多跨矮塔斜拉橋懸澆施工中應力監測研究

胡世翔，馬文剛

（南京工程學院，江蘇南京 211167）

0 引言

矮塔斜拉橋施工中受力復雜，尤其是懸臂現澆施工，結構應力隨施工過程不斷變化，需要對結構施工應力進行監測，通過對比采集的應力數據和結構理論分析結果，分析結構受力是否和理論分析一致，并監測應力是否超出材料限制［1］。應力監測可以很好地反映實際結構在施工中的應力變化，預警施工安全［2］。

實際應力監測中通過傳感器采集數據，施工前需要根據結構受力特點和施工方案，確定布置傳感器的位置和數量以及導線的走向方案，施工過程中在相應截面布置對應位置的傳感器。一般埋設的傳感器為振弦式傳感器，直接測得數據為結構應變，需要結合理論計算排除掉非受力應變的影響，最終得到結構的應力值，并應用于結構施工監控［3-4］。

本文結合某四塔五跨矮塔斜拉橋為例，分析了應力監測原理、實測應變中非受力應變處理方法、應力測試誤差來源分析，可為類似工程施工監控提供借鑒。

1 橋梁施工中應力測試原理

振弦式應變傳感器是目前施工應力監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，鋼弦兩端固定于圓筒內，并處于一定的張拉力中。配套的檢測設備連接傳感器后，機器可以識讀鋼弦的頻率，而鋼弦的頻率與長度有關，從而由鋼弦頻率變化可以計算其長度變化，最后得到應變變化數值。振弦式應變傳感器有多種類型，考慮到施工環境和耐久性，鋼筒需要密封并保證一定強度?；炷林行枰捎寐裰檬絺鞲衅鳎┕ぶ欣喂坦潭ㄔ阡摻钌?，并做好澆筑振搗過程中的保護，永久置于混凝土中。

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

2 橋梁施工中應力測試誤差來源分析

施工監控中，混凝土應力實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和實際結構不一致的原因、施工環境影響、傳感器安裝影響以及環境因素導致的非受力應變等。這些因素和解決方法具體如下。

2.1 傳感器的安裝和保護

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

2.2 材料參數修正

理論計算模型一般會采用規范數值［6］，該數值和現場實際結構材料存在一定差異，需要根據現場實測結果進行一定模型修正。

2.3 日照和環境溫度的影響

溫度對應力測試影響包括環境溫度和日照產生的溫度梯度兩部分，環境溫度變化使結構整體升溫或者降溫，可以根據埋設的溫度傳感器來計算修正。為防止日照導致結構截面上的溫度不均勻從而產生溫度應力，且截面不均勻溫度場精確計算較為復雜，因此要注意選取合理的應力采集時間點，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，需根據材料參數和受力情況，通過理論計算排除影響。

2.5 傳感器數據采集影響

應變傳感器采集過程也會影響最終實測結果，需要結合施工過程的開展，準確采集初始值和各階段數據，尤其是初始值的采集會影響后續各階段的結果。當結構受力狀態改變時，例如張拉預應力筋或者澆筑混凝土，應變的采集需要考慮應變滯后的特點，應在受力狀態改變后一定時間后采集，并觀察數據的穩定性。

2.6 數據采集截面特點的影響

截面形式和截面配筋影響?；炷两孛嬷袝渲孟鄳氖芰︿摻詈蜆嬙熹摻睿@些鋼筋會影響混凝土局部應力分布，一般的混凝土應力計算過程中采用梁截面假設，并未對混凝土局部應力分布產生影響，對于配筋復雜、受力較大部分可以采用實體有限元進行精細化分析，從而精細分析混凝土的實際應力分布。

3 案例工程施工現場應力實測及分析

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，兩側邊跨95 m，采用變截面預應力混凝土主梁，根部梁高5.5 m，跨中3.0 m。

3.2 監測截面及測點布置

根據本橋的結構型式、施工程序和受力特點，全橋選擇了9個應力狀態監測截面，監測截面位置及測點布置分別如圖1和圖2所示。

3.3 實測應力結果及分析

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

3.3.1 混凝土收縮、徐變影響修正

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

混凝土徐變系數φ和收縮量根據規范（JTG 3362—2018）的建議公式確定?；炷恋氖湛s應變可按公式（3）和（4）計算：

圖1 全橋應力監測截面布置

圖2 A、B截面應力監測截面測點布置

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

混凝土徐變系數可按公式（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；φ0為名義徐變系數；βc為徐變時間發展函數。

3.3.2 溫度影響修正

由于混凝土的線膨脹系數與應變計中的鋼弦不一致，因而溫度變化可引起應變變化，需消除其影響。其修正應變為：

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

3.4 應力測試結果及分析

根據采集的實測應力結果，采用前述排除非受力應變的方法，經過計算得到截面A和B的混凝土應力分布情況如表1所示，表中數據以拉應力為正。

如圖3—4 所示，表示了施工應力和施工過程的關系，應力分別為施工過程對應截面應力理論值和實測值，實測值為已經修正各影響因素后的結構實際受力，圖中應力結果以拉應力為正。

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

4 結語

本文在總結分析大跨橋梁結構懸臂澆筑施工中應力監測方法的基礎上，重點分析了常用應力傳感器測試原理和現場實測應力影響因素，并給出各應力測試影響因素的分析和排除方法。

在此基礎上，以某實際工程為例，驗證了本文所提應力采集和分析方法，實測、理論應力對比結果可知，實測應力和理論計算結果總體吻合良好，且實測、理論應力隨施工過程的進展變化趨勢一致，施工中結構應力小于材料限值。論文方法可以為類似工程施工監控提供借鑒。

表1 截面A、B應力實測值

圖3 10#墩主梁根部上緣應力隨施工過程變化

圖4 10#墩主梁根部下緣應力隨施工過程變化