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械化養(yǎng)護中心,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，各部位受太陽輻射不同使得箱型梁橋受太陽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，這個溫度差值則會引起溫度應(yīng)力，一旦溫度差值過大，引起的溫度應(yīng)力超過混凝土極限拉應(yīng)力時則容易產(chǎn)生溫度裂縫。混凝土箱梁施工過程中的溫度場變化產(chǎn)生的影響力往往超過了混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差影響，因此在進行混凝土箱梁施工參數(shù)識別中有必要充分考慮溫度影響的程度，并結(jié)合現(xiàn)場施工進行溫度影響的消除處理。一般通過進行溫度影響的理論分析及現(xiàn)場試驗控制來消除溫度影響，這也成為了混凝土箱梁橋施工過程溫度影響控制研究的熱點之一[1,2]。顏東煌等基于某斜拉橋施工溫度控制實例進行了消除溫度影響的理論創(chuàng)新，提出了基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析橋梁溫度場的分段多項式函數(shù)法及控制消除溫度影響的方法，運用結(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)實理論基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行施工工況下的溫度影響分析及修正，達到較好消除現(xiàn)場施工溫度影響的目的。

1 工程概況

某橋梁中心樁號為K1+284，起點樁號為K0+510.26，終點樁號為K2+054.24，橋梁全長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“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號段)和19個掛籃懸澆段(1號段～19號段)，邊跨劃分為2個支架現(xiàn)澆段(0號段及20號段)和19個掛籃懸澆段(1號段～19號段)。

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)理論計算與現(xiàn)場實測應(yīng)力

2.1 箱梁應(yīng)力實測—應(yīng)變測試儀器

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

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)時將應(yīng)變計按需測量方向輕綁在結(jié)構(gòu)鋼筋上(埋入式鋼梁應(yīng)變計固定在被測鋼梁上)，然后灌入混凝土。

埋入式混凝土應(yīng)變計根據(jù)張力弦原理制造，使用頻率作為輸出信號，抗干擾能力強，遠距離輸送產(chǎn)生的誤差極小；并且內(nèi)置溫度傳感器，對外界溫度影響產(chǎn)生的變化進行溫度修正；每個傳感器內(nèi)部有計算芯片，自動對測量數(shù)據(jù)進行換算而直接輸出物理量，減少人工換算的失誤和誤差；全部元器件進行嚴格測試和老化篩選，尤其是高低溫應(yīng)力消除試驗，增強弦的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

2.3 箱梁溫度梯度計算應(yīng)力與實測應(yīng)力—應(yīng)變的比較

研究對象主要為：0號塊、邊跨跨中及中跨跨中三個關(guān)鍵箱梁截面；通過測定三個關(guān)鍵截面在最不利溫度梯度條件下的實測應(yīng)力，并與三個關(guān)鍵截面的理論計算應(yīng)力進行對比分析。

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，三個關(guān)鍵截面的理論計算應(yīng)力與實測應(yīng)力的差異性較大，且差值高達1 MPa，通過對影響應(yīng)力因素進行分析，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)，然而在計算箱梁應(yīng)力值時并未充分考慮到該效應(yīng)，從而引起計算值和實測值的誤差較大。

2)箱梁截面應(yīng)力值的理論計算是以0 ℃為基礎(chǔ)進行的，而現(xiàn)場實測時的基礎(chǔ)溫度不為0 ℃，盡管以溫度補償?shù)姆绞綄φw溫度進行了修正，但實際上仍然存在一定誤差。

3)箱梁截面應(yīng)力值的理論計算時，認為構(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 溫度變化對施工監(jiān)控影響及修正分析

3.1 溫度對施工監(jiān)控影響危害

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

1)主梁標高。

如在掛籃施工澆筑混凝土過程中，先對掛籃標高放樣，綁扎鋼筋，9 h后再進行混凝土澆筑，顯然在初測掛籃標高與9 h后澆筑混凝土時掛籃標高存在差異性，這種差異性由溫度造成，因此需要進行溫度影響調(diào)整來減少溫度變化對主梁線形影響。

2)撓度監(jiān)測的準確度、可靠性。

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

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間段進行合龍，從而減少溫度影響對合龍段混凝土質(zhì)量影響。

4)應(yīng)力監(jiān)測準確性。

溫度影響導(dǎo)致實測值與計算值不吻合，不利于應(yīng)力分析。

3.2 消除溫度影響的方法

1)固定實測法。

本項目中為了克服溫度對長懸臂箱梁標高和撓度監(jiān)測影響，對掛籃立模標高采用固定時間進行放樣、撓度監(jiān)測。在清晨5:00～7:00，進行掛籃立模標高的放樣和箱梁撓度變形監(jiān)測時，此時間段溫度變化最小，溫度的影響最小，可忽略不計。

2)相對標高法。

本項目中也采用相對標高法進行掛籃立模標高的放樣，具體過程如下[5]：

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

Δh12=H1-H2

(1)

若前一節(jié)箱梁是按監(jiān)控計算的立模標高進行放樣和施工，在某一時刻，欲放后一節(jié)箱梁的立模標高，設(shè)此時溫度對前一塊和后一塊箱梁的標高影響量分別為ΔH1和ΔH2，而且此時實測的前一塊箱梁的梁底標高為H11，則H11中含有此時溫度對這一塊箱梁標高的影響量ΔH1，即有:

H11=H1+ΔH1

(2)

后一節(jié)箱梁的梁底放樣標高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，顯然此時的H22已經(jīng)不含溫度對后一節(jié)箱梁標高的ΔH2。

本項目懸臂法施工中，不同箱梁段長度在5 m以下，可認為同一時刻下，ΔH1≈ΔH2,誤差在2 mm左右，相對于掛籃立模標高，2 mm誤差可忽略不計。

由以上分析可知，進行前塊箱梁施工放樣后，后一節(jié)箱梁立模標高可根據(jù)前一塊箱梁梁底標高H11及Δh12按照式(3)計算得到，顯然這個過程已經(jīng)消除了溫度變化對懸臂箱梁的影響，該過程即為相對標高法。

3)施工監(jiān)控中的溫度應(yīng)力修正。

橋梁監(jiān)控中需要對應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果進行溫度修正。本項目中測得的混凝土溫度變化及應(yīng)力變化分析見圖2，圖3。

混凝土的實際溫度值難以在施工過程中檢測準確，而一般采用修正后的環(huán)境溫度作為混凝土內(nèi)溫度。本文運用應(yīng)變元件進行混凝土溫度的修正，應(yīng)變元件能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度及應(yīng)變的測量，修正后的值也較為準確。尤其是溫度與應(yīng)力存在一定的函數(shù)關(guān)系，應(yīng)變元件數(shù)據(jù)可以充分挖掘這層函數(shù)關(guān)系，因而方便進行溫度應(yīng)力修正分析。

監(jiān)測中發(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)力變化的絕對值之差較小。又取元件處的單位長度混凝土，溫度升高1 ℃時，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。可見，通過對應(yīng)變元件的應(yīng)變與溫度數(shù)值關(guān)系進行分析，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為變化溫度絕對值；a為系數(shù)，這里取0.33。

以上獲得了實測溫度與應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，為驗證函數(shù)關(guān)系的準確性，這里對2號墩3號塊預(yù)應(yīng)力張拉完后的溫度應(yīng)力進行修正，見表3。

表3 2號墩3號塊混凝土應(yīng)力修正實例

可見，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行應(yīng)力修正是合適的。

4 結(jié)語

1)三個關(guān)鍵截面的理論計算應(yīng)力與實測應(yīng)力的差異性較大，差值最高達1 MPa，因此不能忽略溫度應(yīng)力影響；

2)運用應(yīng)變元件進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)場修正實例表明：溫度影響修正前溫度應(yīng)力實測值與理論計算值存在較大差異，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)系進行應(yīng)力修正是合適的。