大跨度橋梁懸臂澆筑狀態下應力測試分析與預測

胡惜亮

(天津市交通科學研究院,天津 100100)

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大跨度橋梁懸臂澆筑狀態下應力測試分析與預測

胡惜亮

(天津市交通科學研究院,天津 100100)

摘要:在大跨度懸臂澆筑橋梁施工監控中,為了剔除由收縮徐變引起的非應力應變,獲取準確的張拉后應力應變數據,結合有限元軟件MIDAS/Civil的計算結果,從關聯度的角度出發,運用比例因子方法,計算出橋梁懸臂施工各階段的非應力應變,預測橋梁對應階段張拉后的應力應變,并通過工程實例對該方法進行了驗證。結果表明通過該方法雖然很難獲取非應力應變的精確值,但其精度可滿足工程需要,預測結果與實測結果整體吻合較好,在類似橋梁施工監控中具有一定的實用價值。

關鍵詞:橋梁;懸臂澆筑;應力測試;關聯度;收縮徐變

由于大跨度懸臂澆筑橋梁施工過程相當復雜,如不加以控制,各種偏差可能危及結構安全與質量。施工控制過程中通常通過應力監測來了解結構的真實應力狀態,如真實應力狀態與理論計算應力狀態的差值超限,則需及時查找原因,并采取相應措施將其控制在允許誤差范圍內,避免應力偏差累積導致結構出現安全問題。然而,施工過程中如何采集結構應力狀態的真實數據這一問題一直沒有得到很好的解決,其主要原因在于砼具有收縮徐變特性,而應力測試是通過應變測試來實現的,應變儀中記錄的應變由會產生應力的應力應變和不會產生應力的非應力應變兩部分組成,如何將非應力應變從總應變中剔除,成為應力測試中的難點。

雖然國內外學者對砼的收縮徐變進行了大量研究,但到目前為止除余錢華教授編制的BRanalysis程序定量考慮了截面的非應力應變外,沒有一種通用軟件能將非應力應變計算出來。該文依據工程經驗,從關聯度角度出發,運用比例因子方法,算出結構各階段截面的非應力應變,以此推算結構懸臂施工各階段張拉后的截面應力應變。

1 關聯度

關聯度用于表征兩個事物之間存在著的某種關聯程度,在數學上是指兩函數相似的程度。關聯分析屬于幾何處理的范疇,關聯度用關聯系數來表示,用曲線間的差值大小作為衡量關聯度的尺度。作為一種數學理論,關聯度是將無限收斂用有限收斂取代、將無限空間問題用有限數列問題取代、將連續的概念用離散的數據列取代的一種方法。

從理論上講,橋梁實測應力與理論應力之間存在著某種關聯。為了對橋梁后續施工階段應力水平進行超前控制,引用關聯度這個概念,運用比例因子方法,推算橋梁的非應力應變,進而預測橋梁各階段的應力水平。

2 收縮徐變中非應力應變分析

在任意時間內,由于某種原因會產生初應變,由于內部約束或結構邊界約束的影響,初應變中的一部分會被約束而在結構中產生應力,這部分產生應力的應變稱為應力應變;還有一部分是自由的,不會在結構中產生應力,屬于非應力應變。

在懸臂澆筑橋梁施工監控中,實測應變數據分析一直是個難點,主要源于通常采集的應力數據中既包括應力應變,又包括非應力應變,而非應力應變主要是由砼的收縮徐變所引起。在不剔除非應力應變的情況下,直接將儀器測試結果乘以材料的彈性模量,這種做法是不對的。為了將非應力應變剝離開,引入關聯度概念,認為收縮徐變中的應力應變和非應力應變兩個事物之間存在著某種線性關聯(如圖1所示),比例因子為k,結合工程實例,采用比例因子法推算出結構各階段的非應力應變,然后綜合理論應變、非應力應變預測現場實測應變。基本公式如下:

式中:ε非為收縮徐變產生的非應力應變;ε實1為第1#塊件張拉后實測應變值;ε計1為第1#塊件張拉后計算應變值(不含收縮徐變影響);ε應1為第1#塊件張拉后收縮徐變產生的應力應變值;ε實為張拉后實測應變值;ε計為張拉后計算應變值(不含收縮徐變影響);ε應為收縮徐變產生的應力應變值。

圖1 應力應變與非應力應變關聯示意圖

3 現場實測應變的溫度修正

在大跨度橋梁監控中,結構應力變化受眾多因素影響,其中溫度參數影響較大。因此,現場應力數據采集時應盡量減少溫度對實測應力的干擾,并對溫度干擾下的測試結果進行修正。設結構體線膨脹系數為F,測量應變為ε,測量溫度為T,初讀數時溫度為T0,則溫度修正后應變為:

式中:F為一般情況下鋼筋砼的線膨脹系數,F=10 με/℃;F0為鋼弦的線膨脹系數,F0=12.2με/℃。

4 工程實踐應用

4.1 工程背景

浦陽江一橋全橋長1 238 m,跨徑組合為19× 25 m +(70+116+70)m +18×25 m,主橋全長256 m。上部采用(70+116+70)m變截面預應力砼箱梁,下部結構采用實體墩、鉆孔灌注樁基礎接承臺。主橋橋面寬46.5 m,分左右兩幅,每幅橋主梁為單箱雙室、變高度、變截面結構。直腹板、箱梁頂寬22.25 m,箱梁底板寬度14.25 m,兩翼懸臂長4 m。箱梁根部斷面梁高7 m,跨中和邊跨現澆段梁高2.9 m,箱梁梁高及底板尺寸均以1.8次拋物線變化。主橋立面見圖2。

圖2 浦陽江一橋主橋立面示意圖(單位:m)

4.2 有限元模型建立

采用空間有限元軟件MIDAS/Civil建模計算各階段的理論應力值,對已成結構實際狀態與仿真計算理想狀態之間的誤差進行分析。依據設計文件,全橋共劃分78個單元,橋梁三維立體有限元模型見圖3。將每個階段劃分為砼澆注(含掛籃移動)和預應力張拉2種工況,懸臂澆筑階段共劃分28種工況。主要計算參數為:主橋預應力箱梁采用C55;預應力鋼絞線標準強度fpk=1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa;荷載標準為公路-Ⅰ級。

4.3 實測應變處理及應變分析

以浦陽江一橋22#墩1#截面為例進行分析。應變測試采用埋入式應變計,其布置見圖4。

在懸臂澆筑施工階段,從砼澆筑后到張拉后每隔2 h對其頂板、底板應變進行測試,獲取該橋結構應變受溫度影響的變化規律,為后續階段施工的應變測試時間確定提供參考。圖5為試驗時間段內砼測點溫度變化情況,圖6為頂板2#點應變分布,圖7為底板5#點應變分布。

圖3 橋梁有限元模型

圖4 應變計位置示意圖

圖5 箱梁1#截面2#、5#測點溫度變化

圖6 頂板2#測點應變分布

圖7 底板5#測點應變分布

由圖5～7可以得出:1)測試時間段內,砼應變變化與砼溫度變化具有相同的趨勢,且在同一溫度下砼應變基本一致,說明在測試預應力張拉結果數據時,并不是將測量開始時間和結束時間縮短得越短越好,而是應盡量保證在張拉前后測試溫度一致。2)如果張拉前后沒法做到測試溫度一致,可根據式(3)對溫度進行修正,將日照溫差對砼應變的影響降到最小。3)隨著溫度的變化,頂、底板應力變化趨勢基本一致,且在溫度升高時間段里,頂、底板任意2 h時間段的應力變化表現為壓應力,這是由于溫度升高,砼膨脹,抵消了由收縮徐變引起的預應力損失那部分應力。

4.4 非應力應變計算

依據浦陽江一橋有限元計算結果,1#塊張拉后頂板理論應力為-1.7 MPa,底板理論應力為-0.4 MPa,各塊件頂、底板理論應力值見表1。

表1 22#墩理論應力增量　MPa

現場實測應變經過式(3)溫度修正后,頂板應力為-2.1 MPa,底板應力為-0.1 MPa,各塊件頂、底板實測應力見表2。

表2 22#墩推算應力增量　MPa

運用式(1)計算k頂、k底,再結合式(2)計算砼的非應力應變,計算結果見表3。

表3 22#墩非應力應變增量　MPa

最后根據理論應力推算出結構懸臂施工各階段張拉后的截面應力,推算各階段張拉后的截面應力與實測應力,結果見表4。

表4 22#墩實測應力增量　MPa

由表1～4可見:在應力監控過程中,推算出的截面應力與實測應力較為接近,但整體較理論應力偏大,其主要原因是實測和推算的應力含有砼收縮徐變等非應力應變,只有將表3中的非應力應變剔除,再按照彈性關系求得的應力才是理論應力。對比表2和表4,實測應力和推算應力存在偏差,這主要是由于應力水平較低,傳感器精度水平不夠,如該工程預應力箱梁砼等級為C55,1×10-6的應變對應的應力是0.345 MPa,所以在應力水平較低時,測試精度誤差會對數據產生較大干擾,但這種干擾會隨著應力水平的提高不斷減小,數據的可辨性也會隨之提高。這種算法的精度已能滿足實際工程需要。

5 結語

在現場應力數據采集過程中,該文采取一些改進措施排除日照溫差對結構應力的影響,對其他橋梁現場數據采集具有一定的借鑒作用。

在連續梁施工監控中,砼實測應變中既包含外荷載、收縮徐變產的應力應變,也包括收縮徐變產生的非應力應變,而計算的理論應力(應變)沒有包含非應力應變,只有將這部分添加后,得出的應力才與現場采集應力數據相符。

由于非應力應變的存在,理論應力與實測應力之間存在偏差。該文從關聯度角度出發,利用比例因子方法預測橋梁應力,在滿足工程精度的前提下,很好地解決了這一問題,具有一定實用價值,可為以后類似橋梁監控提供借鑒。但運用該方法,首先要能準確算出比例因子k,并確保用于計算比例因子k的試驗塊件的實測應力數據的高精度,這樣才能保證后面各塊件預測應力的準確性。

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收稿日期:2015-12-08

中圖分類號:U446.1

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0191-04