混凝土橋梁振弦傳感器應(yīng)力測試溫度影響性分析

陳 雷

（中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034）

大跨度混凝土橋梁施工及成橋運營過程中，應(yīng)力測試是評價橋梁狀態(tài)的重要指標(biāo)［1－2］，且結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)需結(jié)合理論計算及控制斷面的測量值進(jìn)行綜合評估。由于應(yīng)力傳感器和混凝土材料膨脹系數(shù)的差異，結(jié)構(gòu)自由狀態(tài)下，溫度變化也將引起其內(nèi)部應(yīng)變計讀數(shù)變化，致使結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試值與實際值偏差較大，必須采用一定的方法對振弦式傳感器所測應(yīng)變進(jìn)行修正，以反映混凝土結(jié)構(gòu)實際應(yīng)變［3－4］。

1 振弦傳感器溫度－應(yīng)變試驗方案

本次試驗分別對埋入混凝土試件、靜定橋梁結(jié)構(gòu)中及自由狀態(tài)下的傳感器進(jìn)行溫度、應(yīng)變長期測試，并綜合考慮混凝土收縮的影響。

（1）選擇6組應(yīng)力傳感器作為測試對象，將其放入無日照的環(huán)境中，研究環(huán)境溫度變化下傳感器鋼弦與應(yīng)變筒變形協(xié)調(diào)關(guān)系，得出其測試應(yīng)變與溫度的關(guān)系。為保證溫度與應(yīng)變的同步性，應(yīng)力傳感器選擇集溫度、應(yīng)變一體的元件。

（2）選擇6組埋入應(yīng)力傳感器的混凝土試件（尺寸為：100mm×100mm×300mm）作為測試對象，將其放入無日照的環(huán)境中，研究環(huán)境溫度變化下測試應(yīng)變與溫度的關(guān)系。

（3）選擇埋入4組應(yīng)力傳感器懸臂靜定橋梁結(jié)構(gòu)作為測試對象，在無日照條件下采集應(yīng)力，測試開始時結(jié)構(gòu)齡期為150d，研究環(huán)境溫度變化下測試應(yīng)變與溫度的關(guān)系，靜定橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力測點布置見圖1。

圖1 靜定橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力測點布置（單位：cm）

試驗測試周期284d，每天測試3次，即每次測試代表0.3d，以確定其相應(yīng)的溫度與應(yīng)變關(guān)系。

2 溫度－應(yīng)變試驗研究及結(jié)果分析

2.1 自由狀態(tài)下的傳感器溫度－應(yīng)變關(guān)系

試驗結(jié)果以第一次采集應(yīng)變?yōu)榱阒怠?組傳感器溫度與應(yīng)變的平均值曲線見圖2。溫度影響系數(shù)以每次測試應(yīng)變與溫度差值的比值表示，計算公式為

圖2 各組傳感器溫度與應(yīng)變的平均值曲線

6組傳感器影響系數(shù)平均值曲線見圖3。

圖3 各組傳感器影響系數(shù)平均值曲線

由測試結(jié)果可知，全年溫度變化范圍3.7～36.7℃，實測應(yīng)變變化范圍為（－8～0）×10－6，溫度影響系數(shù)為（－0.25～－0.45）×10－6／℃；全年各組傳感器均較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大波動，壓應(yīng)變增量與溫度變化成反比，全年溫度影響系數(shù)平均值較小，為－0.3×10－6／℃，傳感器鋼弦與應(yīng)變筒變形協(xié)調(diào)關(guān)系較好。

2.2 埋入混凝土試件中的傳感器溫度－應(yīng)變關(guān)系

2.2.1 研究方法

（1）為減少混凝土收縮應(yīng)變的影響，根據(jù)混凝土收縮應(yīng)變前期發(fā)展較快、后期較為緩慢的特點，將試件放置一段時間，待收縮應(yīng)變完成大部分后，開始溫度、應(yīng)變測試。本次試驗開始時，試件齡期為60d。

（2）為合理確定傳感器溫度－應(yīng)變的起始點，測試周期以測試結(jié)束與開始測試時環(huán)境溫度可基本回歸為原則進(jìn)行確定，并繪制相同溫度、不同齡期下的測試應(yīng)變曲線，以確定收縮應(yīng)變基本完成的時間。

（3）以收縮應(yīng)變基本完成時的測試結(jié)果作為試驗研究的零點，后續(xù)測試與零點的應(yīng)變差、溫度差的比值確定為溫度－應(yīng)變影響系數(shù)。

2.2.2 混凝土收縮應(yīng)變及測試周期確定

6組試件中傳感器測試溫度與應(yīng)變的平均值曲線見圖4；6～10℃的不同齡期下試件傳感器測試應(yīng)變曲線見圖5。

圖4 各組測試溫度與應(yīng)變的平均值曲線

由圖4可見，測試開始溫度為6～7℃，測試第852次時溫度基本回歸，即測試周期確定為284d。

圖5 溫度基本相同、不同齡期的應(yīng)變曲線

由圖5可見，溫度基本相同（相差1℃范圍內(nèi)）情況下，測試開始時測試應(yīng)變增加較快，第100次后逐漸收斂，變化值較小。因此，以此時傳感器的測試溫度、應(yīng)變作為零值，研究其溫度－應(yīng)變關(guān)系較為適宜。

2.2.3 溫度－應(yīng)變規(guī)律及影響系數(shù)

根據(jù)2.2.2研究成果，第100次的測試結(jié)果可作為基準(zhǔn)值，并采用后續(xù)測試結(jié)果與基準(zhǔn)值間的應(yīng)變差與溫度差的比值表示溫度影響系數(shù)，即溫度影響系數(shù)k溫n＝（εn－ε100）／ （tn－t100），以6組埋入試件的傳感器的k溫n平均值及擬合曲線見圖6。

圖6 溫度－應(yīng)變關(guān)系及擬合曲線

由圖4可見，經(jīng)過284d不同溫度、不同試件齡期溫度、應(yīng)變測試，測試應(yīng)變變化均與溫度變化相反，即溫度升高，壓應(yīng)變增加；測試初期，受混凝土收縮應(yīng)變影響，溫度與應(yīng)變兩者之間反對稱性較不規(guī)律，測試至第100次后，溫度與應(yīng)變兩者反對稱性較好，變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，可進(jìn)行溫度－應(yīng)變關(guān)系研究。

由圖6可見，埋入試件中的傳感器所測應(yīng)變變化與溫度變化基本成正比，比值為－4.3×10－6／℃。

2.3 埋入懸臂靜定橋梁結(jié)構(gòu)中的傳感器溫度－應(yīng)變關(guān)系

選擇4組應(yīng)力傳感器埋入懸臂靜定橋梁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行溫度－應(yīng)變試驗，研究方法與2.2節(jié)相同。根據(jù)橋梁施工進(jìn)度，測試時橋梁施工階段為主跨合龍前最大懸臂狀態(tài)，需靜置約3個月，測點埋設(shè)斷面混凝土齡期已至150d，收縮應(yīng)變基本完成，測試時間為2013年3月～4月，周期為60d，每2 d測試1次，4組傳感器所采集的溫度與應(yīng)變平均值見圖7，溫度影響系數(shù)k溫n見圖8。

圖7 不同齡期下測試所得溫度與應(yīng)變

圖8 溫度影響性系數(shù)及擬合曲線

由圖7、圖8可見，埋入懸臂靜定橋梁結(jié)構(gòu)中傳感器溫度及應(yīng)變變化趨勢基本與2.2相同，埋入試件中的傳感器所測應(yīng)變變化與溫度變化基本成正比，比值為－4.45×10－6／℃，與上節(jié)研究成果基本一致，可作為實橋溫度－應(yīng)變修正系數(shù)。

3 結(jié)語

混凝土橋梁施工過程及運營階段應(yīng)變測試值受混凝土收縮徐變、不均勻溫度場效應(yīng)、環(huán)境溫度等因素影響較大，其中前兩者影響量修正難度較大，一般通過無日照、增量測試法減弱兩者影響，而后者只能通過溫度影響系數(shù)進(jìn)行修正。

本文通過長期對埋入混凝土試件、靜定橋梁結(jié)構(gòu)中及自由狀態(tài)下的傳感器溫度、應(yīng)變測試，確定了試驗所用傳感器的穩(wěn)定性，給出溫度對測試應(yīng)變的影響系數(shù)，相互驗證，試驗所得成果可應(yīng)用于實橋測試應(yīng)力修正。

［1］ 胡志鵬.曲線鋼－混凝土結(jié)合梁橋的溫度應(yīng)力［J］.交通科技，2014（3）：14－17.

［2］ 代遲書.連續(xù)剛構(gòu)橋承臺水化熱現(xiàn)場監(jiān)測與溫度控制［J］.交通科技，2013（3）：50－53.

［3］ 王子芳.大體積混凝土施工中的溫度控制［J］.交通科技，2012（S1）：32－33.

［4］ 向木生，田曉彬，徐 華，等.預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)力測試技術(shù)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2001（3）：266－269.