橋梁施工中應力監控實測數值修正

摘要：本文以某跨河大橋為工程實例，通過在橋梁的懸臂根部、中跨、1/4跨分別埋設傳感器采集數據，討論橋梁工程在施工過程中收縮徐變對橋梁應力監控的影響以及對收縮徐變應變的剔除方法。得到結論在應力監控中混凝土收縮徐變對混凝土實際應力的測量有著明顯的影響，占整體誤差的百分之五十左右。本文所提到的剔除混凝土的收縮徐變應變方法具有一定的可行性。

關鍵詞：應力監控;收縮徐變;橋梁工程

中圖分類號：U446.1文獻識別碼：J

在橋梁的施工監控中，根據國家相關規范大跨徑的橋梁必須進行應力監控以監測橋梁在施工過程中的應力情況，預防橋梁在施工過程中發生安全和質量事故，為安全施工提供有力保障。具體原理為采集懸臂梁在施工過程中的彈性變形，通過混凝土應力與應變之間的關系計算應力。但在實際應力監控的過程中由于混凝土同時會產生收縮徐變、熱脹冷縮等非應力應變，這會導致實測的混凝土應變值與理論應變值存在一定誤差。為準確反映懸臂梁內部的應力情況，需要對非應力應變進行剔除，本文針對收縮徐變應變的剔除方法進行討論。

1.應力監控基本原理

應力監控目的是為了監控橋梁在施工過程中混凝土內部的應力狀態，防止因應力過大產生裂縫而降低梁體的剛度和耐久性，引起梁體的局部破壞，進而引起橋梁坊塌事故的發生。

應力監控的具體方法為：在橋梁施工過程中，提前設計好應力監控控制截面的位置，在綁扎鋼筋階段將鋼弦式應變計綁在已經綁扎好的鋼筋上，在澆筑混凝土后，鋼弦式應變計就埋入混凝土中，和混凝土共同變形。因而可以采集到混凝土的應變數據。

根據混凝土的應力應變關系可以計算出其內部的應力大小。混凝土的應力應變關系可以表達為：

（1-1）

其中 是混凝土的應力， 是混凝土的彈性應變， 為混凝土的彈性模量。

在實際工程中我們用應變計測得的應變 為多個應變的總和。除因應力產生的彈性應變外還包括長期荷載作用下的混凝土的徐變應變 、由不均勻溫度場產生的溫度應力導致的應變 、由于天氣氣溫變化而產生的應變（即熱脹冷縮） 、由濕度引起的體積變化產生的應變 ?？捎上率奖硎荆?/p>

（1-2）

在懸臂梁橋的施工階段，由于沒有中跨合攏，整個結構體系為靜定體系。此時，除彈性應變外其他應變因為不受到周圍混凝土的約束和邊界條件的約束，因此不會引起混凝土產生應力，稱為非應力應變。在工程中為了從實測應變中得到混凝土的彈性應變，必須對非應力應變進行補償，將非應力應變剔除。

收縮徐變應變是非應力應變的一種，為在荷載的長期作用下，混凝土的變形隨時間而增加，此時混凝土內部的應力不產生變化，但隨著時間的增加收縮徐變應變也會持續增大。

2.收縮徐變應變剔除方法

如圖2-1，根據壓應力與混凝土徐變的關系可知，當壓應力 時，徐變和壓應力之間大致成正比的關系，同一時刻不同應力下各個曲線的徐變應變差值大致相同，為線性徐變。圖中縱軸表示徐變應變，橫軸表示時間。

目前，國內的混凝土梁橋在施工過程中，壓應力的控制指標一般為0.5倍的抗壓強度，這時的混凝土徐變為線性徐變，可按線性徐變理論進行計算。

單向受壓的混凝土從 時刻開始受到單位應力的作用，作用時間持續t后混凝土所產生形變的總應變可用下式表示：

（2-1）

式中表示混凝 土在 時刻的瞬時彈性模量， 表示混凝土的徐變系數。

當作用荷載是在混凝土的不同齡期分階段施加在混凝土上的離散荷載時，其在以后任意時刻的 的總應變可以表示為：

（2-2）

當作用荷載是隨時間連續變化的應力時，總應變可表達為：

（2-3）

在（2-1）、（2-2）式中， 為混凝土的初始應力， 為混凝土在 時刻的彈性模量， 為混凝土的收縮應變，可由下式計算：

（2-4）

式中 ， 分別為混凝土收縮和徐變的終極值，可由規范JTJ023查得。

3.工程應用

某在建混凝土連續梁橋上部結構為（39+70+39）m預應力混凝土連續箱梁，單箱單室截面組成，箱梁底寬5.0m，頂板全寬10.0m;下部結構中墩采用薄壁式墩，主梁過渡墩采用雙柱式墩。箱梁單箱單室截面在橫向方向坡度為：底板橫坡坡度為0%，頂板為2%的雙線橫坡，通過調整箱梁的頂板高度實現。箱梁的高度為：懸臂根部截面4.2m，跨中截面2.0m，梁高的變化符合二次拋物線。頂板厚度為0.28m，腹板厚0.45m～0.65 m，底板厚0.26～0.6m。橫隔板分別設在中支點、邊支點和中跨跨中處，厚度分別為2.2 m、1.2m和0.30m，均設置了人孔以便施工。

大橋主橋應力測量斷面布置見圖3-1所示。其中：1-1截面、12-12截面為邊跨合龍段中間位置;2-2截面、11-11截面為邊跨1/4L截面;3-3截面、4-4截面、9-9截面和10-10截面為懸臂根部1#梁段中間截面;5-5截面、8-8截面為中跨1/4L截面;6（7）-6（7）截面為中跨合龍段截面。

箱梁截面應力測點布置見圖3-2所示。

選取5-5截面頂板的P1、P2、P3點作為研究對象，研究在施工荷載作用下，實測混凝土應力與理論計算的混凝土應力之間的誤差分析，并觀察在剔除因混凝土收縮徐變產生的應變后的誤差。

施工荷載是不同時間施加在混凝土上的離散荷載，通過式（2-2）及C50混凝土的彈性模量時間函數進行計算，可得每一荷載工況下混凝土的收縮徐變應變及其產生的應力，將實測應變計算得到的實測應力值、扣除收縮徐變應變后的理論實際應力值和模型所得的理論應力值繪圖表示。

頂板P1點的實測數據經過處理后得：

頂板P2點的實測數據經過處理后得：

頂板P3點的實測數據經過處理后得：

考慮到混凝土的彈性模量是隨著混凝土齡期的增長而不斷增加的，因此在澆筑混凝土前期的荷載工況中，收縮徐變的影響較小，隨著齡期增長，后期荷載工況下的數據更能反映實際情況。

觀察以上數據可以發現，在澆筑混凝土初期，由于應力值較小，且混凝土彈性模量較小，收縮徐變對于應力監控的影響并不大。隨著施工階段的進行，混凝土內部應力和彈性模量不斷增長，混凝土收縮徐變對于應力監控的影響也越來越大，到最后中跨合攏時由收縮徐變所產生的虛假應力占整體誤差的一半左右。

4.結論

根據數據分析可知，在應力監控中混凝土收縮徐變對混凝土實際應力的測量有著明顯的影響，占整體誤差的百分之五十左右，在剔除因收縮徐變引起的應力后，混凝土應力的理論值更加接近實際值。

本文所提到的剔除混凝土的收縮徐變應變方法具有一定的可行性，可在工程當中進行應用。

另外，考慮到剪力滯效應的影響，混凝土的正應力在平面內分布不均勻，本文中的理論應力值是按初等梁理論計算所得，不能代表真實的混凝土應力理論值，但具有一定的參考價值。

應該注意到的是，在混凝土凝結硬化的過程中，混凝土的彈性模量是隨著時間的變化不斷增長的，因此，后期的荷載工況下計算數值更能反映實際情況。

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作者簡介：齊海鵬（1993-），男，漢族，陜西寶雞人，碩士，助教，主要研究方向：橋梁工程施工。

基金項目：陜西省教育廳科研計劃項目資助（項目編號：19JK0107）