连续刚构桥应力测试研究

摘要:根据连续刚构桥结构及施工特点,介绍了主梁应力应变的测试技术和方法,分析了应力测试的诸多影响因素,提出了应力测试的误差分析方法及结构实际应力的计算方法,为连续刚构桥的安全施工提供了技术依据。

Abstract:According to the structure of continuous rigid frame bridge and the constructer characteristics,the test technology of Stress Tests and methods are introduced. The influence factors of stress tests are analyzed with the erroranalysis methods and calculation methods of structural actual stress which provide the technology basis for the steel structure safety construction.

关键词:桥梁工程;连续刚构桥;施工控制;应力测试

Key words:bridge construction; continuous rigid frame bridge; construction control; stress test

中图分类号:U44 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)03-0239-02

0引言

混凝土应力测试是比较复杂的技术,振弦式应变计被越来越广泛地应用于混凝土的应力测试[1]。由于混凝土温度、收缩徐变以及其它因素的影响,应变计所测量的应变与混凝土实际应变之间存在误差,必须采取合适的方法对测试值进行分析处理,才能比较准确的得到混凝土的应力实际值。

本文介绍了连续刚构桥主梁应力测试方法,提出了相应的误差处理方法,并且应用于实际的工程监测之中,为桥梁施工控制、运营监测以及加固维修提供技术依据。

1主梁应力测试

1.1 混凝土应变测量

对于连续刚构结构,在混凝土悬浇施工过程中,主梁应力测试控制截面一般选择在悬臂根部、L/4和合拢段等处,其中L表示桥梁主跨。根据主梁受力情况,可知主梁的纵向应力最重要,因此在主梁钢筋绑扎完成、混凝土浇筑前,应将测试元件沿桥梁纵向布置,并用铁丝或胶带绑扎在主梁上、下缘纵向钢筋上。

主梁在悬浇过程中,按照:

①挂篮前移、立模;

②混凝土浇筑、凝固;

③预应力钢绞线张拉,这三个工况进行循环推进,那么,应变测量也应该以上述三个工况划分,同时考虑特殊工况。

1.2 混凝土弹性模量测量

在实际应力测试工作中,混凝土弹性模量必须进行现场试验测量,具体测量方法为:按现场配比做3个10cm×10cm×30cm的棱柱体试件,用立方体强度换算得出混凝土的柱体强度fc,在柱体的4个侧面中心粘贴4只钢弦应变计,将柱体放在压力机上,对中放置,保证中心受压。取压力上限为N=0.5fcA进行加载,然后卸载至零,重复5～10次,直到混凝土的实测残余变形接近于零,然后分5级加载至N,并测试混凝土压应变,将4个测点值进行平均,绘出压应力与实测应变平均值的关系线,其斜率即作为弹性模量的取值。

2 主梁测试应力分析

根据CEB-FIP(1990)标准规范,在时刻τ承受单轴向、不变应力为σ(τ)的混凝土构件,在时刻t测量的总应变ε(t)可分解为:

ε(t)=εi(τ)+εc(t)+εs(t)+εT(t)+εm

式中:

εi(τ)―加载时的初应变;

εc(t)―时刻t>τ时的徐变应变;

εs(t)―收缩应变;

εT(t)―温度应变;

εm―测量系统应变误差。

2.1 应力测试的影响因素

(1)钢弦的质量。

(2)钢弦应变计安装。

(3)钢弦应变计调零。

对于钢弦应变计的影响,可以采取以下措施减少或者消除:

(1)选择合格产品,保证元件质量。

(2)对于应变计上下位置引起的差异,可以通过调整计算模型给以修正;而应变计方位带来的随机偏差是不确定的,不过其量值相对较小,可以不予考虑。

(3)对于钢弦应变计初读数,一般在混凝土初凝后2h进行比较合适。

2.2 应力测试的误差分析

梁体温度应变:

假设主梁截面没有因平截面假定而导致温度约束变形,如果应变计埋入混凝土时的温度为t0,测读时的温度为t,那么应变计温度应变为:

εt1=(ac-ag)(t-t0)

式中,ac和ag分别为混凝土和钢弦应变计的线膨胀系数,并假设应变拉为正,压为负。

由于自约束应变其就为温度自由应变与平面变形后所保留的应变差成正比,则在无外荷载情况下,箱梁的局部温差应变εt2为:

εt2=aT0[+(n-y)-e-ay]

式中:T0•e-ay―沿箱梁梁高方向的温差分布曲线,其中T0为实测箱梁顶、底板温差(℃),y为计算点至箱梁顶板表面的距离(m),a为指数系数,具体计算方法参考文献[3]。

n―截面重心距梁顶面距离(m);

F―截面积(m2);

I―截面重心轴惯性矩(m4);

η1、η2―计算系数,具体计算方法可参考文献[3]。

应变计埋入混凝土后,应变计与混凝土变形协调、应变相同。根据前面分析,从应变计读数应变中需消除的温度应变误差分为两部分:

①应变计温度变形而导致的读数误差εt1;

②根据平截面假定而产生的约束应变εt2,那么可知应变计温度应变修正值为:

εt=εt1+εt2

混凝土收缩开始时的龄期ts天至龄期t天时的收缩应变εs为:

εs=εcso•βs(t-ts)

βs(t-ts)=0.5

式中:

εcso―混凝土名义收缩系数;

βs(t-ts)―收缩应变随时间发展的系数;

h―构件理论厚度(mm),h=2A/u,A为构件截面面积,u为构件与大气接触的周边长度;

RH―环境年平均相对湿度(%);

h0―100mm;

t1―1d。

根据CEB-FIP(1990)标准规范的定义,在时刻τ开始作用于混凝土的单轴向常应力σ(τ)到时刻t所产生的徐变应变为:

εc(t,τ)=(t,τ)•

式中:

E(28)―混凝土28天时的弹性模量;

(t,τ)―徐变系数,具体计算见参考文献[4]。

对于在时刻τ0施加初应力σ(τ0)后,又在不同的时刻τi分阶段施加应力增量Δσ(τi)的混凝土在以后任意时刻t的徐变应变为:

εc(t,τ)=(t,τ0)•+(t,τi)•

根据以上分析,可知主梁测试点处监测实际应力σ为:

σ=Ec(εd-εt-εs-εc-εm)

式中:

Ec―混凝土实测弹性模量,在计算时取其相应龄期的测试值;

εd―测试点处应变计读数应变;

εt―测试点处温度引起的应变误差值;

εs―测试点处混凝土收缩引起的应变误差值;

εc―测试点处混凝土徐变引起的应变误差值;

εm―测量系统应变误差值,其可以通过采取一些测试措施给以消除或者减小。

3工程实例

某预应力混凝土连续刚构桥,孔径布置为50m+80m+50m,主梁采用挂篮悬臂浇筑对称施工。主梁悬浇施工中对控制截面各工况下的应变进行测量,并应用本文所提出的测试及误差分析方法对测量数据进行分析,进行主梁监测实际应力计算。

通过对左幅中跨2#梁段根部测试截面在各工况下应力测试值的误差分析,并与理论计算应力值进行比较,得出了测试值与理论计算值的变化曲线。

由变化曲线不难看出:

①3#、4#墩T构各梁段施工阶段,主梁悬臂根部测试截面混凝土实测应力变化规律总体上与理论计算结果基本一致,但有一定数量的偏差。经过分析,可以判断计算分析结果和实测数据之间存在的偏差原因是设计参数的选取、桥面施工机械自重、施工工况的确定等各种复杂因素导致;

②主梁应力实测值与理论计算值的误差较小,说明了本文所采用的计算程序、计算模型以及应力误差分析方法是正确性,计算结果是可靠的。

③3#、4#墩T构施工阶段,主梁悬臂根部测试截面混凝土实测最大拉、压应力均未超过规范容许值,本桥主梁在悬臂施工过程中是安全的。

4结语

连续刚构桥施工中主梁应力监测是施工监控的主要内容之一,是对桥梁的实际受力状态进行评判和确保施工安全顺利的主要依据。在采用振弦式应变计测量应变时,要合理确定测点位置以及测试时间,对于测试数据必须采用正确的方法进行误差分析,剔除测试中主要影响因素产生的误差,使测量应力较客观的反映结构应力的真实状态,该项工作还需深入探索和研究。

参考文献:

[1]陈常松,颜东煌,陈政清,等.混凝土振弦式应变计测试技术研究[J].中国公路学报,2004,17(1):29-33.

[2]杨雅勋.PC连续刚构桥施工控制技术研究与应用[D].西安:长安大学,2005.

[3]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京:人民交通出版社,1991.

[4]JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5]周履,陈永春.收缩徐变[M].北京:中国铁道出版社,1994.

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