監(jiān)理工程師輔導：大跨度預應力混凝土橋梁施工應力監(jiān)測中的幾個問題

監(jiān)理工程師輔導：大跨度預應力混凝土橋梁施工應力監(jiān)測中的幾個問題

　　摘要：分析了大跨度預應力混凝土橋梁施工應力監(jiān)測中存在的問題，介紹了改進措施及提高測試精度的具體方法。

　　關鍵詞：施工應力 測試 量測 補償 無應力計 工作應變計 電阻差動式 振弦式

　　一、前言

　　近幾年，我院承擔了十余座大跨度預應力混凝土橋梁施工應力監(jiān)測任務。有斜拉橋、連續(xù)梁及剛構等多種橋式。在完成合同規(guī)定任務的同時，為了提高測試質量還做了不少的試驗和探討。根據(jù)對混凝土橋梁施工應力的觀測，發(fā)現(xiàn)目前還有些問題沒有很好的解決，及時總結經驗教訓，不斷地提高測試質量，是當前橋梁建設發(fā)展的需要。

　　隨著橋梁事業(yè)的發(fā)展，預應力混凝土橋梁得到廣泛應用，不同橋式的預應力混凝土橋梁在不斷興建，跨度逐步加大，結構也向薄壁輕型發(fā)展，懸臂施工中不安全因素隨之增大。為了避免安裝應力失控，有更多的橋梁對施工進行監(jiān)控，對施工應力測試也提出了更高的要求?，F(xiàn)在施工應力測試技術遠遠跟不上橋梁工程發(fā)展的需要。

　　本文在總結多年來大跨度預應力混凝土橋梁施工應力測試的基礎上，針對當前測試存在的問題，談談提高測試精度、確保測試質量的具體方法。

　　二、提高測試質見的探討

　　混凝土為非勻質材料，除受力變形外還有多種因素同樣引起變形。目前對混凝土應力直接測試尚無完善的方法，仍是通過應變量測再進行換算，由于多種變形的摻入，使得測試工作變得十分復雜。

　　溫度對橋梁結構影響很明顯可分兩個方面，一是結構隨溫度變化發(fā)生變形，即熱脹冷縮;另外由日照等原因引起結構溫差，溫差對結構影響大，也很復雜。

　　濕度對混凝土結構影響也比較明顯，近來采用泵送混凝土，由于水和水泥用量的增多，于縮變形也隨之變大。

　　混凝土自身體積變化是由內部膠凝材料的水化作用引起的變形，對結構有影響，但不太明顯。

　　徐變是混凝土特性之一，在荷載不變情況下，變形在不斷增加。它對結構受力影響明顯，也很復雜。

　　關于混凝土變形總起來可歸納為兩類：一類是混凝土受力變形，包括荷載彈性變形、徐變變形及溫差引起的變形;另一類為體積變形，是指混凝土溫度變形、濕度變形及自身體積變形等。可用下式表示：ε總=ε受力+ε體積=(ε何載+ε徐變+ε溫差)+(ε溫+ε濕+ε自)

　　施工應力測試就是將觀測部位在不同工況下由荷載引起彈性應變。荷載量測出來，用下式換算出應力σ荷=Eε荷載式中，E為彈性模量。

　　而應變測值包括了上述兩類變形。為了得到較準確的荷載應變，多年來一直研究如何把其他應變從測值中分離出來。

　　1.體積變形補償方法的試驗

　　水工大壩的監(jiān)測一直采用雙壁筒式無應力計，它由雙層鐵皮筒和填在中間的軟材料構成，它可以消除荷載引起的變形。測值僅是混凝土體積變形，用來補償大壩混凝土體積變形。

　　70年代在九江長江大橋的沉井試驗中曾用這種無應力計。在沉井尚未下沉時經觀測就發(fā)現(xiàn)無應力計的溫度與應變計不一致。濕度相差更大，當井壁混凝土于縮達200～300微應變時，而無應力計只有數(shù)十個微應變，沉井下沉后，由于井壁浸水膨脹，差距才逐漸減小。

　　據(jù)分析由于簡內混凝土周圍有鐵皮和軟材料包圍。影響熱傳導和水分散發(fā)，使箱內外混凝土在溫度和濕度方面都出現(xiàn)了差異。

　　為了進一步驗證還制作了混凝土試塊，同時埋設工作應變計和無應力計。試塊灌注后養(yǎng)生期間就發(fā)現(xiàn)二者逐漸產生了差別，隨著齡期增長差別越來越大。此時的試塊沒有受力，應變計測值也應和無應力計一樣都是體積變形，二者不一致，證明筒式無應力起不到補償作用。后來還試用過尺寸不同的混凝土塊，內設同一型號的應變計，作為補償塊。補償塊與結構上對應的混凝土同時灌注，同樣養(yǎng)生，測試時將補償塊放在觀測的部位，盡量保持同樣的條件。但由于補償塊體積小，界面多，熱傳導及水分散發(fā)比較快，后來也發(fā)現(xiàn)補償塊內的溫度和濕度與結構之間存在較大的差別。同樣起不到良好的補償作用。

　　2.減少溫差及徐變影響的措施

　　橋梁結構的溫差多來自日照，氣溫驟降也能形成溫差。根據(jù)觀測，日照引起的梁頂與梁底溫差可達17～19℃。它能使某些部位產生相當大的溫度應力。也可能使施工中懸臂端產生較大的變位。具體與結構本身力學特性及周圍約束有關。由于日照引起的溫度場本身又是隨機變量。所以溫差給結構帶來影響相當復雜。

　　減少溫差影響有效方法是早晨日出之前進行量測。日照形成的溫差經過一夜基本上趨于平穩(wěn)。只有封閉箱內外有溫差，但影響不大。早晨不但是梁的各部位溫差最小，而且全橋的各部分溫差也最小。因此早晨日出之前進行量測是消除溫差影響有效的方法。

　　混凝土徐變變形受多種因素影響，比較復雜。其中徐變變形大小與加載齡期長短有關。減少徐變的影響，可采用加密量測次數(shù)，取每次加載前后相對值累計辦法，有一定效果。 懸臂施工中每澆筑(或拼裝)一個梁段需要一定時間，測試可將其中幾個荷載變化比較大的工序選出來。如移掛籃、綁鋼筋、澆混凝土、張拉預應力等，在這些工序進行前后分別進行量測，取前后差值疊加累積。這樣雖然不可能將徐變影響完全分離出去，但總可以減少一部分誤差。

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　　三、關于測試元件的選用

　　大跨度混凝土橋梁施工應力測試有不少條件限制和一定的困難，因此對測試元件要求也很高。一，測試時間較長，一般在一年左右，有些還要長，要求測試元件長期穩(wěn)定性好;二，荷載增減頻繁，但每次變化量不一定很大，因此要求測試元件靈敏度要高;三、橋梁多為薄壁結構，鋼筋密又沒有預應力，元件埋設困難，元件體積盡可能小，構造簡單，不易損壞;四、測點比較分散，電線、電纜分散在橋面上，由于施工干擾碰傷砸斷經常發(fā)生，因此元件最好有較強的適應性。

　　根據(jù)上述要求，以前多使用電阻差動式(DI一100)應變計，它在靈敏度和長期穩(wěn)定性方面都能滿足要求。體積小安裝埋設也比較方便，但它是利用“電阻變化”的原理做成的傳感器，容易受溫度的影響，除元件本身受溫度影響需隨時修正外，其電纜及接頭的變化也給測值造成波動。本來混凝土結構的測試就很復雜，再加上元件本身易受外來干擾，更增加測試工作的困難。

　　后改用振弦式應變計，它在長期穩(wěn)定和靈敏度方面同樣能滿足要求，另外它是通過振頻變化轉換數(shù)據(jù)的，從構造看鋼弦和外殼同樣是鋼質，熱膨脹系數(shù)基本一致，因此對溫度變化不敏感，對導線要求也不高。改用振弦式元件后不但整理數(shù)據(jù)簡單省事，而且從測試結果看規(guī)律性也好。

　　但振弦式元件目前還沒有統(tǒng)一標準，生產廠家多是地方小廠，其中的關鍵是對鋼弦的處理。如處理不到位，在長期測試中易于松弛，造成零點飄移，給數(shù)據(jù)分析帶來麻煩。使用前最好提前半年購置，然后觀測零點穩(wěn)定情況。另外還要選擇少數(shù)進行重標定，校核廠家的標定曲線。

　　目前振弦式應變計外殼多用鋼管，有的鋼管壁厚，使用前應檢查應變計本身的剛度，如大于同截面混凝土剛度時，還要通過試驗找出兩者剛度比對測值進行修正。

　　振弦式應變計因構造關系，對拉應力測試誤差大，當觀測部位有拉應力出現(xiàn)時，應改用其他測試元件。

　　四、關于測試中幾個應注意的問題

　　(1)施工應力監(jiān)測涉及到的資料和數(shù)據(jù)很多。除設計資料外，施工方面也很多，如施工工藝、施工方案、施工組織設計及掛籃、模板有關數(shù)據(jù)。橋上主要施工機具設備的重量及其他施工荷載等。事前應認真收集、仔細調查。

　　對結構進行理論分析計算十分必要。測試應根據(jù)需要建立自己的計算系統(tǒng)。事先對觀測部位在各種工況下的應力狀態(tài)進行分析和計算，做到心中有數(shù)。

　　(2)應變計安裝要經歷混凝土澆注、振搗及混凝土硬化等過程。尤其是混凝土硬化是一個很復雜的變化過程，有水化熱溫升和自身體積的收縮。由于溫度場及于縮變化不均，往往造成殘余應力會影響應變計，造成讀數(shù)波動大也不穩(wěn)定。為了確定測點初始值，混凝土澆注后應當跟蹤觀測，以穩(wěn)定后的測值作為初始值。有些測點需較長時間才能穩(wěn)定，又要配合施工進行量測，對這部分測點，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有明顯不合理時，可以進行適當調整。

　　(3)大跨度橋梁施工過程中，不可避免會出現(xiàn)一些問題，有時會打亂正常施工順序，施工荷載也會變化，測試時應注意變化，并作好記錄。不少變化將直接影響測試結果。

　　另外測試中發(fā)現(xiàn)個別測點異常，應及時檢查，發(fā)現(xiàn)干擾盡快排除。根據(jù)經驗，當測點附近停放施工機具材料或因上面有積水，也會給測試結果帶來影響。

　　(4)對能反映結構工作特性應力比較集中的測試部位，應適當多設元件，以防安裝或測試過程中造成損壞而測不到關鍵數(shù)據(jù)，還可以采用不同的手段或其他類型元件，同時進行測試。

　　(5)由于混凝土性質有變易性，在施工應力測試中，應根據(jù)工地實際情況，做一些有關混凝土性質的試驗和觀測，如混凝土彈性模量、于縮量，如有條件還可進行其他方面觀測，利用這些數(shù)據(jù)對測試資料進行分析，可能減少一部分誤差。

　　(6)觀測資料除及時整理交委托單位外，還要進行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)不正?；蜻^大偏差時，找出原因，盡早地進行修正。從以往觀測資料看，實測與理論計算總有差距。測試數(shù)據(jù)與計算值存在偏差是正常的，施工中懸澆塊件超重，施工荷載變化，徐變造成的誤差及測試元件和儀器的誤差，都會給測值帶來偏差。

　　(7)正因為施工應力測試工作難度比較大，所以要組織有一定經驗人員長駐現(xiàn)場，除認真細致進行測試工作外，還要不斷分析研究，探討提高測試精度。從以前測試情況看，參與測試的工作人員的責任心和工作態(tài)度是測試能否取得可靠數(shù)據(jù)的關鍵。

　　五、結語

　　綜上所述，對大跨度預應力混凝土橋梁施工應力監(jiān)測，至今仍有不少問題沒有更好的解求方法。在科學的方法沒有建立之前，經驗的積累十分重要。當前由于工程發(fā)展需要，正推動這項測試工作不斷開展，在這大好的時機中，只要堅持不斷地實踐，不斷地分析總結，不斷地試驗探索，必將使混凝土橋梁施工應力測試工作更快地走向完善。