大跨徑橋梁施工中不確定因素控制分析

任天鶴

(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司)

1 引言

橋梁嚴(yán)格的施工控制對于橋梁的安全建設(shè)有著至關(guān)重要的作用。施工過程中，我們很難做到在每個環(huán)節(jié)都得到橋梁的應(yīng)力應(yīng)變信息，但是我們可以采取先進(jìn)的監(jiān)測手段，去獲取關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)信息，這對于掌握施工的信息起著很重要的作用，如果監(jiān)測的數(shù)值同預(yù)計的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)有較大的出入，我們就應(yīng)該立即停工，分析原因，避免安全事故的出現(xiàn)。監(jiān)測的過程就是管理的一部分，因此，從這個角度講，橋梁施工控制的重要性就體現(xiàn)了出來。本文對橋梁施工中溫度應(yīng)力、收縮徐變等控制因素進(jìn)行了分析，希望能總結(jié)一些經(jīng)驗，為今后的橋梁施工控制提供一些有益的建議。

2 溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力是由于溫度因素的變動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)伸縮現(xiàn)象，當(dāng)伸縮受到邊界條件的限制時，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部便產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，通?？梢苑譃閮煞N，一種叫做溫度自約束應(yīng)力，它是指構(gòu)件某單元組織因為溫度不同，纖維間的作用力會存在差異，從而表現(xiàn)出了相互的作用力;另一種叫做溫度次約束應(yīng)力，指的是因為構(gòu)件內(nèi)部組織因為溫度不同，表現(xiàn)出的變形位移不同，外界對不同部件產(chǎn)生的約束能力也不同，溫度應(yīng)力具有顯著的非線性和時間性。

溫度分布是指在給定時刻的空間某區(qū)域內(nèi)溫度隨空間位置的變化。這是熱量傳遞研究中要解決的主要問題之一，對于混凝土結(jié)構(gòu)而言，因為其導(dǎo)熱系數(shù)較小，在外界溫度急劇變化時，其內(nèi)部溫度反應(yīng)不靈敏，導(dǎo)致深度不同，結(jié)構(gòu)的溫度也有差異，這就是典型的非線性溫度分布狀態(tài)。

2.1 溫度載荷

隨環(huán)境影響，混凝土結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部各處的溫度都不會是一個不變的溫度，通?；炷两Y(jié)構(gòu)所承受的溫度載荷可以分為三類，一是日照溫度載荷;二是驟然降溫引起的溫度差載荷;三是整年溫度的緩慢變化所引起的溫度載荷，三類溫度載荷各自的特點如表1所示。第一種載荷主要受太陽光的照射因素影響，第二種的主要影響因素是氣溫的變化以及風(fēng)速的大小，這兩種載荷對混凝土結(jié)構(gòu)會有較大的影響，以此，橋梁在設(shè)計的過程中一定要在設(shè)計階段就重視起這兩種溫度載荷。

表1 不同溫度荷載的特征

2.2 溫度載荷分析

溫度載荷跟天氣的變化有密切的關(guān)系，天氣變化有著很強(qiáng)的預(yù)見性，也有很多的數(shù)據(jù)可以用來分析，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律表明溫度載荷是一個以時間為變量的函數(shù)。雖然在數(shù)學(xué)上我們能夠定性分析出這個函數(shù)的大致分布，但是要想嚴(yán)格的解出這個函數(shù)還是非常困難的。因此，很多情況下，我們所進(jìn)行的只是工程結(jié)構(gòu)的溫度載荷定性分析，就是根據(jù)某些算法確定某個具體溫度下載荷的分布情況，求解過程可以大致的利用熱傳導(dǎo)方程來進(jìn)行近似求解。

熱傳導(dǎo)方程的實質(zhì)是以函數(shù)的形式表達(dá)構(gòu)件的表面與內(nèi)部某一點的溫度，其函數(shù)表達(dá)式可為

這表示Ti的大小不僅與構(gòu)建表面或者內(nèi)部某一點的三維空間位置有關(guān)，與時間也有一定的聯(lián)系。橋梁構(gòu)件的鋼筋混凝土材料，可以等效為各向同性、均質(zhì)的離線材質(zhì)，根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)理論可以得到其三維的非穩(wěn)定熱的導(dǎo)熱方程表達(dá)式

其中:λc為混凝土導(dǎo)熱系數(shù);C為混凝土的比熱率;γc為混凝土的容重;q為混凝土單位體積內(nèi)放出的熱量。

需要注意的是當(dāng)不考慮混凝土的水化熱效應(yīng)時q為0，則式2可表示為

混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)情況，我們可以利用一維的熱傳導(dǎo)公式來近似模擬，根據(jù)大量的工程數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)，這種近似的模擬可以將復(fù)雜的問題簡單化，而且誤差的程度也是可以接受的。比如，在剛開始運(yùn)營的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為橋長方向的溫度分布狀態(tài)是相同的，因為太陽光的照射，橋梁的斷截面上熱傳導(dǎo)是一個垂直分布的狀態(tài)，垂直方向的熱傳導(dǎo)速度要大于水平方向的速度，因此，實際情況中，我們可以認(rèn)為水平方向的熱傳導(dǎo)作用為零。

3 混凝土結(jié)構(gòu)的徐變收縮分析

混凝土徐變是指混凝土在長期應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時間而持續(xù)增長的特性(注意彈性變形應(yīng)變不會隨時間而持續(xù)增長)，在長期荷載作用下，結(jié)構(gòu)或材料承受的應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時間增長的現(xiàn)象稱為徐變。收縮變形指的是混凝土結(jié)構(gòu)長期處于零荷載的狀態(tài)，會發(fā)生緩慢的收縮。徐變、收縮變形往往是同時進(jìn)行的，混凝的應(yīng)變是溫度應(yīng)變、收縮應(yīng)變、徐變應(yīng)變?nèi)吖餐饔玫慕Y(jié)果，在實際分析中，由溫度引起的溫度應(yīng)變應(yīng)該單獨的考慮。根據(jù)國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會樣板規(guī)范的規(guī)定，承受單軸向、不變應(yīng)力為σc(τ)的混凝土構(gòu)件在某一時刻t時的總應(yīng)變可用ε(t)來進(jìn)行表示

其中:εi(τ)表示加載時的初始應(yīng)變;εi(t)表示時間t時的徐變應(yīng)變;εs(t)表示收縮應(yīng)變;εT(t)表示溫度應(yīng)變;εσ(t)表示應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變，εσ(t)= εi(τ)+εc(t);εn(t)表示非應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變，εn(t)=εs(t)+εT(t)。

混凝土發(fā)生收縮現(xiàn)象是混凝土終凝之后混凝土中的水分揮發(fā)，在其它非應(yīng)力作用下(物理化學(xué)反應(yīng))出現(xiàn)了體積縮小。與收縮相對應(yīng)的是當(dāng)混凝土凝固因含水量的增加也會導(dǎo)致其體積出現(xiàn)增大?；炷恋氖湛s應(yīng)變函數(shù)表達(dá)式通常為εs(t，τ)?；炷潦湛s應(yīng)變終值的預(yù)計，一般與環(huán)境條件、構(gòu)件尺寸及混凝土成分都有著很大的關(guān)系。

3.1 混凝土發(fā)生收縮變形的原因

(1)自發(fā)收縮:自發(fā)收縮的主要原因是混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)會消耗掉水泥，而化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水化物體積要小于所耗水泥的體積，表現(xiàn)的結(jié)果就是混凝土結(jié)構(gòu)的收縮變形。

(2)干燥收縮。受外部環(huán)境的影響，混凝土內(nèi)部的水分會逐漸的減少，整體結(jié)構(gòu)就會表現(xiàn)出收縮的現(xiàn)象，這是混凝土發(fā)生收縮變形的最主要一個原因。

(3)碳化收縮?；炷两Y(jié)構(gòu)中的水泥化合物會與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致混凝土體積的逐漸減小。

3.2 混凝土徐變現(xiàn)象發(fā)生的原因

混凝土徐變現(xiàn)象發(fā)生的原因機(jī)理，目前世界上并沒有一個統(tǒng)一的答案，最為權(quán)威的，也是最被認(rèn)可的一個答案是美國混凝土協(xié)會在上世紀(jì)70年代所給出的解釋:

(1)外力作用下，膠體顆粒的粘性流動造成晶體的滑動;

(2)外力作用下，毛細(xì)孔中水的遷移，這緩解了部分內(nèi)部應(yīng)力，有利于抑制裂紋的生成;

(3)在外部載荷的作用下，混凝土層間的積水會逐漸的流失，從而導(dǎo)致土質(zhì)緊縮。

(4)局部的微小裂痕出現(xiàn)后，混凝土?xí)饾u的同新材料發(fā)生結(jié)晶，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的位移變形。

3.3 導(dǎo)致混凝土徐變和收縮的因素

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生徐變、收縮的原因機(jī)理，我們可以用圖1來簡要概括出可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生徐變和收縮的因素。

從圖1可以看出，影響收縮的因素與荷載條件無關(guān)，但是對徐變和收縮均有影響的因素，其影響的程度卻是不盡相同的。徐變通常和混凝土結(jié)構(gòu)的荷載條件有關(guān)系，在進(jìn)行混凝土徐變試驗中，我們施加的單軸向壓力應(yīng)該低于混凝土強(qiáng)度的45%，根據(jù)試驗的結(jié)果，我們可以得到下面的結(jié)論:當(dāng)壓應(yīng)力不超過材料強(qiáng)度一半的時候，應(yīng)力同應(yīng)變之間有著很好的線性關(guān)系，否則，線性關(guān)系將不復(fù)存在。這主要是因為泥漿同骨料交接處的裂紋引起的，為了計算分析的方便，我們通常可以用彈性泊松比來近似的替代混凝土徐變的泊松比。

圖1 影響徐變收縮的因素

4 小結(jié)

大跨徑橋梁工程中溫度應(yīng)力及混凝土收縮徐變的具體參數(shù)是一個瞬變的隨機(jī)量，該變量與橋梁工程施工環(huán)境、坐標(biāo)位置、材料組成、外界干擾等都有著緊密聯(lián)系，盡管該參數(shù)難以控制，但是該參數(shù)對分析橋梁結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力分布具有重要作用。所以在進(jìn)行大跨徑橋梁施工控制時應(yīng)深刻認(rèn)識到溫度與混凝土徐變收縮因素的影響。這些不確定因素的控制是橋梁建設(shè)的安全性保障，通過對橋梁建設(shè)的內(nèi)力及應(yīng)變進(jìn)行預(yù)估，并實時應(yīng)用相關(guān)儀器提取數(shù)據(jù)和預(yù)估信息進(jìn)行對比，進(jìn)而完成橋梁建設(shè)進(jìn)展?fàn)顩r的追蹤與監(jiān)測。

[1]交通部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵設(shè)計規(guī)范[M］.北京:人民交通出版社，1995.

[2]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M］.北京:人民交通出版社，2000.

[3]劉來君.溫度應(yīng)力引起的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁開裂分析[J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報，1999，(2):16-19.