應力監(jiān)控在緊鄰客專轉體橋施工中的應用

陳建強 鄔蘇凡 曹選珠 黃平 李若銘

摘要：研究目的：應力監(jiān)控是大跨度橋梁施工過程中線性控制的主要依據(jù)，故加強在施工過程中對橋梁關鍵部位的應力監(jiān)控顯得尤為重要。本文通過對四環(huán)轉體橋的長期應力監(jiān)控，整理大量實測數(shù)據(jù)，并通過與理論模型計算的數(shù)據(jù)比較分析；研究對各種因素對梁體應力的影響情況。

研究結論：①本橋箱梁采用C50混凝土，轉體前梁體受力最不利階段和成橋后主橋箱梁混凝土中的正應力均控制在規(guī)范容許的范圍之內，結構比較安全。②與理論應力相比，實測應力存在一定的偏差，這是因為實測應力結果涉及到所有影響因素，在施工過程中，受到混凝土收縮、徐變、測量誤差、施工誤差、氣溫變化等因素的影響和制約，其變化值在一定范圍之內屬于正常現(xiàn)象。③上部結構每節(jié)段施工的主要施工行為，澆筑混凝土、張拉預應力等都會在不同程度上影響箱梁應力，其中懸臂根部上緣壓應力和下緣壓應力因混凝土澆筑而減小和增加；而預應力張拉使懸臂根部上緣壓應力增加，下緣壓應力減小。該研究應用于今后類似工程中對于橋梁施工中梁體受力狀態(tài)的監(jiān)測，為橋梁的安全施工提供保障。

關鍵詞：應力監(jiān)控 轉體橋 施工 應用

1 概述

沈陽四環(huán)快速路跨越京哈線K679+420立交橋位于四環(huán)快速路于K3+667.4處，公路與鐵路交叉角度52°。該橋通過轉體方式跨越秦沈客專，轉體結構布置在承臺部位，上部結構為2孔80mT型剛構連續(xù)箱梁，箱梁頂寬17.1m，梁高3.6m～7m，梁底為二次拋物線，單幅橋轉體重量11800t。對本橋主要監(jiān)測下轉盤應力，以及監(jiān)測主梁施工懸臂根部縱向應力。對于下轉盤應力監(jiān)測來說，通常情況下主要是對轉體荷載作用下下轉盤內部混凝土的應力及其變化狀況進行監(jiān)測，從中反映出轉動體系的偏心狀況。主梁施工懸臂根部截面混凝土內應力隨著混凝土澆筑、預應力張拉、脫架后等各個施工階段的體系轉換不同工況發(fā)生變化；對兩端懸臂根部截面的縱向應力進行觀測，同時對兩端懸臂平衡狀況進行推算，進而為控制與調整整個轉體體系旋轉前、后的兩端平衡狀態(tài)起到指導作用。

2 應力測試儀器及測試原理

2.1 選擇測試儀器

在橋梁施工過程中，由于橋梁施工時間較長，所以需要長期、連續(xù)地進行應力監(jiān)測，對結構的應力情況進行實時、準確的監(jiān)測，選擇方便、可靠、耐久性好的傳感組件顯得格外重要。根據(jù)以往的監(jiān)測經(jīng)驗，鋼弦式傳感器具有較好的穩(wěn)定性和應變積累功能，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)點，將鋼弦式傳感器應用到本橋的應力監(jiān)測中。

2.2 測試原理

將鋼弦應力計埋入混凝土中，對于鋼弦兩支點間的弦長來說，在軸向力作用下將會伸長或縮短，進一步使得自振頻率發(fā)生一系列的變化。對于鋼弦的應變值來說，通常情況下，通過測試傳感器的自振頻率即可得到，同位置上的混凝土應力通過下列公式可以進行計算：σc=Ecεg

式中：σc、Ec、εg分別代表混凝土結構的應力、混凝土的彈性模量、鋼弦傳感器的應變。

3 監(jiān)測斷面及儀器布置

主梁測試斷面選擇在懸臂根部和梁的跨中處，測試斷面總共8個，如圖3-1、3-2所示，顯示了主梁測試斷面儀器布置情況，在頂板上層鋼筋和底板下層鋼筋上分別布置鋼筋應力計，每個截面布置5根鋼弦應變傳感器。

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圖3-1 全橋應力測點截面縱向布置圖

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圖3-2 主梁懸臂根部應變測點位置

混凝土應力計按預定的測試方向（梁部結構為橋梁的縱橋向）埋在混凝土中，為測試方便，同一個截面的測試導線引至同一側的混凝土表面。

4 應力監(jiān)測技術

4.1 設定鋼弦計初值及測試時間

采用支架現(xiàn)澆+轉體施工對2-80連續(xù)剛構橋進行處理，在各測試斷面根據(jù)施工控制前期計算結果埋設鋼弦計，在初凝后，由于混凝土將發(fā)生水化熱，進而在一定程度上影響測試結果，所以，在混凝土的初凝時刻，設定一般混凝土應力計的初值，在這種情況下，水化熱對測試結果的影響可以進一步的降低。

4.2 混凝土收縮和徐變的影響

對于超靜定結構來說，在混凝土收縮和徐變的影響和制約下，將會產生結構次內力，因此，需要采取措施，對混凝土收縮和徐變產生的應力增量進行扣除處理。

在每道工序（如張拉預應力鋼筋）之前測一次數(shù)據(jù)，混凝土的收縮、徐變對測試結果的影響在一定程度上就可以消除。對于工程項目來說，如果工期比較短，工序之間混凝土的收縮、徐變量可以認為很小，在設計要求不嚴的情況下，可以忽略不計，同時通過采用增量結果的形式對每個階段進行監(jiān)測。反之，如果工程項目的工期比較長，需要對測試數(shù)據(jù)進行處理，在處理方法方面，與分析應力測試數(shù)據(jù)相同。

4.3 其它影響因素

①混凝土的彈性模量，對于這種影響因素通常情況下根據(jù)試驗結果進行調整。

②鋼弦計本身質量，根據(jù)實踐經(jīng)驗，在監(jiān)測過程中，混凝土應力傳感器具有較好的穩(wěn)定性，零點隨時間漂移很小。

5 應力測試數(shù)據(jù)分析

所謂監(jiān)測施工應變，就是在構件混凝土內埋置傳感器，在變形方面，變形測點處的傳感器與周圍混凝土保持一致性。由于摻入了多種變形，周圍混凝土的總應變值可以與傳感器的顯示數(shù)值相等同。在時刻τ承受單軸向應力σ（τ）的混凝土構件，在時刻t測得總應變值ε（t）可用下式表示：

ε（t）=εi（τ）+εc（t）+εs（t）+εT（t）+εV（t）

式中：εi（τ）、εs（t）、εc（t）、εT（t）、εV（t）分別代表加載時初應變、時刻t<τ時的徐變效應、收縮應變、溫度應變、構件體積幾何尺寸變形引起的應變值。

5.1 混凝土收縮、徐變應變的影響

在橋梁項目施工過程中，混凝土收縮、徐變對主梁結構產生不同程度的影響，這些影響主要表現(xiàn)為：①在收縮、徐變的作用下，預應力鋼束逐漸損失應力；②箱梁的撓度發(fā)生徐變；③鋼筋應力計受收縮、徐變的影響，增加了非受力應變，與理論結果相比，測試結果相差較大，所以從總應變中分離出混凝土的受力應變，進而得到混凝土的實際應力，在這種情況下，測試結果受收縮和徐變的影響可以進一步扣除。

對于混凝土的彈性應變和徐變應變來說，在工作應力的影響和制約下與應力符合線性關系。只要將總應力控制在混凝土強度的50%，這時可以分批施加應力所產生的應變。在τ0時刻施加的初應力σ（τ0），分別在不同的時刻τi（i=1，2，…，n）分階段施加應力增量Δσ（τi）的混凝土，t時刻總應變?yōu)椋?/p>

ε（t，τ0）=■[1+？漬（t，τ0）+■■[1+？漬（t，τi）]+εs（t，τ0）

式中：σ（τ0）、E（τ）、εs（t，τ0）、？漬（t，τ0）分別代表在τ0時刻施加的初應力、齡期為τ的混凝土彈性模量、混凝土在t時刻的收縮應變、徐變系數(shù)，參考公路橋規(guī)進行計算。

設每次施加應力增量Δσ（τi）后立即讀數(shù)，即觀察時刻ti=τi，則：

σ（τ0）=■E（τ0）

式中：因后期混凝土收縮徐變的影響減小，所以可以用上式作為計算依據(jù)。

Δσ（τ1）=■E（τ1）

5.2 溫度影響

通常情況下，大氣溫度變化直接關系到箱梁混凝土的溫度變化，傳感器鋼弦的應變和自振頻率受大氣溫度的影響將會發(fā)生改變，其應力增量為：

dεg=-2εgεg+■

一般情況下，εg<■，則有：

■≈■

因此主梁結構的實際應變?yōu)椋?/p>

εc=εg測-■

實踐證明，荷載在日照溫度的作用下，在主梁表面40cm的范圍內其溫度呈現(xiàn)梯度變化，并且溫度分布不均勻，反之其它部分的溫度趨于平衡分布。對于梁體來說，在縱向纖維的約束下，縱向溫度自應力將會出現(xiàn)在梁體截面上，在溫度作用下，傳感器受主梁的約束使鋼弦的應變發(fā)生改變。改變量Δεt（y）可由下式計算：

Δεt（y）=αT（y）-（ε0+ky）

式中：α、T（y）、ε0、k分別代表鋼弦的熱膨脹系數(shù)、沿梁高方向的溫度梯度、梁高y=0處的變形值、單元梁段撓曲變形后的曲率。

在監(jiān)測本橋應力的過程中，為了進一步消除溫度對測量值的影響，在早晨太陽輻射較小時完成數(shù)據(jù)讀取，同時按試驗值修正溫度應變。

采集實測數(shù)據(jù)經(jīng)過混凝土收縮徐變、溫度的影響修正計算出成橋后的應力如表5-1、5-2所示。

6 應力監(jiān)測

下面給出各測試斷面應力監(jiān)控結果，測試數(shù)據(jù)由頂板上和底板上的所有儀器取平均值得到，應力以受拉為負，受壓為正。

梁體應力監(jiān)控結果如圖6-1～6-4所示。

梁體各個階段實際應力測試結果與理論結果比較分析，實測值與理論值的誤差不超過15%，在這種情況下，可以充分表明該橋施工滿足相應的設計要求。在施工工程中，梁體處于安全范圍以內。與理論值相比，某些截面的壓應力由于應力計預埋位置和溫度等因素的影響在一定程度上可能出現(xiàn)較大的偏差，但是仍處于安全范圍內。

7 結論

①本橋箱梁采用C50混凝土，在規(guī)范容許的范圍之內，控制轉體前梁體受力最不利階段和成橋后主橋箱梁混凝土中的正應力，進一步確保結構的安全性。

②實測應力與理論應力相比存在一定的偏差，其原因是各種因素影響實測應力所致。

③在施工過程中，箱梁應力受到混凝土澆筑、預應力張拉等因素不同程度的影響，其中混凝土澆筑使懸臂根部上緣壓應力（下緣壓應力）減?。ㄔ黾樱?；而預應力張拉使懸臂根部上緣壓應力（下緣壓應力）增加（減小）。

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