多跨矮塔斜拉橋懸澆施工中應(yīng)力監(jiān)測研究

胡世翔，馬文剛

（南京工程學(xué)院，江蘇南京 211167）

0 引言

矮塔斜拉橋施工中受力復(fù)雜，尤其是懸臂現(xiàn)澆施工，結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨施工過程不斷變化，需要對結(jié)構(gòu)施工應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，通過對比采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)理論分析結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)受力是否和理論分析一致，并監(jiān)測應(yīng)力是否超出材料限制［1］。應(yīng)力監(jiān)測可以很好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)在施工中的應(yīng)力變化，預(yù)警施工安全［2］。

實(shí)際應(yīng)力監(jiān)測中通過傳感器采集數(shù)據(jù)，施工前需要根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和施工方案，確定布置傳感器的位置和數(shù)量以及導(dǎo)線的走向方案，施工過程中在相應(yīng)截面布置對應(yīng)位置的傳感器。一般埋設(shè)的傳感器為振弦式傳感器，直接測得數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)應(yīng)變，需要結(jié)合理論計算排除掉非受力應(yīng)變的影響，最終得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控［3-4］。

本文結(jié)合某四塔五跨矮塔斜拉橋?yàn)槔?，分析了?yīng)力監(jiān)測原理、實(shí)測應(yīng)變中非受力應(yīng)變處理方法、應(yīng)力測試誤差來源分析，可為類似工程施工監(jiān)控提供借鑒。

1 橋梁施工中應(yīng)力測試原理

振弦式應(yīng)變傳感器是目前施工應(yīng)力監(jiān)測中最常用的傳感器，其基本是一定長度的鋼弦放置在鋼圓筒內(nèi)，鋼弦兩端固定于圓筒內(nèi)，并處于一定的張拉力中。配套的檢測設(shè)備連接傳感器后，機(jī)器可以識讀鋼弦的頻率，而鋼弦的頻率與長度有關(guān)，從而由鋼弦頻率變化可以計算其長度變化，最后得到應(yīng)變變化數(shù)值。振弦式應(yīng)變傳感器有多種類型，考慮到施工環(huán)境和耐久性，鋼筒需要密封并保證一定強(qiáng)度。混凝土中需要采用埋置式傳感器，施工中牢固固定在鋼筋上，并做好澆筑振搗過程中的保護(hù)，永久置于混凝土中。

振弦式應(yīng)變傳感器直接測試數(shù)據(jù)為應(yīng)變，需要根據(jù)混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計算實(shí)際應(yīng)力，一維狀態(tài)下混凝土應(yīng)力可按公式σe=E?εe計算，式中：σe表示混凝土應(yīng)力；E為彈性模量；εe表示彈性應(yīng)變。但需要注意的是，直接采集到的應(yīng)變并非彈性應(yīng)變，而是結(jié)構(gòu)總的應(yīng)變，不僅包含受力產(chǎn)生的應(yīng)變，還包含很多其他因素影響，例如溫度變化導(dǎo)致的伸縮變形，混凝土收縮產(chǎn)生的收縮應(yīng)變，混凝土受力后的徐變變形，結(jié)構(gòu)截面存在溫度梯度時，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。因此在計算結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)力時，需要在實(shí)測應(yīng)變中排除上述因素的影響。

2 橋梁施工中應(yīng)力測試誤差來源分析

施工監(jiān)控中，混凝土應(yīng)力實(shí)測值和理論值存在一定差異，這一差異的影響因素較多［5］，包括計算模型中材料參數(shù)和實(shí)際結(jié)構(gòu)不一致的原因、施工環(huán)境影響、傳感器安裝影響以及環(huán)境因素導(dǎo)致的非受力應(yīng)變等。這些因素和解決方法具體如下。

2.1 傳感器的安裝和保護(hù)

傳感器埋設(shè)不僅要位置正確、方向正確，且扎絲等固定方式應(yīng)符合要求，需要一定技巧和經(jīng)驗(yàn)以使傳感器安裝牢固、位置正確，注意導(dǎo)線的走向和固定。由于傳感器是在混凝土澆筑前埋設(shè)，因此需要注意施工中的保護(hù)。

2.2 材料參數(shù)修正

理論計算模型一般會采用規(guī)范數(shù)值［6］，該數(shù)值和現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)材料存在一定差異，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行一定模型修正。

2.3 日照和環(huán)境溫度的影響

溫度對應(yīng)力測試影響包括環(huán)境溫度和日照產(chǎn)生的溫度梯度兩部分，環(huán)境溫度變化使結(jié)構(gòu)整體升溫或者降溫，可以根據(jù)埋設(shè)的溫度傳感器來計算修正。為防止日照導(dǎo)致結(jié)構(gòu)截面上的溫度不均勻從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，且截面不均勻溫度場精確計算較為復(fù)雜，因此要注意選取合理的應(yīng)力采集時間點(diǎn)，如日出前，以避免影響。

2.4 混凝土收縮、徐變影響

收縮、徐變是混凝土材料的固有屬性，需根據(jù)材料參數(shù)和受力情況，通過理論計算排除影響。

2.5 傳感器數(shù)據(jù)采集影響

應(yīng)變傳感器采集過程也會影響最終實(shí)測結(jié)果，需要結(jié)合施工過程的開展，準(zhǔn)確采集初始值和各階段數(shù)據(jù)，尤其是初始值的采集會影響后續(xù)各階段的結(jié)果。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)改變時，例如張拉預(yù)應(yīng)力筋或者澆筑混凝土，應(yīng)變的采集需要考慮應(yīng)變滯后的特點(diǎn)，應(yīng)在受力狀態(tài)改變后一定時間后采集，并觀察數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

2.6 數(shù)據(jù)采集截面特點(diǎn)的影響

截面形式和截面配筋影響?；炷两孛嬷袝渲孟鄳?yīng)的受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋，這些鋼筋會影響混凝土局部應(yīng)力分布，一般的混凝土應(yīng)力計算過程中采用梁截面假設(shè)，并未對混凝土局部應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，對于配筋復(fù)雜、受力較大部分可以采用實(shí)體有限元進(jìn)行精細(xì)化分析，從而精細(xì)分析混凝土的實(shí)際應(yīng)力分布。

3 案例工程施工現(xiàn)場應(yīng)力實(shí)測及分析

3.1 工程背景

某工程為矮塔斜拉橋，共5 跨，中間3 跨跨徑150 m，兩側(cè)邊跨95 m，采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，根部梁高5.5 m，跨中3.0 m。

3.2 監(jiān)測截面及測點(diǎn)布置

根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)型式、施工程序和受力特點(diǎn)，全橋選擇了9個應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測截面，監(jiān)測截面位置及測點(diǎn)布置分別如圖1和圖2所示。

3.3 實(shí)測應(yīng)力結(jié)果及分析

如前文所述，在各截面埋設(shè)傳感器并按工況采集應(yīng)變?，F(xiàn)以10 號墩主梁根部截面（見圖1 中的截面A、B，各布置14個鋼弦式應(yīng)變傳感器）為例，分析應(yīng)變測試方法和結(jié)果。

3.3.1 混凝土收縮、徐變影響修正

混凝土徐變影響是應(yīng)力監(jiān)測必須考慮的重要因素，徐變產(chǎn)生的應(yīng)變大小和受力有關(guān)，由于橋梁施工過程中混凝土的應(yīng)力小于材料應(yīng)力強(qiáng)度的一半，根據(jù)線性徐變假設(shè)，徐變應(yīng)變和混凝土中荷載持續(xù)時間成線性正比關(guān)系，可采用徐變系數(shù)表示二者關(guān)系，見公式（1），其中徐變應(yīng)變εc計算見公式（2）。

混凝土徐變系數(shù)φ和收縮量根據(jù)規(guī)范（JTG 3362—2018）的建議公式確定?；炷恋氖湛s應(yīng)變可按公式（3）和（4）計算：

圖1 全橋應(yīng)力監(jiān)測截面布置

圖2 A、B截面應(yīng)力監(jiān)測截面測點(diǎn)布置

式中：εcs(t,ts)表示收縮開始時齡期為ts，計算時齡期為t的收縮應(yīng)變；εcso為名義收縮系數(shù)；βs為收縮時間發(fā)展函數(shù)。

混凝土徐變系數(shù)可按公式（5）和（6）計算：

式中：φ(t,t0)表示加載齡期為t0，計算時齡期為t時的混凝土徐變系數(shù)；φ0為名義徐變系數(shù)；βc為徐變時間發(fā)展函數(shù)。

3.3.2 溫度影響修正

由于混凝土的線膨脹系數(shù)與應(yīng)變計中的鋼弦不一致，因而溫度變化可引起應(yīng)變變化，需消除其影響。其修正應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：ε0為測量應(yīng)變；T、T0分別為測量溫度、初始讀數(shù)溫度；α0為鋼弦的線膨脹系數(shù)，取為1.22×10-5/℃；αc為混凝土的線膨脹系數(shù)，取為1.0×10-5/℃。

3.4 應(yīng)力測試結(jié)果及分析

根據(jù)采集的實(shí)測應(yīng)力結(jié)果，采用前述排除非受力應(yīng)變的方法，經(jīng)過計算得到截面A和B的混凝土應(yīng)力分布情況如表1所示，表中數(shù)據(jù)以拉應(yīng)力為正。

如圖3—4 所示，表示了施工應(yīng)力和施工過程的關(guān)系，應(yīng)力分別為施工過程對應(yīng)截面應(yīng)力理論值和實(shí)測值，實(shí)測值為已經(jīng)修正各影響因素后的結(jié)構(gòu)實(shí)際受力，圖中應(yīng)力結(jié)果以拉應(yīng)力為正。

由圖3—4可知，本案例工程中實(shí)測應(yīng)力和理論計算結(jié)果總體吻合良好，兩者差異在1.7 MPa以下，而且實(shí)測、理論應(yīng)力隨施工過程的進(jìn)展變化趨勢一致，案例工程為懸臂施工澆筑，主梁應(yīng)力最大發(fā)生在根部截面，壓應(yīng)力實(shí)測最大值小于材料的允許限值，數(shù)值為7.1 MPa。

4 結(jié)語

本文在總結(jié)分析大跨橋梁結(jié)構(gòu)懸臂澆筑施工中應(yīng)力監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了常用應(yīng)力傳感器測試原理和現(xiàn)場實(shí)測應(yīng)力影響因素，并給出各應(yīng)力測試影響因素的分析和排除方法。

在此基礎(chǔ)上，以某實(shí)際工程為例，驗(yàn)證了本文所提應(yīng)力采集和分析方法，實(shí)測、理論應(yīng)力對比結(jié)果可知，實(shí)測應(yīng)力和理論計算結(jié)果總體吻合良好，且實(shí)測、理論應(yīng)力隨施工過程的進(jìn)展變化趨勢一致，施工中結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于材料限值。論文方法可以為類似工程施工監(jiān)控提供借鑒。

表1 截面A、B應(yīng)力實(shí)測值

圖3 10#墩主梁根部上緣應(yīng)力隨施工過程變化

圖4 10#墩主梁根部下緣應(yīng)力隨施工過程變化