鋼混組合梁施工階段應變測試與分析

樓金其

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

鋼混組合梁施工階段應變測試與分析

樓金其

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

結合上海至嘉興跨江公路通道1號橋工程，采用埋入式和表貼式應變傳感器，測試不同工況下典型截面的應變、撓度等相關參數，研究鋼混組合梁在施工階段變形規律。研究結果表明：不同的工況對截面的滑移量影響不同，收縮發展階段對截面滑移量的影響最大;不同工況下，混凝土橋面板縱向應變和橫向應變均呈拉壓交變狀態;同一種工況下，不同的測點的縱向應變變化不大，而橫向應變卻有較大的變化;鋼翼緣各測點縱向應變在不同的工況影響下均呈壓應變狀態，而鋼板底各測點縱向應變呈拉應變狀態;在混凝土板澆筑后35～40 h開始，截面收縮引起的應力相關應變迅速增加，該結論可為混凝土澆筑后的養護提供依據。

橋梁工程 鋼混組合梁 傳感器 應變測試

鋼混組合連續箱梁是一種新型橋梁結構體系。與鋼箱梁相比，降低了材料和加工成本，特別是用箱梁的混凝土頂板直接作為橋面板，避開了使用鋼橋面板時鋪裝容易受損的技術難題。與混凝土箱梁相比，降低了自重，同時，減輕了在鋼腹板與橋面板接合部位由溫差、徐變等引起的變形。

在鋼混組合結構越來越多的出現在橋梁中時，施工中的變形控制成為目前研究的熱點。不少國家和地區都投入大量的資金修建試驗橋研究鋼混組合梁在施工階段的受力變形，并取得了一定的研究成果。相對而言，我國在這方面研究則略顯不足，雖然已經開展了相關的試驗研究，但是試驗結果離散性嚴重。究其原因，主要是源于結構施工、材料性質以及外界環境變化的影響。

為了深入了解鋼混組合梁在施工階段變形規律及響應特征，通過在試驗橋中埋設傳感器，采用配套的數據采集系統，研究不同截面在不同工況下的應變規律，為今后此類橋梁的施工積累寶貴的資料和經驗。

1 施工階段變形測試

1.1 試驗橋概況

上海至嘉興跨江公路通道工程1號橋為雙箱單室等截面鋼—混凝土凝土組合彎箱梁橋，箱梁高為1.95 m，混凝土頂板寬12 m(包括欄桿等附屬設施)，混凝土頂板厚度約為22 cm。橋梁鋼結構部分橫截面分為內外兩幅，內幅鋼箱梁的跨徑布置為44.843 m+34.137 m。外幅鋼箱梁的跨徑布置為37.813 m+41.167 m，每幅的底板寬度為3 m。鋼箱梁上翼緣板和混凝土頂板之間采用焊釘連接件的方式結合。跨中標準截面如圖1所示。

圖1 跨中標準箱梁橫截面(單位：mm)

1.2 試驗設備

試驗中采用JMZX-215AT埋入式和JMZX-212AT表貼式應變計，數據采集系統采用JMZX-300X，如圖2～圖4所示。其中混凝土橋面板的應變測試采用JMZX-215AT埋入式傳感器，并在混凝土澆筑前布置混凝土測點。鋼結構應變測試采用JMZX-212AT表貼式應變計，在鋼結構加工完成時焊接在鋼梁測點。

圖2 JM ZX-215AT埋入式

圖3 JM ZX-212AT表貼式

圖4 JM ZX-300X數據采集系統

1.3 傳感器布設方案

如圖5所示，分別在鋼混組合梁的4個測試截面埋設傳感器：左跨梁端截面、左跨跨中截面、外幅中支點截面和內幅中支點截面。考慮到橋梁和路面接觸部位易產生滑移，分別在梁端(1-1截面)左右兩幅梁外側翼緣位置布置4個測點，如圖6所示，左右側混凝土測點分別埋入傳感器H1、H2，左右側鋼梁測點分別焊接傳感器 S1、S2。

圖5 測試截面平面布置

圖6 邊支點截面1-1測點布置

截面2-2上傳感器的布置如圖7所示。在混凝土橋面板上分別沿車輪行駛方向和垂直于車輪行駛方向布設縱橫向傳感器，以檢測縱向彎拉應變和橫向彎拉應變。在跨中截面和內幅中支點截面的混凝土橋面板上布設17個縱向傳感器(C1-C17)，間距為750 mm，外幅中支點截面的混凝土橋面板上布設9個縱向傳感器(C1-C9)，間距為1 500 mm;各截面混凝土橋面板布設7個橫向傳感器，上層鋼筋處布置4個，下層鋼筋處布置3個，間距為3 000 mm。

在鋼梁的翼緣和底板分別焊接8個縱向傳感器(S1-S8)和12個縱向傳感器(S9-S20)以測試縱橋向應變。底板的12個傳感器間距為600 mm。選取截面3-3和截面4-4測試混凝土的收縮對橋面板的影響。為了清晰明了和更具說明性，每個截面僅布設3個具有代表性的測點，傳感器間距為1 500 mm。

圖7 跨中截面2-2測點布置(單位：mm)

傳感器的安裝埋設如圖8～圖10所示。鋼結構應變測試采用的表貼式應變計由安裝座、應變計、鋼保護罩組成。先將測點處鋼板打磨光滑，然后將安裝座焊接在鋼結構上，再用螺栓將應變計安裝在安裝座上，即可進行長期監測和自動化測試;外部還焊接鋼保護罩，以此防止鋼箱梁后期涂裝與施工對應變計的影響。混凝土應變計采用扎帶綁扎在鋼筋上，再埋入混凝土中。安裝好應變計后，即可采用數據采集儀對測點應變值與溫度進行采集。

圖8 鋼結構應變計布置

圖9 混凝土應變計安裝

圖10 應變傳感器的現場測試

2 測試結果及分析

2.1 梁端1-1截面滑移量

按照前述傳感器的埋設方案，分別測試8種工況下鋼混組合梁不同位置的應變量：①第一種工況為無應力狀態;②第二種工況為鋼梁吊裝連續;③第三種工況為模板鋼筋;④第四種工況為一期混凝土施工;⑤第五種工況為收縮發展;⑥第六種工況為二期混凝土施工;⑦第七種工況為拆除臨時扁擔梁;⑧第八種工況為頂升。

混凝土內滑移測點的鋼弦計都是采用一端與鋼梁焊接，一端自由的方式;同位置的鋼梁翼緣下也布置一應變計，其兩頭均與鋼梁焊接;通過混凝土內滑移計讀數減去鋼梁下滑移計讀數，可得到梁端鋼梁與混凝土板的相對滑移量對應應變，再用該應變乘以應變計桿長(150 mm)，即可得到梁端鋼梁與混凝土板的相對滑移量。各工況的測試結果如圖11所示。

圖11 梁端1-1截面滑移量

由圖11可知：左側和右側截面的滑移量在工況①～工況④下變化很小，最大不超過0.005 mm。工況④以后，滑移量逐漸增大，右邊測點滑移量的變化趨勢更大，平均為左端測點滑移量的1.7倍，在工況⑦即拆除臨時扁擔梁時，右端測點的滑移量最大，約為0.031 mm。因此，在進行施工進行過程中，應著重控制收縮發展、二期混凝土、拆除臨時扁擔梁、頂升等階段的位移量，保證施工的安全。

2.2 跨中2-2截面測點應變

2.2.1 混凝土橋面板的測試結果

測試混凝土橋面板各測點在不同工況下的應變，結果如圖12和圖13所示，正值為受拉，負值為受壓。混凝土板縱橋向各測點應變取3種工況，即：①第一種工況，二期混凝土澆筑后;②第二種工況，鋼吊梁拆除后;③第三種工況，邊支點頂升后。混凝土板橫橋向各測點應變取3種工況，即：①第一種工況，二期混凝土澆筑后;②第二種工況，部分拆模、澆筑人孔混凝土后③第三種工況，邊支點頂升后。

圖12 混凝土板縱橋向各測點應變

圖13 混凝土板橫橋向各測點應變

從圖12可知：

1)混凝土板縱橋向彎拉應變隨不同的工況差異較大，隨著施工的進行，橋面板縱應變從拉應變狀態逐漸向壓應變轉變。在二期混凝土澆筑后及鋼吊梁拆除后，主要表現為拉應變，引起拉應變的主要原因是澆筑前期與澆筑后這段時間里混凝土收縮、溫度變化及鋼吊梁拆除后，組合梁卸載反拱引起。在邊支點頂升后主要表現為壓應變，可見邊支點頂升可對跨中混凝土沿縱橋向產生預壓力作用。

2)從數值上講，最大拉應變出現在二期混凝土澆筑后的C12位置，而在鋼吊梁拆除及邊支點頂升后，不同位置混凝土板縱橋向應變差異不大。

從圖13可知：

1)隨著工況的進行，橋面板橫向應變呈現拉壓交變的狀態。二期混凝土澆筑及部分拆模、澆筑人孔混凝土后，混凝土板大部分位置橫向應變均為壓應變，而邊支點頂升后，除C23外，測點均呈現拉應變狀態，可見邊支點頂升可引起跨中混凝土橫向受拉。

2)二期混凝土澆筑后，測點橫向應變對于橋面中心線對稱，橋面板上層鋼筋處測點壓應變較小，下層較大，跨中下層鋼筋處壓應變最大，為80微應變;部分拆模、澆筑人孔混凝土后，測點應變分布規律同二期混凝土澆筑后相反，橋面板上層鋼筋處測點壓應變較大，下層較小，最大拉應變為60微應變。

2.2.2 鋼梁的測試結果

測試鋼翼緣和鋼板底不同工況下各測點的應變，結果如圖14和圖15所示。其中，橫坐標表示對應的測試工況，①第一種工況：無應力狀態;②第二種工況：鋼梁吊裝連續;③第三種工況：模板鋼筋;④第四種工況：一期混凝土;⑤第五種工況：收縮發展;⑥第六種工況：二期混凝土;⑦第七種工況：拆除臨時扁擔梁;⑧第八種工況：頂升。縱坐標表示微應變，正值為受拉，負值為受壓。

此外，在測試的過程中，只有 S15、S16、S17、S19、S20這5個位置的傳感器正常工作，因此，圖15僅給出了這5個點的數據。

從圖14和圖15可知：

圖14 鋼翼緣各測點縱向應變

圖15 鋼板底各測點縱向應變

1)除去個別點由于施工干擾等因素引起的測試數據異常外，鋼梁上翼緣各測點應變變化較為一致，均呈現壓應變狀態。隨著施工的進行，工況6即二期混凝土的施工對測點的縱向壓應變有較大的影響，其中測點S4的縱向壓應變最大，在二期混凝土施工后，其最大壓應變可達170微應變。因此在施工的過程中應著重控制鋼翼緣測點S4的變形。

2)與鋼翼緣各測點受力不同，鋼板底各測點均呈現拉應變狀態。測點在不同的工況下，縱向應變變化趨勢較為一致，在工況8即頂升時，各測點的縱向壓應變最大;對于同一工況下的不同測點，應變值相差較大，這和橋體的斜彎性與底板加勁的布置有一定關系。其中，測點S19的最大拉應變可達250微應變。

2.3 混凝土收縮對橋面板影響

實際施工中，混凝土澆筑后的養護期內，除了發生微量的水化反應引起的化學收縮。由于現場養護條件的限制，仍然會發生相對于化學收縮而言更為明顯的干燥收縮。干燥收縮是引起混凝土板早期開裂最主要的因素之一。

本次對本工程中支點混凝土板澆筑后211 h的收縮應變情況進行了測量。將211 h分為12個階段：①二期混凝土澆筑完成;②澆筑后4 h;③澆筑后9 h;④澆筑后14 h;⑤澆筑后16 h;⑥澆筑后21 h;⑦澆筑后24 h;⑧澆筑后28 h;⑨澆筑后34 h;⑩澆筑后40 h;○11澆筑后43 h;○12澆筑后211 h。取澆筑完成時的測試值為基準值0，其余值均在此基礎上變化。測試結果如圖16～圖19所示。

圖16 中支點3-3截面溫度

1)不同的工況對截面的滑移量影響不同，收縮發展階段對截面滑移量的影響最大，滑移量增加了0.025 mm，拆除臨時扁擔梁時滑移量最大，約為0.031 mm，因此，在施工的過程中應著重對收縮發展階段的位移進行控制，保證施工安全。

2)不同的工況下，混凝土橋面板縱向應變和橫向應變均呈拉壓交變狀態;同一種工況下，不同測點的縱向應變變化不大，而橫向應變卻有較大的變化。

3)鋼翼緣各測點縱向應變在不同的工況影響下均呈壓應變狀態，而鋼板底各測點縱向應變呈拉應變狀態。對于同一工況下的不同測點，應變值相差較大，這主要和橋體的斜彎性與底板加勁的布置有一定關系。其中，測點S4和S19的壓應變和拉應變最大，分別達到170微應變和250微應變。因此，施工時應注意控制其應變。

4)在混凝土板澆筑后40 h開始，3-3截面收縮引起的應力相關應變迅速增加，而4-4截面則在澆筑后34 h后應變持續增大。該結論可為混凝土澆筑后的養護提供依據。

圖17 中支點4-4截面溫度

圖18 中支點3-3截面收縮應變

圖19 中支點4-4截面收縮應變

圖16和圖17為3-3截面及4-4截面各測點隨時間變化的溫度曲線。可以看出，在進行應變測試的過程中，各測點的溫度變化在10℃以內，溫差較小，因此，可以認為所測得的應變為混凝土收縮產生的應力相關應變。

從圖18和圖19可以看出，混凝土收縮在不同的測點產生的應變隨著時間的增加變化趨勢較為一致。混凝土3-3截面測點在澆筑后到40 h期間內，收縮引起的應力相關應變一直在0～20微應變范圍內波動，40 h后，應變迅速增加，到211 h時應變增加到130的收縮微應變。而混凝土4-4截面測點在34 h后應變持續增大，到211 h時收縮微應變為90。

3 結語

［1］聶建國，樊健生，王挺．鋼—壓型鋼板混凝土組合梁裂縫的試驗研究［J］．土木工程學報，2002(1)：15-20．

［2］馬少杰，史志強，白玲．連續組合梁橋負彎矩區混凝土板開裂機理的研究［J］．橋梁建設，2003(4)：15-18．

［3］侯文崎，葉梅新．連續結合梁橋負彎矩區混凝土板裂縫寬度控制方法研究［J］．鐵道學報，2003，25(1)：109-112．

［4］王國杰，鄭建嵐．混凝土結構早齡期應力相關應變現場監測與分析［J］．工程力學，2009，26(9)：61-66．

［5］劉文會，常大寶．組合梁混凝土板抗裂性能試驗研究［J］．吉林建筑工程學院學報，2008，25(3)：1-3．

［6］亓路寬，潘桂清，王海濤．預應力鋼一混凝土連續疊合梁負彎矩區裂縫試驗研究［J］．公路，2008(12)：94-98．

［7］周安，戴航，劉其偉．體內預應力鋼纖維混凝土—鋼組合梁負彎矩區抗裂及裂縫寬度試驗研究［J］．建筑結構學報，2007，28(3)：82-90．

［8］白玲，史志強，史永吉．剪力鍵布置方式對連續組合梁橋受力特性的影響［J］．中國鐵道科學，2003，24(2)：67-71．

［9］秦瑞耀，張晟，朱曉強．鐵路新型80 m鋼—混凝土組合桁梁橋施工技術［J］．鐵道建筑，2012(8)：8-10．

U445．47+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．02

1003-1995(2013)05-0005-05

2013-01-05;

2013-02-20

樓金其(1962— )，男，浙江東陽人，高級工程師，碩士。

(責任審編 王 紅)