移动脚手架支撑在桥墩上，因而梁和桥之间存在相互作用，这可导致主梁在使用寿命期间发生的更大的变形和应力水平，这就是必须控制过渡期间桥梁行为的原因。为了更全面地了解用这些系统建造的桥梁的实际行为，需要使用适当的传感器从早期获得的测量结果，但是具有此类信息的数据库很少。

就具体性能而言，一些研究表明，桥梁的具体性能在长期预测与观察到的响应显著不同，主要是由于在设计阶段评估收缩和徐变。

除了混凝土的流变效应外，环境条件的变化，即湿度和温度，对于准确评估有效的长期响应也是至关重要的。

长期监测系统的数据一直支持上述研究，这些研究证明了这些系统对于有效改善结构行为知识具有重要的作用。最初，这些测量是为了预先检测桥梁施工过程中的任何可能的风险因素，从而防止任何由此引起的事故。随着技术的发展，监控系统变得越来越强大，提供有关结构完整性，耐用性的信息和可靠性，并确保最佳的维护计划和安全的桥梁操作。事实上，监测数据有助于验证设计假设，校准结构模型和更新安全系数。

最近在葡萄牙Leziria大桥上建造了一座大型桥梁，包括一座1700m的高架桥，该高架桥采用可移动的脚手架系统架设，提供了观察其长期性能的机会，并与数值模型相比较。测量是在建设开始时安装在桥梁上的永久监测系统进行的，专门用于桥梁监视和维护。

图1 Leziria桥梁建设阶段

这项工作提出了一个数值模型，用于预测高架桥的长期响应，并用在施工阶段和负荷试验期间获得的测量值进行校准。考虑了混凝土和预应力钢的有效机械和时间依赖性。以及有效的预应力和真实的施工顺序。对真实的长期行为进行了全面的讨论，重点关注测量结果与数值模型得到的结果之间的差异，即收缩和蠕变引起的趋势。由温度引起的变化。最后，关于高架桥的寿命，回顾了测量参数的预测值，因为基于欧洲标准的预测提出了显着的偏差，可用作高架桥监视的参考值。

2案例分析

2.1结构说明

所述Leziria桥11670m总长度有3层结构：（1）北高架引道1700m长；（2）主桥结构渡塔霍河970m的总长度；（3）南接近高架桥总长9160米。从这三个子结构来看北侧包括三个基本高架桥，其中最大跨度为65m长，部分桥梁由一个箱形梁形成。桥面总宽度为29.95m，其中m为人行道技术宽度。

图2 北侧高架桥的施工图

高架桥桥面板通常由四个圆形桥墩堆叠支撑，直径1.5m，长度可达40m。高架桥的施工过程是支撑在桥墩上的自支撑可移动脚手架。这种可移动结构反复安装和拆卸定位后，进行了加固布置，金属护套和锚固系统安装相关的工作。然后，在混凝土浇筑的情况下进行跨度施工。最后，预应力拉索被拉紧，可让移动的脚手架移动到下一个跨度。高架桥结构完成了服务人行道的混凝土浇筑，沥青层，伸缩缝的定位，外部安全屏障，栏杆和边梁。

图3 V2N高架桥的升空

2.2监控系统

Leziria 桥配备了一个集成的监控系统，以支持结构的管理和监控。在它对高架桥的关注中，两个区域被装备：（i）区域一，指的是TP1和P3之间的前三个跨度；（ii）区域二，指的是P10和TP2之间的最后三个跨度。在这两个区域中选择的横截面装有合适的传感器。

在一区域，按照图4安装的传感器是三个桥面部分（P1P2，P2和P2P3）的振弦式应变仪，以测量混凝土变形（CD）。图5描绘了典型的梁截面仪器，每个截面具有四个振弦式应变仪，每个对应A和B两个。应变仪具有内部热敏电阻，用于测量混凝土温度（CT）。通过消除线材和混凝土的自由热变形的影响来校正由振弦式应变仪捕获的应变值。热膨胀系数取值为，在所用混凝土的情况下为。通常在混凝土浇筑后进行传感器测量。若无法实现，则在混凝土浇筑之前进行参考读数。

在施工结束后监测高架桥四肢的轴承位移（BD）（见图4）。在负荷试验期间测量了P1P2和P2P3部分的垂直位移（VD），参考了土壤如图4所示。两个载荷情况LC1和LC2也在图4中示出，稍后在结果讨论中使用。这些载荷箱，其中四个卡车放置在梁横截面上，分别对应于跨度P1P2和P2P3的最大偏转。

图4监测横截面的识别

对结构的长期行为，应变和温度也记录在六个棱镜中，尺寸为15cmtimes;15cmtimes;55cm，两个长面未密封。这六个棱镜中的四个用于收缩测量，而另外两个棱镜用于蠕变测量。用与大梁相同的混凝土浇铸棱镜并保持在相同的固化条件下。为了更全面地描述甲板梁中使用的混凝土，两个收缩棱镜用2区混凝土浇筑，而剩余的棱柱（收缩和蠕变）用1区混凝土浇筑（见图3）。可以在其他地方找到Leziria 桥中安装的监控和数据采集系统的完整描述。

图5 横截面上定位的振弦式应变仪的布局

3.有限元分析

3.1正常状态

通过使用通用有限元代码进行非线性有限元分析。使用基于等参数公式的三个节点（约1m长）的梁有限元进行结构离散化。在二维分析中仅对一个大梁对齐，对齐A（参见图2），因为每个对齐上的加载和宽度相似。在该模型中，几何形状和载荷都与梁轴对称。普通和预应力钢筋均采用嵌入式钢筋构件进行建模。以这种方式，自动考虑由于混凝土蠕变和收缩以及预应力缆索的引起的预应力损失。桩土相互作用也用弹性弹簧建模。进行了5、6级的分阶段分析，其中通过在每个新阶段包括新元素和/或修改与支撑的连接来改变模型。分析中采用的顺序遵循施工期间观察到的真实年表，如下表1所示。在构造涉及大型结构的数值模型时，由于数据是输入，错误是不可避免的。因此，为了减少潜在的错误，CAD工具专门开发并在扫描件中使用。

表1 V2N高架桥建设的时间历史

3.2结构建模

几何模型的构建基于桥梁项目的最终图纸。如图6a所示，结构元件，桩，桥墩和高架桥被减小到它们的轴线。

所有结构构件的普通钢筋都考虑了混凝土面附近的钢筋层。与梁梁相匹配的附加钢筋层被建模，以考虑钢筋在钢筋混凝土延迟变形中的作用。大梁混凝土中的嵌入式预应力钢索采用抛物线元件精确建模，以便对预应力损失进行严格评估（图6b）。为了便于分析从早期开始的高架桥行为，可移动脚手架系统也采用支撑在高架桥墩中的梁单元进行建模。在全球范围内，数值模型有992个梁单元，396个线性加固单元（普通加固单元），60个抛物线加固元件（预应力电缆），561个弹簧和14个支撑。

图6 高架桥的有限元（DIANA输出）

3.3混凝土建模

在混凝土结构中，为了获得结构行为的正确预测，需要对材料特性进行精确建模，即混凝土。

因此，混凝土力学性能的定义是基于150mm立方体的试验，这些试验在施工期间进行，并且从参考混凝土棱镜中进行测量以评估收缩和蠕变.

欧洲法典欧洲规范2提出的表达式EC2被认为是描述混凝土性能的时间变化，即弹性模量，蠕变和收缩。只要有可能，这些表达式中涉及的参数值就是从测量中获得的。

此外，在FEM分析中考虑了具有不同机械性能的混凝土，以考虑在高架桥施工期间进行的相控混凝土浇筑。

3.3.1混凝土抗压强度的演变

考虑到混凝土抗压强度的演变对于长期分析是必不可少的，因为它与混凝土弹性模量的演变相关。基于在150mm立方体中进行的压缩试验计算混凝土抗压强度。进行了广泛的研究以表征不同结构元件（即桩，桥墩和梁）的抗压强度。由于气缸强度未经实验评估，因此将其视为EC2推荐的观察到的立方体强度的82％。表2总结了有关28天抗压强度的统计信息。基于这些结果，给定年龄的压缩强度在EC2中通过等式给出.

（1）

其中t代表以天为单位的混凝土年龄，s是水泥硬化系数，表征混凝土强度的演变，而是混凝土抗压强度的平均值，年龄为28天。参数s由曲线拟合程序确定，该程序包括最小化立方体测试结果（在不同年龄）和等式（1）之间的均方误差。图7示出了仪表区域中混凝土的曲线拟合结果，即桩2，桥墩2和甲板跨度P2P3（图3），而表3总结了由不同结构元件分组的那些参数的值。

表3混凝土的机械性能 平均

图7压缩强度演变

3.3.2弹性模量

通过方程（2）基于观察到的混凝土抗压强度确定切线弹性模量E_c。

（2）

其中代表28天龄时混凝土圆柱强度的平均值（表2）。根据EC2，弹性模量的演变与压缩强度的时间变化（在上面确定）相关，并由方程（3）给出。表3总结了结构元素类型描述的平均值。

（3）

3.3.3收缩率

总收缩应变由两部分设定，如式（4）所示：干燥收缩应变和自收缩时效应变。干燥收缩应变缓慢发展，因为它是水通过硬化混凝土的迁移的函数，而自生收缩应变在混凝土硬化阶段发展。由EC2给出的干燥和自收缩的数学模型分别在方程（5）和方程（6）中给出，并且它们通过具有标称系数的和时间因子乘法模型表示。

（4）

（5）

（6）

其中是自干燥开始以来的时间（以天为单位）。另外，和参数在方程（5）中引入，以便干燥收缩模型可以缩放并调整到从混凝土棱柱获得的实验结果。实际上，在拟合问题中没有考虑自收缩，因为主要部分在铸造后的早期发展。然而，由于从混凝土中开始的混凝土棱柱测量已经开始，所以自动收缩并没有被忽略。相反，通过减去由等式（6）表示的量以使拟合过程进入干燥收缩模型，然后将其添加，从测量中去除其效果。因此，方程（4）中给出的模型适合于在混凝土棱镜中进行的应变测量。此外，根据收集的测量结果，考虑平均温度为16℃，相对湿度为65％。

图8显示了区域1和区域2的收缩棱镜所获得的结果（见图3）。使用拟合的EC2模型获得了更真实的模型，很明显EC2模型高估了收缩变形。两个区域的收缩变形几乎相等，在接近2000天（）后大约300 u，而早期的演变则不同（区域棱镜的）对于2区的棱镜，1和）。此外，关于2区的结果可以更好地长期调整，而1区的结果在第一年龄段表现出更好的调整。这似乎可以通过在前250天内对2区棱镜获得的稀缺测量来解释。事实上，如果忽略区域1在此期间的收缩测量，则获得的拟合模型与区域2获得的模型非常相似（和）。在这种情况下，正确解释建筑阶段和长期行为需要不同的模型。

图8 甲板混凝土的收缩应变

横截面形状影响收缩应变的演变，这种依赖性通常用名义尺寸表示。高架桥的结构元件的名义尺寸在600mm（区域1）和1070毫米（区域2）之间，显着高于150mm的收缩棱镜。在这项工作中采用的策略是根据结构元素的有效名义尺寸和收缩棱镜的拟合曲线推导出结构元素的收缩曲线（图8）。另外，由于在梁的上表面上的防水效果，在名义尺寸计算中考虑了沥青层的影响。虽然在施工阶段这可能不完全正确，但这是预测结构行为的一个基本问题。最后，为了考虑光束厚度变化（见图5），对13个跨度中的每一个计算三种不同的收缩曲线，不同的符号尺寸，因此，3times;13计算收缩曲线，如图9所示，在输入文件中进行计算。

图9高架桥结构构件的收缩曲线

3.3.4徐变

根据EC2，混凝土的徐变变

资料编号：[4953]