混凝土箱梁橋施工監(jiān)控受溫度變化影響及修正分析

鄧 銳

(太原高速公路有限公司機(jī)械化養(yǎng)護(hù)中心,山西 太原 030000)

0 引言

混凝土箱梁結(jié)構(gòu)憑借其優(yōu)良的截面特性得到了廣泛的應(yīng)用。由于箱型截面面積大，各部位受太陽(yáng)輻射不同使得箱型梁橋受太陽(yáng)日照等因素下很容易形成箱梁內(nèi)表面、外表面的溫度差，豎向溫度差值等表面溫度差值，這個(gè)溫度差值則會(huì)引起溫度應(yīng)力，一旦溫度差值過(guò)大，引起的溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土極限拉應(yīng)力時(shí)則容易產(chǎn)生溫度裂縫?；炷料淞菏┕み^(guò)程中的溫度場(chǎng)變化產(chǎn)生的影響力往往超過(guò)了混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差影響，因此在進(jìn)行混凝土箱梁施工參數(shù)識(shí)別中有必要充分考慮溫度影響的程度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行溫度影響的消除處理。一般通過(guò)進(jìn)行溫度影響的理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)控制來(lái)消除溫度影響，這也成為了混凝土箱梁橋施工過(guò)程溫度影響控制研究的熱點(diǎn)之一[1,2]。顏東煌等基于某斜拉橋施工溫度控制實(shí)例進(jìn)行了消除溫度影響的理論創(chuàng)新，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析橋梁溫度場(chǎng)的分段多項(xiàng)式函數(shù)法及控制消除溫度影響的方法，運(yùn)用結(jié)果表明了該方法的有效性[3]。

本文基于現(xiàn)有的箱梁結(jié)構(gòu)溫度控制及消除的現(xiàn)實(shí)理論基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行施工工況下的溫度影響分析及修正，達(dá)到較好消除現(xiàn)場(chǎng)施工溫度影響的目的。

1 工程概況

某橋梁中心樁號(hào)為K1+284，起點(diǎn)樁號(hào)為K0+510.26，終點(diǎn)樁號(hào)為K2+054.24，橋梁全長(zhǎng)1 543.98 m。主橋上構(gòu)采用82 m+2×140 m+82 m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，主梁為單箱單室箱梁。箱梁采用掛籃懸臂澆筑，共3個(gè)“T”，全橋6套掛籃。箱梁節(jié)段劃分：中跨劃分為支架現(xiàn)澆段(0號(hào)段)和19個(gè)掛籃懸澆段(1號(hào)段～19號(hào)段)，邊跨劃分為2個(gè)支架現(xiàn)澆段(0號(hào)段及20號(hào)段)和19個(gè)掛籃懸澆段(1號(hào)段～19號(hào)段)。

箱梁頂橫坡為2%的人字坡，箱梁頂寬1 620 cm，底寬800 cm，懸臂寬435 cm，底板厚度20 cm，中跨跨中及邊跨梁端梁高380 cm，底板厚度32 cm，墩頂0號(hào)塊頂板厚100 cm，其他梁段頂板厚30 cm。箱梁某橫截面圖如圖1所示。

2 混凝土箱梁溫度效應(yīng)理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力

2.1 箱梁應(yīng)力實(shí)測(cè)—應(yīng)變測(cè)試儀器

實(shí)測(cè)采用長(zhǎng)沙億拓土木工程監(jiān)測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的YT-ZX-0200系列應(yīng)變測(cè)試儀器，該系列測(cè)試儀器可用于各種混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變測(cè)量，如各種混凝土樁、建筑、大壩、隧道及橋梁等的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

YT-ZX-0200系列的性能參數(shù)如表1所示。

表1 YT-ZX-0200系列埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)性能參數(shù)

2.2 箱梁截面溫度梯度應(yīng)力的選擇

應(yīng)變傳感器埋設(shè)時(shí)將應(yīng)變計(jì)按需測(cè)量方向輕綁在結(jié)構(gòu)鋼筋上(埋入式鋼梁應(yīng)變計(jì)固定在被測(cè)鋼梁上)，然后灌入混凝土。

埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)根據(jù)張力弦原理制造，使用頻率作為輸出信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，遠(yuǎn)距離輸送產(chǎn)生的誤差極?。徊⑶覂?nèi)置溫度傳感器，對(duì)外界溫度影響產(chǎn)生的變化進(jìn)行溫度修正；每個(gè)傳感器內(nèi)部有計(jì)算芯片，自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算而直接輸出物理量，減少人工換算的失誤和誤差；全部元器件進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試和老化篩選，尤其是高低溫應(yīng)力消除試驗(yàn)，增強(qiáng)弦的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

2.3 箱梁溫度梯度計(jì)算應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力—應(yīng)變的比較

研究對(duì)象主要為：0號(hào)塊、邊跨跨中及中跨跨中三個(gè)關(guān)鍵箱梁截面；通過(guò)測(cè)定三個(gè)關(guān)鍵截面在最不利溫度梯度條件下的實(shí)測(cè)應(yīng)力，并與三個(gè)關(guān)鍵截面的理論計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 不同箱梁截面在溫度梯度作用下產(chǎn)生的應(yīng)力值 N/mm2

由表2可知，三個(gè)關(guān)鍵截面的理論計(jì)算應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力的差異性較大，且差值高達(dá)1 MPa，通過(guò)對(duì)影響應(yīng)力因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)引起差值明顯的主要原因有：

1)通常一般截面的應(yīng)力分布都服從虎克定律，箱梁屬于薄壁結(jié)構(gòu)存在剪力滯效應(yīng)，然而在計(jì)算箱梁應(yīng)力值時(shí)并未充分考慮到該效應(yīng)，從而引起計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的誤差較大。

2)箱梁截面應(yīng)力值的理論計(jì)算是以0 ℃為基礎(chǔ)進(jìn)行的，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)的基礎(chǔ)溫度不為0 ℃，盡管以溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)整體溫度進(jìn)行了修正，但實(shí)際上仍然存在一定誤差。

3)箱梁截面應(yīng)力值的理論計(jì)算時(shí)，認(rèn)為構(gòu)成箱梁混凝土結(jié)構(gòu)的材料是均勻的，其彈性模量為常數(shù)，而實(shí)際上構(gòu)成箱梁混凝土結(jié)構(gòu)材料并非均勻，彈性模量具有很大的離散性。

3 溫度變化對(duì)施工監(jiān)控影響及修正分析

3.1 溫度對(duì)施工監(jiān)控影響危害

溫度環(huán)境變化對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力分布有一定影響，本項(xiàng)目采用懸臂施工，溫度影響懸臂施工點(diǎn)如下：

1)主梁標(biāo)高。

如在掛籃施工澆筑混凝土過(guò)程中，先對(duì)掛籃標(biāo)高放樣，綁扎鋼筋，9 h后再進(jìn)行混凝土澆筑，顯然在初測(cè)掛籃標(biāo)高與9 h后澆筑混凝土?xí)r掛籃標(biāo)高存在差異性，這種差異性由溫度造成，因此需要進(jìn)行溫度影響調(diào)整來(lái)減少溫度變化對(duì)主梁線形影響。

2)撓度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度、可靠性。

溫度變化導(dǎo)致主梁撓度增大，產(chǎn)生理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值的差異。

3)合龍。

溫度影響箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力，因此一般選擇深夜或者凌晨溫度較低時(shí)間段進(jìn)行合龍，從而減少溫度影響對(duì)合龍段混凝土質(zhì)量影響。

4)應(yīng)力監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

溫度影響導(dǎo)致實(shí)測(cè)值與計(jì)算值不吻合，不利于應(yīng)力分析。

3.2 消除溫度影響的方法

1)固定實(shí)測(cè)法。

本項(xiàng)目中為了克服溫度對(duì)長(zhǎng)懸臂箱梁標(biāo)高和撓度監(jiān)測(cè)影響，對(duì)掛籃立模標(biāo)高采用固定時(shí)間進(jìn)行放樣、撓度監(jiān)測(cè)。在清晨5:00～7:00，進(jìn)行掛籃立模標(biāo)高的放樣和箱梁撓度變形監(jiān)測(cè)時(shí)，此時(shí)間段溫度變化最小，溫度的影響最小，可忽略不計(jì)。

2)相對(duì)標(biāo)高法。

本項(xiàng)目中也采用相對(duì)標(biāo)高法進(jìn)行掛籃立模標(biāo)高的放樣，具體過(guò)程如下[5]：

設(shè)前后兩節(jié)箱梁的梁底監(jiān)控計(jì)算標(biāo)高分別為H1和H2，這兩節(jié)箱梁梁底的監(jiān)控計(jì)算高差為Δh12。則有：

Δh12=H1-H2

(1)

若前一節(jié)箱梁是按監(jiān)控計(jì)算的立模標(biāo)高進(jìn)行放樣和施工，在某一時(shí)刻，欲放后一節(jié)箱梁的立模標(biāo)高，設(shè)此時(shí)溫度對(duì)前一塊和后一塊箱梁的標(biāo)高影響量分別為ΔH1和ΔH2，而且此時(shí)實(shí)測(cè)的前一塊箱梁的梁底標(biāo)高為H11，則H11中含有此時(shí)溫度對(duì)這一塊箱梁標(biāo)高的影響量ΔH1，即有:

H11=H1+ΔH1

(2)

后一節(jié)箱梁的梁底放樣標(biāo)高H22，則有：

H22=H1+Δh12-ΔH3

(3)

把式(1)和式(2)代入式(3)中，則有:

H22=H1+ΔH1+H2-H1-ΔH2=H2+ΔH1-ΔH2

(4)

若有：

ΔH1=ΔH2

(5)

則由式(4)可得：H22=H2，顯然此時(shí)的H22已經(jīng)不含溫度對(duì)后一節(jié)箱梁標(biāo)高的ΔH2。

本項(xiàng)目懸臂法施工中，不同箱梁段長(zhǎng)度在5 m以下，可認(rèn)為同一時(shí)刻下，ΔH1≈ΔH2,誤差在2 mm左右，相對(duì)于掛籃立模標(biāo)高，2 mm誤差可忽略不計(jì)。

由以上分析可知，進(jìn)行前塊箱梁施工放樣后，后一節(jié)箱梁立模標(biāo)高可根據(jù)前一塊箱梁梁底標(biāo)高H11及Δh12按照式(3)計(jì)算得到，顯然這個(gè)過(guò)程已經(jīng)消除了溫度變化對(duì)懸臂箱梁的影響，該過(guò)程即為相對(duì)標(biāo)高法。

3)施工監(jiān)控中的溫度應(yīng)力修正。

橋梁監(jiān)控中需要對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度修正。本項(xiàng)目中測(cè)得的混凝土溫度變化及應(yīng)力變化分析見(jiàn)圖2，圖3。

混凝土的實(shí)際溫度值難以在施工過(guò)程中檢測(cè)準(zhǔn)確，而一般采用修正后的環(huán)境溫度作為混凝土內(nèi)溫度。本文運(yùn)用應(yīng)變?cè)M(jìn)行混凝土溫度的修正，應(yīng)變?cè)軌驅(qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度及應(yīng)變的測(cè)量，修正后的值也較為準(zhǔn)確。尤其是溫度與應(yīng)力存在一定的函數(shù)關(guān)系，應(yīng)變?cè)?shù)據(jù)可以充分挖掘這層函數(shù)關(guān)系，因而方便進(jìn)行溫度應(yīng)力修正分析。

監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，元件所處位置的混凝土溫度每升高1 ℃，混凝土壓應(yīng)力就大約增加0.33 MPa，如表3所示，通過(guò)元件的溫度變化量除以3，得到的數(shù)值與應(yīng)力變化的絕對(duì)值之差較小。又取元件處的單位長(zhǎng)度混凝土，溫度升高1 ℃時(shí)，應(yīng)變?yōu)?×10-5，彈性模量為3.6×104MPa，應(yīng)力為0.36 MPa，與元件溫度和應(yīng)力關(guān)系相符?？梢?jiàn)，通過(guò)對(duì)應(yīng)變?cè)膽?yīng)變與溫度數(shù)值關(guān)系進(jìn)行分析，可得到變化溫度與應(yīng)變的關(guān)系式，即：

σ=ΔT×a

(6)

其中，σ為應(yīng)力；ΔT為變化溫度絕對(duì)值；a為系數(shù)，這里取0.33。

以上獲得了實(shí)測(cè)溫度與應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，為驗(yàn)證函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確性，這里對(duì)2號(hào)墩3號(hào)塊預(yù)應(yīng)力張拉完后的溫度應(yīng)力進(jìn)行修正，見(jiàn)表3。

表3 2號(hào)墩3號(hào)塊混凝土應(yīng)力修正實(shí)例

可見(jiàn)，修正后的應(yīng)力誤差比修正前明顯變小，與理論值更加接近，顯然采用這種方法進(jìn)行應(yīng)力修正是合適的。

4 結(jié)語(yǔ)

1)三個(gè)關(guān)鍵截面的理論計(jì)算應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力的差異性較大，差值最高達(dá)1 MPa，因此不能忽略溫度應(yīng)力影響；

2)運(yùn)用應(yīng)變?cè)M(jìn)行混凝土溫度的修正，找出了溫度與應(yīng)力存在的函數(shù)關(guān)系，即混凝土溫度每升高1 ℃，混凝土壓應(yīng)力就大約增加0.33 MPa，現(xiàn)場(chǎng)修正實(shí)例表明：溫度影響修正前溫度應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值存在較大差異，修正后的應(yīng)力誤差比修正前明顯變小，與理論值更加接近，從而表明基于溫度增加與應(yīng)力增加關(guān)系進(jìn)行應(yīng)力修正是合適的。