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有限公司)

1 引言

橋梁嚴格的施工控制對于橋梁的安全建設有著至關重要的作用。施工過程中，我們很難做到在每個環節都得到橋梁的應力應變信息，但是我們可以采取先進的監測手段，去獲取關鍵部位的結構信息，這對于掌握施工的信息起著很重要的作用，如果監測的數值同預計的應力應變數據有較大的出入，我們就應該立即停工，分析原因，避免安全事故的出現。監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了出來。本文對橋梁施工中溫度應力、收縮徐變等控制因素進行了分析，希望能總結一些經驗，為今后的橋梁施工控制提供一些有益的建議。

2 溫度應力

溫度應力是由于溫度因素的變動導致結構或構件出現伸縮現象，當伸縮受到邊界條件的限制時，結構或構件內部便產生相應的應力，通常可以分為兩種，一種叫做溫度自約束應力，它是指構件某單元組織因為溫度不同，纖維間的作用力會存在差異，從而表現出了相互的作用力;另一種叫做溫度次約束應力，指的是因為構件內部組織因為溫度不同，表現出的變形位移不同，外界對不同部件產生的約束能力也不同，溫度應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域內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，對于混凝土結構而言，因為其導熱系數較小，在外界溫度急劇變化時，其內部溫度反應不靈敏，導致深度不同，結構的溫度也有差異，這就是典型的非線性溫度分布狀態。

2.1 溫度載荷

隨環境影響，混凝土結構的表面和內部各處的溫度都不會是一個不變的溫度，通常混凝土結構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速的大小，這兩種載荷對混凝土結構會有較大的影響，以此，橋梁在設計的過程中一定要在設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系，天氣變化有著很強的預見性，也有很多的數據可以用來分析，根據統計規律表明溫度載荷是一個以時間為變量的函數。雖然在數學上我們能夠定性分析出這個函數的大致分布，但是要想嚴格的解出這個函數還是非常困難的。因此，很多情況下，我們所進行的只是工程結構的溫度載荷定性分析，就是根據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方程來進行近似求解。

熱傳導方程的實質是以函數的形式表達構件的表面與內部某一點的溫度，其函數表達式可為

這表示Ti的大小不僅與構建表面或者內部某一點的三維空間位置有關，與時間也有一定的聯系。橋梁構件的鋼筋混凝土材料，可以等效為各向同性、均質的離線材質，根據傅立葉熱傳導理論可以得到其三維的非穩定熱的導熱方程表達式

其中:λc為混凝土導熱系數;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放出的熱量。

需要注意的是當不考慮混凝土的水化熱效應時q為0，則式2可表示為

混凝土結構的熱傳導情況，我們可以利用一維的熱傳導公式來近似模擬，根據大量的工程數據，我們可以發現，這種近似的模擬可以將復雜的問題簡單化，而且誤差的程度也是可以接受的。比如，在剛開始運營的混凝土橋梁結構，我們認為橋長方向的溫度分布狀態是相同的，因為太陽光的照射，橋梁的斷截面上熱傳導是一個垂直分布的狀態，垂直方向的熱傳導速度要大于水平方向的速度，因此，實際情況中，我們可以認為水平方向的熱傳導作用為零。

3 混凝土結構的徐變收縮分析

混凝土徐變是指混凝土在長期應力作用下，其應變隨時間而持續增長的特性(注意彈性變形應變不會隨時間而持續增長)，在長期荷載作用下，結構或材料承受的應力不變，而應變隨時間增長的現象稱為徐變。收縮變形指的是混凝土結構長期處于零荷載的狀態，會發生緩慢的收縮。徐變、收縮變形往往是同時進行的，混凝的應變是溫度應變、收縮應變、徐變應變三者共同作用的結果，在實際分析中，由溫度引起的溫度應變應該單獨的考慮。根據國際預應力協會樣板規范的規定，承受單軸向、不變應力為σc(τ)的混凝土構件在某一時刻t時的總應變可用ε(t)來進行表示

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

混凝土發生收縮現象是混凝土終凝之后混凝土中的水分揮發，在其它非應力作用下(物理化學反應)出現了體積縮小。與收縮相對應的是當混凝土凝固因含水量的增加也會導致其體積出現增大。混凝土的收縮應變函數表達式通常為εs(t，τ)。混凝土收縮應變終值的預計，一般與環境條件、構件尺寸及混凝土成分都有著很大的關系。

3.1 混凝土發生收縮變形的原因

(1)自發收縮:自發收縮的主要原因是混凝土結構內部的水化反應，水化反應會消耗掉水泥，而化學反應所產生的水化物體積要小于所耗水泥的體積，表現的結果就是混凝土結構的收縮變形。

(2)干燥收縮。受外部環境的影響，混凝土內部的水分會逐漸的減少，整體結構就會表現出收縮的現象，這是混凝土發生收縮變形的最主要一個原因。

(3)碳化收縮。混凝土結構中的水泥化合物會與空氣中的二氧化碳發生化學反應，從而導致混凝土體積的逐漸減小。

3.2 混凝土徐變現象發生的原因

混凝土徐變現象發生的原因機理，目前世界上并沒有一個統一的答案，最為權威的，也是最被認可的一個答案是美國混凝土協會在上世紀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，毛細孔中水的遷移，這緩解了部分內部應力，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，從而導致土質緊縮。

(4)局部的微小裂痕出現后，混凝土會逐漸的同新材料發生結晶，從而產生結構的位移變形。

3.3 導致混凝土徐變和收縮的因素

根據混凝土結構發生徐變、收縮的原因機理，我們可以用圖1來簡要概括出可能導致混凝土結構發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，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構的荷載條件有關系，在進行混凝土徐變試驗中，我們施加的單軸向壓力應該低于混凝土強度的45%，根據試驗的結果，我們可以得到下面的結論:當壓應力不超過材料強度一半的時候，應力同應變之間有著很好的線性關系，否則，線性關系將不復存在。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

大跨徑橋梁工程中溫度應力及混凝土收縮徐變的具體參數是一個瞬變的隨機量，該變量與橋梁工程施工環境、坐標位置、材料組成、外界干擾等都有著緊密聯系，盡管該參數難以控制，但是該參數對分析橋梁結構的變形及內力分布具有重要作用。所以在進行大跨徑橋梁施工控制時應深刻認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的安全性保障，通過對橋梁建設的內力及應變進行預估，并實時應用相關儀器提取數據和預估信息進行對比，進而完成橋梁建設進展狀況的追蹤與監測。

[1]交通部標準.公路橋涵設計規范[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.溫度應力引起的預應力混凝土箱梁開裂分析[J］.西安公路交通大學學報，1999，(2):16-19.