混凝土橋梁振弦傳感器應力測試溫度影響性分析

陳 雷

（中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司 武漢 430034）

大跨度混凝土橋梁施工及成橋運營過程中，應力測試是評價橋梁狀態的重要指標［1－2］，且結構的受力狀態需結合理論計算及控制斷面的測量值進行綜合評估。由于應力傳感器和混凝土材料膨脹系數的差異，結構自由狀態下，溫度變化也將引起其內部應變計讀數變化，致使結構應變測試值與實際值偏差較大，必須采用一定的方法對振弦式傳感器所測應變進行修正，以反映混凝土結構實際應變［3－4］。

1 振弦傳感器溫度－應變試驗方案

本次試驗分別對埋入混凝土試件、靜定橋梁結構中及自由狀態下的傳感器進行溫度、應變長期測試，并綜合考慮混凝土收縮的影響。

（1）選擇6組應力傳感器作為測試對象，將其放入無日照的環境中，研究環境溫度變化下傳感器鋼弦與應變筒變形協調關系，得出其測試應變與溫度的關系。為保證溫度與應變的同步性，應力傳感器選擇集溫度、應變一體的元件。

（2）選擇6組埋入應力傳感器的混凝土試件（尺寸為：100mm×100mm×300mm）作為測試對象，將其放入無日照的環境中，研究環境溫度變化下測試應變與溫度的關系。

（3）選擇埋入4組應力傳感器懸臂靜定橋梁結構作為測試對象，在無日照條件下采集應力，測試開始時結構齡期為150d，研究環境溫度變化下測試應變與溫度的關系，靜定橋梁結構應力測點布置見圖1。

圖1 靜定橋梁結構應力測點布置（單位：cm）

試驗測試周期284d，每天測試3次，即每次測試代表0.3d，以確定其相應的溫度與應變關系。

2 溫度－應變試驗研究及結果分析

2.1 自由狀態下的傳感器溫度－應變關系

試驗結果以第一次采集應變為零值。6組傳感器溫度與應變的平均值曲線見圖2。溫度影響系數以每次測試應變與溫度差值的比值表示，計算公式為

圖2 各組傳感器溫度與應變的平均值曲線

6組傳感器影響系數平均值曲線見圖3。

圖3 各組傳感器影響系數平均值曲線

由測試結果可知，全年溫度變化范圍3.7～36.7℃，實測應變變化范圍為（－8～0）×10－6，溫度影響系數為（－0.25～－0.45）×10－6／℃；全年各組傳感器均較為穩定，未出現較大波動，壓應變增量與溫度變化成反比，全年溫度影響系數平均值較小，為－0.3×10－6／℃，傳感器鋼弦與應變筒變形協調關系較好。

2.2 埋入混凝土試件中的傳感器溫度－應變關系

2.2.1 研究方法

（1）為減少混凝土收縮應變的影響，根據混凝土收縮應變前期發展較快、后期較為緩慢的特點，將試件放置一段時間，待收縮應變完成大部分后，開始溫度、應變測試。本次試驗開始時，試件齡期為60d。

（2）為合理確定傳感器溫度－應變的起始點，測試周期以測試結束與開始測試時環境溫度可基本回歸為原則進行確定，并繪制相同溫度、不同齡期下的測試應變曲線，以確定收縮應變基本完成的時間。

（3）以收縮應變基本完成時的測試結果作為試驗研究的零點，后續測試與零點的應變差、溫度差的比值確定為溫度－應變影響系數。

2.2.2 混凝土收縮應變及測試周期確定

6組試件中傳感器測試溫度與應變的平均值曲線見圖4；6～10℃的不同齡期下試件傳感器測試應變曲線見圖5。

圖4 各組測試溫度與應變的平均值曲線

由圖4可見，測試開始溫度為6～7℃，測試第852次時溫度基本回歸，即測試周期確定為284d。

圖5 溫度基本相同、不同齡期的應變曲線

由圖5可見，溫度基本相同（相差1℃范圍內）情況下，測試開始時測試應變增加較快，第100次后逐漸收斂，變化值較小。因此，以此時傳感器的測試溫度、應變作為零值，研究其溫度－應變關系較為適宜。

2.2.3 溫度－應變規律及影響系數

根據2.2.2研究成果，第100次的測試結果可作為基準值，并采用后續測試結果與基準值間的應變差與溫度差的比值表示溫度影響系數，即溫度影響系數k溫n＝（εn－ε100）／ （tn－t100），以6組埋入試件的傳感器的k溫n平均值及擬合曲線見圖6。

圖6 溫度－應變關系及擬合曲線

由圖4可見，經過284d不同溫度、不同試件齡期溫度、應變測試，測試應變變化均與溫度變化相反，即溫度升高，壓應變增加；測試初期，受混凝土收縮應變影響，溫度與應變兩者之間反對稱性較不規律，測試至第100次后，溫度與應變兩者反對稱性較好，變化呈現一定的規律性，可進行溫度－應變關系研究。

由圖6可見，埋入試件中的傳感器所測應變變化與溫度變化基本成正比，比值為－4.3×10－6／℃。

2.3 埋入懸臂靜定橋梁結構中的傳感器溫度－應變關系

選擇4組應力傳感器埋入懸臂靜定橋梁結構中進行溫度－應變試驗，研究方法與2.2節相同。根據橋梁施工進度，測試時橋梁施工階段為主跨合龍前最大懸臂狀態，需靜置約3個月，測點埋設斷面混凝土齡期已至150d，收縮應變基本完成，測試時間為2013年3月～4月，周期為60d，每2 d測試1次，4組傳感器所采集的溫度與應變平均值見圖7，溫度影響系數k溫n見圖8。

圖7 不同齡期下測試所得溫度與應變

圖8 溫度影響性系數及擬合曲線

由圖7、圖8可見，埋入懸臂靜定橋梁結構中傳感器溫度及應變變化趨勢基本與2.2相同，埋入試件中的傳感器所測應變變化與溫度變化基本成正比，比值為－4.45×10－6／℃，與上節研究成果基本一致，可作為實橋溫度－應變修正系數。

3 結語

混凝土橋梁施工過程及運營階段應變測試值受混凝土收縮徐變、不均勻溫度場效應、環境溫度等因素影響較大，其中前兩者影響量修正難度較大，一般通過無日照、增量測試法減弱兩者影響，而后者只能通過溫度影響系數進行修正。

本文通過長期對埋入混凝土試件、靜定橋梁結構中及自由狀態下的傳感器溫度、應變測試，確定了試驗所用傳感器的穩定性，給出溫度對測試應變的影響系數，相互驗證，試驗所得成果可應用于實橋測試應力修正。

［1］ 胡志鵬.曲線鋼－混凝土結合梁橋的溫度應力［J］.交通科技，2014（3）：14－17.

［2］ 代遲書.連續剛構橋承臺水化熱現場監測與溫度控制［J］.交通科技，2013（3）：50－53.

［3］ 王子芳.大體積混凝土施工中的溫度控制［J］.交通科技，2012（S1）：32－33.

［4］ 向木生，田曉彬，徐 華，等.預應力混凝土梁橋應力測試技術［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2001（3）：266－269.