鋼箱梁系桿拱橋施工監控受溫度變化影響及修正分析

李 博， 吳騰宇

(亳州市重點工程建設管理局，安徽 亳州 236800)

0 引 言

在大跨徑橋梁施工過程中,應力測試是一項重要工作。大跨徑橋梁施工過程中的真實受力狀態的判定不能僅依據有限元計算分析[1],還應對控制斷面進行應力監測,以保證橋梁施工過程中的結構安全。在橋梁施工過程中,結構溫度場變化會對橋梁應力測試產生顯著影響，因此必須要將測試數據中的溫度影響采用合適的計算方法和現場處理技術進行消除[2]。消除溫度對測試元件精度的影響是施工控制數據處理過程中最重要的工作，是橋梁施工監控參數識別和下一施工階段參數預測準確性的重要保障[3]。一般是通過現場試驗實現消除溫度對參數識別及施工預測的準確性的影響。為了深入研究橋梁施工監控中溫度對測試元件精度的影響[4]，針對在橋梁施工監控中常用的振弦式應變傳感器，根據其工作條件開展了相應的現場實驗，提出了振弦式應變傳感器在混凝土以及大氣中溫度影響修正方法[5]。目前，針對混凝土橋梁施工過程中的應力測試的研究較多，而對鋼結構橋梁的研究相對較少。鋼箱梁系桿拱橋由于其優異的結構性能被廣泛地應用于大跨徑橋梁設計[6]。由于橋梁跨度較大，通常箱梁截面設計尺寸較大，在日照作用下很容易形成箱梁同一截面不同位置處溫度存在差值。為了保證鋼箱梁系桿拱橋施工過程中的應力測試精度，結合現場實驗結果進行分析計算，對測試數據在日照影響下進行了探討，并提出了相應的處理方法，有效地消除了日照對橋梁施工過程中應力測試的影響。

1 工程概況

某橋為梁拱組合體系橋梁，拱圈及縱梁均采用鋼箱結構，系桿為剛性與柔性組合系桿，每側鋼縱梁內設置4束體外預應力鋼絞線。計算跨徑L=141.8 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1∶4.5，矢高31.5 m。拱肋采用矩形鋼箱截面，鋼箱高2.8 m，寬1.7 m，壁厚為變厚度，內壁設24條縱肋。單幅橋梁由雙榀拱肋組成，拱肋間距為23.2 m。雙榀拱肋通過風撐進行連接，單幅拱肋設置5道風撐。本橋鋼縱梁作為主受力結構承受拱圈的水平推力，同時也作為橋面系的加勁梁結構。縱梁縱向分為三種截面區段，共劃分為18個梁段。鋼縱梁高2.6 m，寬1.7 m。縱梁頂底板、腹板均為變厚鋼板，鋼縱梁頂底板及腹板均采用Ⅰ型加勁肋。每側鋼縱梁內設置4束體外預應力鋼絞線，組成結構的柔性系桿體系。吊桿沿橋軸水平向吊點標準中心距為7.5 m，吊桿索體采用1860級15Φ15.2無黏結環氧噴涂鋼絞線外擠HDPE成品索結構，吊索上、下端錨點均為穿銷鉸。

2 弦式應變計工作原理

橋梁施工監控中通常采用振弦式應變傳感器對結構內部應力進行監測[7]。鋼結構應力監測一般采用的是表面式弦式應變計。弦式應變計是利用弦振頻率與弦的拉力的變化關系來測量應變計所在點的應變，原理如圖1所示。

圖1 弦式應變計立面圖與原理圖

弦式應變計在制作完成后，其內部鋼弦具有一定的初始張力T，根據式(1)確定對應的初始頻率f：

(1)

式中：ρ為鋼弦材料的線密度，kg/m；L為鋼弦的有效長度。

當應變計被安裝在鋼箱梁表面后，鋼弦的拉力隨著鋼梁的變形變化，通過弦張力的變化可以測出鋼梁的應變大小。某個施工階段，測鋼弦頻率是fi，可以推出鋼弦的張力變化值：

(2)

式中;k=4ρL2，由式(1)可以得出。鋼梁與弦連接牢固，故假定鋼梁應變ε與鋼弦應變εg變形協調，

(3)

3 傳感器截面布置與安裝

實測采用長沙金碼測控科技股份有限公司生產的 JMZX-212HAT 表面智能數碼弦式應變計作為應變測試儀器，具體參數見表1。

表1 JMZX-212HAT 表面智能弦式應變計主要參數

安裝表面式振弦應變傳感器時首先將基座按測量方向焊接在構件表面，基座安裝完成后，再將應變計安裝在基座上。JMZX-212HAT 表面智能數碼弦式應變計根據張力弦原理制造，以頻率作為輸出信號，傳感器內置計算芯片，采用JMZX-3001L綜合測試儀可以直接獲取應變、頻率以及溫度等具體物理參數，具有良好的測試精度和可靠性。

拱肋縱橋向共布置5個應力-溫度測試斷面，斷面分別位于拱腳附近、拱圈的L/4和3L/4處，以及跨中處。具體傳感器布置圖如圖2所示，傳感器安裝如圖3所示。

圖2 各構件傳感器布置大樣圖(單位：cm)

圖3 拱肋和系梁傳感器安裝圖

4 溫度影響分析

4.1 溫度引起弦標距變化對測試的影響

弦式應變傳感器具有穩定性好、抗干擾能力強、溫度修正效果明顯等優點而被廣泛應用于各類工程的長期應力監測。溫度的變化，造成材料熱脹冷縮，導致了弦的有效長度發生改變，進而引起弦內張力改變。溫度升高，弦伸長，有效長度增大，弦張力減小；相反，溫度降低會導致弦張力增大。根據式(1)，溫度改變時的弦振頻率為：

(4)

(L+ΔL)/L=1+Δε×10-6≈1

(5)

(6)

從上述各式可得，溫度引起的振弦長度變化對弦自振頻率的影響可以忽略不計。

4.2 表貼式應變傳感器的溫度影響修正公式

當溫度恒定時，弦張力與弦自振頻率關系一定，外界發生變形時，弦張力也會隨之改變；當外界變形時，弦張力會隨著溫度的改變而發生相應的改變。在實際的橋梁監控過程中兩者往往同時發生，測試的應變應是外界形變和溫度變化共同作用引起的。結構真實的應變值變量應是測試總應變變量剔除溫度變化引起的應變值變量：

(7)

式中：m為鋼弦單位長度的質量；E為鋼弦的彈性模量；A為鋼弦的截面積；α為振弦金屬材料的熱膨脹系數；Δt為溫度變化。

4.3 日照對應變傳感器的溫度影響修正公式

對于鋼結構橋梁，一般是采用表面振弦式傳感器進行應力監測。其工作環境一般是在空氣中，在實際橋梁施工監控過程中，應力應變測量難以都在無日照的條件下完成。受日照影響，應變筒與振弦的溫度變化不一致，并且鋼結構外側一般會噴射油漆防止銹蝕，油漆本身也具有隔熱作用，導致油漆內外側溫度并不一致。現取一組應變傳感器安裝在橋梁施工中的同等材料進行日照試驗，每隔30 min進行一次應變和溫度測試，溫度與應變關系曲線如圖4所示。

圖4 構件無約束應變-溫度關系圖

從圖4可知，溫度每升高1℃，約產生2.72×10-6左右的拉應變，因此在橋梁施工現場測試中應盡量選擇溫度場較為恒定的條件下進行應變測試，避免日照影響，后續施工階段應變測試按照本次試驗結果進行溫度修正。

在靜定結構中，溫度變化會引起結構產生應變，但結構內部并不會因此產生內力。但在超靜定結構中，溫度不僅會引起結構產生應變，同時在結構內部產生內力。對于大跨徑橋梁來說，通常箱梁截面設計尺寸較大，在日照作用下很容易形成箱梁同一截面不同位置處溫度變化并不均勻。為了修正日照造成的不均勻溫度場的影響，在橋梁低強度施工作業的條件下，選擇拱頂、拱腳2處截面(在拱肋完成焊接后豎向支撐拆除之前，盡可能避免橋面低強度施工作業的影響),每隔20 min進行一次應變和溫度測試，測試結果如圖5和圖6所示。

圖5 拱頂F-F截面處應變-溫度關系圖

圖6 拱腳H-H截面處應變-溫度關系圖

從圖5和圖6可知，由于受日照的影響，同一截面各位置處的溫度變化量不一致，截面上部傳感器溫度增長較快，而截面下部的傳感器溫度增長較慢。同一截面各位置處溫度變化不一致導致了其溫度-應變速率變化不一致。其主要原因是：其一，受日照影響整個大氣溫度變化引起結構熱脹冷縮效應，受到約束作用，導致結構內部產生內力；其二，由于結構截面過大，截面上側和東側(向陽側)，受到日照影響，溫度變化較快，而截面下側和西側(背陽側)不易受日照影響，溫度變化較慢，同一截面沿高度方向上溫度為非線性變化時則各縱向纖維會互相約束，產生應變。

為進一步分析日照引起的截面溫度不均勻變化的影響，應用MIDAS Civil有限元分析軟件建立有限元模型進行分析計算。具體溫度工況分為：結構整體升溫工況，拱肋上、下側溫度梯度工況，拱肋東、西側溫度梯度工況，計算結果和上述實驗結果見表2。

表2 溫度引起應力實測結果與有限元結果對比

從表2可得，溫度引起結構應力實測結果與有限元模擬結果基本吻合，實測結果略微偏小。結合實驗結果，通過對應變-溫度測試結果進行修正，可以有效降低溫度對應變測試結果的影響。實際上，結構受日照等因素的影響，其所處的溫度場是不均勻的，而有限元模擬通常假定結構所處的溫度場是恒定的，所以導致有限元模擬結果會偏大，但相對偏差較小，對應力測試結果的影響可以忽略不計。

5 結 論

受日照影響，即使在同一截面處結構的溫度并不一致，在結構應力測試的過程中，應消除測試截面溫度變化結構應力測試的影響。根據現場測試結果與有限元分析進行對比，發現溫度引起的結構應力實測修正結果與有限元模擬結果基本吻合，實測結果較模擬值略微偏小。對弦式傳感器測試結果進行擬合分析，能夠有效消除溫度與日照對傳感器測試結果的影響，精確地反映結構的應力水平。