鋼管混凝土拱橋拱肋管內(nèi)混凝土凝期內(nèi)溫度及應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)

研究龔輝

摘 要：采用在拱肋管內(nèi)內(nèi)置監(jiān)測(cè)元件，對(duì)管內(nèi)混凝土凝期的溫度及應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，C60自密實(shí)混凝土的水化熱集中于灌注后0 h～30.5 h釋放，管中心最高溫度高達(dá)74.6℃，管壁處溫度低于管中心溫度4℃～12℃;凝期內(nèi)管內(nèi)混凝土均處于三向壓縮狀態(tài)，但徑向、環(huán)向及軸向在管內(nèi)的場(chǎng)分布規(guī)則律各有不同，徑向應(yīng)變場(chǎng)及軸向應(yīng)變場(chǎng)均呈現(xiàn)中心對(duì)稱，但由于鋼管對(duì)混凝土的套箍作用，越靠近管壁徑向壓縮越大而軸向壓縮越小，環(huán)向應(yīng)變則呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱狀態(tài)。三向應(yīng)變場(chǎng)及溫度場(chǎng)隨凝期的變化呈現(xiàn)高度協(xié)同性，溫度升高的同時(shí)三向相對(duì)壓縮，溫度降低三向相對(duì)膨脹。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;水化熱;溫度;應(yīng)變

1 概述

鋼管混凝土拱橋是我國(guó)近年來(lái)橋梁的主要型式之一，它具有用自重輕、強(qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，施工過(guò)程中鋼管可作為施工模板兼勁性承重骨架，同時(shí)內(nèi)填混凝土對(duì)鋼管壁有較好的支撐作用，鋼管混凝土充分發(fā)揮了鋼和混凝土兩種材料在受荷過(guò)程中相互間的組合作用[1]。鋼管混凝土拱橋拱肋在施工過(guò)程中先架設(shè)空鋼管拱肋，然后灌注管內(nèi)混凝土，管內(nèi)混凝土在凝結(jié)初期會(huì)釋放大量的水化熱，同時(shí)管內(nèi)混凝土硬化過(guò)程中與管壁是否緊密貼合是二者共同協(xié)同受荷的關(guān)鍵。

徐愛(ài)民[2]進(jìn)行3根直徑550 mm，長(zhǎng)1 500 mm圓鋼管混凝土模型溫度監(jiān)測(cè)，得出結(jié)論灌注完管內(nèi)混凝土總體溫度高于大氣溫度，在截面呈內(nèi)高外低的分布規(guī)律;馮斌[3]進(jìn)行4根不同直徑鋼管混凝土構(gòu)件的水化熱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)灌注完混凝土初期，截面中心與邊緣處溫差較大，且隨截面尺寸加大，溫差越大;林春姣[4]對(duì)1根直徑325 mm鋼管混凝土模型從空鋼管合龍至混凝土灌注最終形成鋼管混凝土拱肋整個(gè)過(guò)程的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)混凝土水化熱釋放導(dǎo)致截面呈現(xiàn)先升溫后降溫的變化過(guò)程，并在拱肋截面上同時(shí)產(chǎn)生溫度梯度。前人研究均集中于監(jiān)測(cè)混凝土水化熱釋放，而忽視管內(nèi)混凝土的應(yīng)變場(chǎng)的變化，對(duì)于管內(nèi)混凝土而言，這才是工程的關(guān)鍵關(guān)注重點(diǎn)。本文通過(guò)鋼管內(nèi)置監(jiān)測(cè)籠的方式，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)混凝土溫度及應(yīng)變場(chǎng)的變化，為后續(xù)的理論研究提供數(shù)據(jù)鋪墊。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 總體布置

本次監(jiān)測(cè)依托某特大型上承式鋼管拱橋，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.55，矢高h(yuǎn)=100 m，矢跨比f(wàn)=1/4.5。主拱圈采用等寬度空間桁架結(jié)構(gòu)，一共有8根拱肋鋼管，斷面高度從拱頂8 m變化到拱腳14 m（中到中），單片拱肋寬度4 m（中到中），橫橋向兩片拱肋間的中心距拱腳和拱頂處均為16 m。肋間設(shè)置橫聯(lián)和米撐。上、下弦拱肋鋼管外徑136 mm，拱肋下弦管自拱腳到拱頂壁厚分別為35 mm、32 mm、28 mm。鋼管拱肋對(duì)接接頭采用內(nèi)法蘭盤、管外焊接的形式進(jìn)行連接。管內(nèi)灌注C60自密實(shí)微膨脹混凝土。

選取半拱的拱腳、拱腰、跨中三個(gè)特征截面的左側(cè)4根監(jiān)測(cè)管進(jìn)行監(jiān)測(cè)截面布置，每個(gè)監(jiān)測(cè)截面監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：溫度監(jiān)測(cè)、徑向應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)、環(huán)向應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)、軸向應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

2.2 單個(gè)監(jiān)測(cè)截面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，在每個(gè)監(jiān)測(cè)截面內(nèi)置一個(gè)長(zhǎng)1 000 mm、直徑1 200的監(jiān)測(cè)籠，將傳感器采用綁扎式固定于監(jiān)測(cè)籠上，各監(jiān)測(cè)變量相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置為：

（1）溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)：管中心、管壁各1個(gè)測(cè)點(diǎn);

（2）徑向（軸向）應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)：管中心、左側(cè)R/2處、左側(cè)R處、右側(cè)R/2處、右側(cè)R處、頂部R/2處、頂部R處、底部R/2處、底部R處，徑向（軸向）應(yīng)變場(chǎng)共9個(gè)位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn);（見(jiàn)圖1）

（3）環(huán)向應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)：左側(cè)R/2處、左側(cè)R處、右側(cè)R/2處、右側(cè)R處、頂部R/2處、頂部R處、底部R/2處、底部R處，共8個(gè)位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。（見(jiàn)圖1）

2.3 應(yīng)變傳感器定制

混凝土灌注初期是由液態(tài)過(guò)渡至固態(tài)，采用傳感的應(yīng)變傳感器無(wú)法與被測(cè)介質(zhì)之間完成耦合，本次設(shè)置專門的耦合圓片，見(jiàn)圖2，在兩耦合圓片間植入弱傳感光纖，以保證初期數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

本次監(jiān)測(cè)是在管內(nèi)混凝土灌注完成后開始至凝期滿28天，全程采用全自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)將光纖波長(zhǎng)數(shù)據(jù)上傳至云端。每5 min測(cè)讀一次，徑向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、溫度同時(shí)測(cè)讀，限于篇幅，僅對(duì)下弦內(nèi)側(cè)管的拱腳截面監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 溫度測(cè)試結(jié)果分析

從圖3可見(jiàn)，最高溫度出現(xiàn)在澆筑后第二天（2018年8月17日）下午17：00，由于混凝土水化熟釋放，管內(nèi)溫度持續(xù)升高，澆筑后30.5 h，管內(nèi)最高溫度高達(dá)74.6℃，管壁最高溫度達(dá)52.6℃，而在灌注后193.5 h～219 h期間管內(nèi)混凝土溫度發(fā)生了急劇下降，下降幅度達(dá)10℃，隨后在灌注后219.1 h～271.5 h管內(nèi)混凝土溫度又發(fā)現(xiàn)急劇升高，升幅也近10℃，后期管內(nèi)混凝土溫度緩慢下降。圖3中還標(biāo)識(shí)不同階段的管內(nèi)混凝土溫度場(chǎng)，管中心溫度始終高于管壁處溫度，在灌注結(jié)束至灌注后193.5 h期間，管中心溫度比管壁處溫度高10℃～12℃，后期總體管中心點(diǎn)溫度高于管壁溫度4℃～5℃。

3.2 徑向應(yīng)變場(chǎng)分析

凝期28 d內(nèi)管內(nèi)徑向應(yīng)變場(chǎng)變化較復(fù)雜，從灌注到30.5 h期間管內(nèi)混凝土急劇徑向壓縮，管中心處壓縮變形最大，管壁處的壓縮相對(duì)較小，隨后徑向壓縮應(yīng)變減小，管中心徑向壓縮應(yīng)變減少的最快，到灌注后67.5 h，管中心徑向由壓縮過(guò)渡為膨脹，到灌注后85.5 h時(shí)，管中心徑向膨脹微應(yīng)變至67.1 uε，隨后又呈現(xiàn)二次徑向壓縮，至灌注后100 h，管中心徑向又由膨脹過(guò)渡為壓縮，灌注后100 h～193.5 h這一期間，管內(nèi)應(yīng)變處于持續(xù)徑向壓縮，隨后呈現(xiàn)二次徑向膨脹，管中心至灌注后193.5 h徑向膨脹微應(yīng)變?yōu)?01.8 uε，隨后又出現(xiàn)第三次急劇徑向壓縮，壓縮至灌注后271.5 h后，徑向壓縮明顯變緩。靠近管壁位置處的徑向應(yīng)變和R/2處的徑向應(yīng)變?cè)谀趦?nèi)隨時(shí)間的變化規(guī)律同管中心變化規(guī)律是一致的，只是整個(gè)凝期內(nèi)整體都是徑向壓縮，相對(duì)于上一時(shí)段而言和管中心一樣出現(xiàn)了相對(duì)壓縮→相對(duì)膨脹→相對(duì)壓縮→相對(duì)膨脹→相對(duì)壓縮→趨于穩(wěn)定的變化過(guò)程。

另外從圖4呈現(xiàn)的管內(nèi)混凝土徑向應(yīng)變場(chǎng)中可看出管內(nèi)徑向應(yīng)變的分布情況，灌注后30.5 h之前，管中心混凝土徑向壓縮最大，靠近管壁徑向壓縮變小，而在30.5 h以后直至后期，管中心混凝土的徑向壓縮最小，管中心混凝土甚至出現(xiàn)兩次短期的徑向膨脹，越靠近管壁混凝土壓縮變形越大。

3.3 環(huán)向應(yīng)變場(chǎng)分析

凝期內(nèi)管內(nèi)混凝土環(huán)向應(yīng)變的變化情況見(jiàn)圖5，從場(chǎng)分布來(lái)看，整個(gè)凝期管內(nèi)混凝土環(huán)向應(yīng)變呈非對(duì)稱狀態(tài)，左側(cè)管壁混凝土環(huán)向壓縮變形明顯要小于右側(cè)管壁，左側(cè)管壁混凝土在30.5 h～85.5 h時(shí)段內(nèi)還出現(xiàn)環(huán)向膨脹現(xiàn)象，和徑向應(yīng)變一樣，此截面管內(nèi)混凝土在凝期內(nèi)環(huán)向應(yīng)變也經(jīng)歷壓縮→相對(duì)膨脹→相對(duì)壓縮→相對(duì)膨脹→相對(duì)壓縮→趨于穩(wěn)定的變化過(guò)程。

3.4 軸向應(yīng)變場(chǎng)分析

凝期內(nèi)下弦內(nèi)側(cè)管拱腳截面管內(nèi)混凝土軸向應(yīng)變變化較明顯（見(jiàn)圖6），澆筑結(jié)束后0 h～30.5 h期間，軸向急劇壓縮，管中心壓縮最明顯，澆筑30.5 h時(shí)管中心壓縮應(yīng)變?yōu)?54.5 uε，隨后澆筑30.5 h～67.5 h管內(nèi)混凝土出現(xiàn)相對(duì)膨脹，在澆筑后67.5 h～128.5 h期間，左上側(cè)管內(nèi)混凝土持續(xù)相對(duì)膨脹，管中心附近區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定，右下側(cè)管內(nèi)混凝土出現(xiàn)了二次相對(duì)壓縮，右下側(cè)管壁混凝土最大壓縮應(yīng)變?yōu)?62.4 uε，在澆筑后128.5 h～219.1 h左上側(cè)發(fā)生了相對(duì)壓縮，右下側(cè)管內(nèi)混凝土發(fā)生了二次膨脹，在219.1 h時(shí)管內(nèi)混凝土應(yīng)變回歸至初始狀態(tài)（不壓縮也不膨脹），澆筑后450 h～520 h期間軸向應(yīng)變場(chǎng)又生了第三個(gè)膨脹壓縮的應(yīng)變循環(huán)，灌注后520 h以后至28 d凝期管內(nèi)混凝土應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定。

3.5 溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)協(xié)同變化性分析

由于光纖光柵無(wú)線傳感自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取，本次對(duì)監(jiān)測(cè)截面的溫度場(chǎng)、三向應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)混凝土溫度場(chǎng)及三向應(yīng)變場(chǎng)的變化均是協(xié)同變化，具體見(jiàn)圖7，整個(gè)變化期大致可分為以下幾個(gè)階段：

灌注后0 h～30.5 h：溫度急劇升高、三向急劇壓縮;

灌注后30.5 h～67.5 h（73.5 h）：溫度急劇降低、三向急劇相對(duì)膨脹;

灌注后67.5 h（73.5 h）73.5 h～193.5 h：溫度基本恒定，徑向及環(huán)向緩慢壓縮，軸向發(fā)生偏心，一側(cè)相對(duì)膨脹，另一側(cè)相對(duì)壓縮;

灌注后193.5 h～219.1 h：溫度急劇升高，三向急劇壓縮;

灌注后219.1 h～271.5 h：溫度急劇降低、三向急劇相對(duì)膨脹;

灌注后450 h～520 h：第三次小幅度升溫降溫，第三次小幅度三向應(yīng)變相對(duì)膨脹壓縮。

后期溫度場(chǎng)及三向應(yīng)變場(chǎng)趨于穩(wěn)定。凝期內(nèi)發(fā)生三次應(yīng)變膨脹壓縮循環(huán)的原因主要是在管內(nèi)混凝土中加入了氧化鎂復(fù)合膨脹劑，此種膨脹劑將不同活性輕燒氧化鎂與氧化鈣熟料按特定比例配制，利用氧化鎂的延遲膨脹性能分階段補(bǔ)償管內(nèi)混凝土壓縮[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在鋼管拱橋拱肋內(nèi)置監(jiān)測(cè)元件，對(duì)管內(nèi)混凝土凝期內(nèi)的溫度場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)后得以下結(jié)論：

（1）C60管內(nèi)混凝土的水化熱釋放集中在灌注后0 h～30.5 h，管中心溫度高于管壁處溫度，由于混凝土中添加復(fù)合膨脹外加劑，所以在凝期不同時(shí)段均出現(xiàn)了溫升溫降循環(huán)。

（2）管內(nèi)混凝土三向應(yīng)變?cè)谀趦?nèi)除了由于添加膨脹劑引起的局部短期膨脹外，整體處于三向壓縮狀態(tài)，鋼管對(duì)管內(nèi)混凝土的“套箍”效應(yīng)明顯。

（3）管內(nèi)混凝土徑向應(yīng)變場(chǎng)在凝期內(nèi)呈現(xiàn)中心對(duì)稱狀態(tài)，管中心處壓縮應(yīng)變最小，越靠近管壁，徑向壓縮應(yīng)變?cè)酱螅f(shuō)明越靠近管壁，受到鋼管的“套箍”作用越大。

（4）管內(nèi)混凝土環(huán)向應(yīng)變場(chǎng)在凝其內(nèi)呈現(xiàn)非對(duì)稱狀態(tài)，雖然全過(guò)程環(huán)向均呈現(xiàn)壓縮狀態(tài)，但是兩側(cè)壓縮變形明顯不對(duì)稱，其原因應(yīng)該是迎光面或背光面環(huán)境溫度荷載導(dǎo)致。

（5）管內(nèi)混凝土軸向應(yīng)變場(chǎng)在凝期內(nèi)基本呈現(xiàn)中心對(duì)稱狀態(tài)，凝期前期及后期應(yīng)變場(chǎng)的中心對(duì)稱性要明顯一些，但其規(guī)律與徑向應(yīng)變場(chǎng)相反，管中心處壓縮應(yīng)變最大，越靠近管壁，軸向壓縮應(yīng)變?cè)叫　?/p>

（6）凝期內(nèi)溫度場(chǎng)及三向應(yīng)變場(chǎng)的變化具有高度協(xié)同性，溫度升高的同時(shí)三向相對(duì)壓縮，溫度降低三向相對(duì)膨脹。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建民.大跨度鋼管混凝土拱橋承載能力與施工控制研究[D].華南理工大學(xué)，2001.

[2]徐愛(ài)民.鋼管混凝土拱橋溫度特性研究[D].福州大學(xué)，2004.

[3]馮斌.鋼管混凝土中核心混凝土的水化熱壓縮與徐變計(jì)算模型研究[D].福州大學(xué)，2004.

[4]林春姣.鋼管混凝土拱計(jì)算合攏濕度研究[D].廣西大學(xué)，2008.

[5]任達(dá)勇，柴國(guó)進(jìn)，何陽(yáng)，等.鋼管混凝土用氧化鎂復(fù)合膨脹劑試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用[J].新型建筑材料，2020（2）：45-48.