预应力混凝土刚构桥主梁应力监控研究分析

摘要]分析了振弦式应变计测量误差的影响因素并提出减少误差的适用方法。运用桥梁结构分析程序MIDAS模拟实桥计算出理论应力,分析表明对实测值进行误差修正可以使理论计算值和实测值较好的吻合。

[关键词] 应力监控;误差分析；实测数据分析

中图分类号：TU37文献标识码： A

我国的公路桥梁施工监控工作始于上世纪90年代，距不完全统计，目前已经开展了上千座桥梁的施工监控，监控内容对于预应力混凝土刚构桥来说，一般是以主梁标高控制为主，应力控制为辅， 目前由于受应力测试手段的限制，目前的应力测试主要是间接测试，即通过传感器测试结构的应变，再反算结构的应力。实际测试结果中包含了一部分应力应变信息，主要为温度、混凝土收缩、徐变等影响。大量实桥现场测试结果表明，混凝土结构的应力测试值和理论计算值存在很大的差异，因此如何保证测试结果更准确的反应结构的真实受力是一个值得研究的问题。桥梁的应力监控是施工过程中的安全预报系统,它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重要依据。如果实测的应力超限施工应立即停止查找应力超限原因，应此如何准确的预报应力监控数据显的尤为重要。

1工程背景

某预应力混凝土连续刚构桥采用悬臂浇筑法施工，该大桥上部结构为50m+90m+50m预应力混凝土连续刚构。箱梁0号段长度为12m，每个主墩T构纵桥向划分为11个对称粱段。悬浇粱段数及粱段长度从根部至跨中分别为12m（0号块），4×3.0m，4×3.5m，3×4m，2m（合拢段），累积悬臂长度40m。

箱梁横截面为单箱室直腹板，箱梁顶板宽9.5m，底板宽5m，悬臂长2.25m，断面梁高：中间支点处5.3m，边跨直线段及主跨跨中处2.4m，其高跨比分别为1:16.98和1:37.5。梁高变化段梁底曲线采用1.5次抛物线。0号块底板厚度为80cm；各粱段底板厚度从悬臂根部至最大悬臂由55~28cm按1.5次抛物线变化，跨中及边跨合拢段底板厚为28cm。箱梁顶板厚度0号块为50cm，其余为26cm，箱梁顶面设2%双向横坡。

2传感器布置方法

连续刚构施工监控的截面应力观测主要包括施工状态和成桥状态下主梁的应力观测。观测主要内容是主梁部分结构外缘由压弯引起的法向应力。

应变测试可通过预先埋设在结构中的传感器并配合相应的测试仪表进行测试，常用的应变传感器有电阻式、振弦式、及光纤式传感器，后两种可以测试结构内的绝对应变，对于预应力混凝土类型的桥梁，采用埋入式振弦式应变传感器较为有效。振弦式应变计的工作原理为结构受力时引起钢弦拉伸或压缩,由此引起其自振频率的变化；通过测量钢弦的频率在反算结构的应变。

本桥控制截面主要是根据施工仿真分析选取施工过程中和成桥后主梁的最大正负弯矩截面、截面变化处，力求两岸的控制截面对称布置，以增加观测结果的可比性，便于分析。主梁在悬臂浇注过程中，按静定结构考虑控制截面，体系转换后按超静定结构考虑控制截面，最终主要选取0号块根部及合龙段作为控制截面。在这些断面内埋置传感元件,进行应力测试。

该桥测量工况主要为混凝土浇筑后的应变。全桥计算模型如图1所示，应变传感器埋设位置如图2所示：

图1全桥计算模型图

图2 传感器布置示意图

3应力测试的误差分析

混凝土结构内部在时刻t测得的总应变可用下式表示:

式中： 为纵向预应力张拉引起的应变； 为时刻t时的徐变引起的应变； 为收缩应变； 为温度应变；通过大量的实际测量结果表明，实际测量的应力通常和理论计算应力有较大的偏差，究其原因主要有以下几个方面：

3. 1应变计的安装误差

通常情况下由于应力测量一般是针对截面法向应力进行的，因此对于主梁均将传感器布置在靠近控制截面上下缘纵向钢筋上，埋设方向与截面法向一致。为了防止传感器在混凝土振捣时被损坏通常将顶板传感器绑扎在顶板纵向钢筋下侧，并且防止后期预应力张拉应力集中引起测量值失真，传感器埋设位置应尽量避开纵向、横向和竖向预应力筋等有应力集中的地方。如果埋设时传感器埋设位置不准确将使得测量值和计算值存在偏差。

3. 2计算取用参数差异

通常在设计验算时对于结构所受和挂篮等荷载和材料的弹性模量、容重等常数都是按照现行规范取值的，但由于实际接受所收荷载和所用材料的特性值与通常与设计值有差异，将导致计算和实测值的差异，应此对于监控计算时应尽量根据修建时桥梁实际的状态进行模型计算修正。

3. 3振弦应变计初试值选择不当

振弦应变计受温度影响较大，一般振弦 应力计生产厂家会给定传感器的温度修正方法，但实际测量中通常按照给定方法修正结果并不理想，由于振弦应变计是在混凝土中埋设的，传感器刚埋入时混凝土由于水化热反应温度变化较大，因此合理选择初读数时间较为重要，如果初读过早则混凝土凝结时的初应力不能完全消除，初读过晚，纵向预应力等外加荷载又施加在结构上。根据实践经验表明一般初读选择在预应力钢铰线张拉前较为适宜。

3. 4混凝土应变滞后效应

由于荷载的传递有滞后性，因此对于悬臂较长时，远离悬臂位置主梁根部的应变传感器如果应变测试偏早,将会导致测试应力值偏小,但如果应变测试偏晚又会受到后续工况的影响。因此,应力测试应尽量选择适当时间进行。

3. 5温度影响误差

由于材料的热胀冷缩性能，将使得传感器对温度变换比较敏感，温度变化时振弦应变计中的钢弦丝的自振频率将发生改变,这样将导致应力测试的误差。应此对于采用钢弦式应变计测得的应力必须进行温度修正以减小测量误差。

3. 6混凝土的徐变与收缩误差

影响施工应力测试的因素比较复杂，除外加荷载作用引起的应变外，还有与混凝土自身收缩徐变因素有关的应变。混凝土在无荷载条件下的收缩变形是由于所含水分蒸发及其它物理化学原因产生的干燥收缩和体积收缩。其主要与混凝土品质和构件所处的环境和混凝土持续荷载条件下的环境等有关。因此在实际工程应变测量中实测应变包含收缩和徐变引起的应变，应给予扣除[1]。

4监控应力结果分析

对于实测数据扣除温度等影响因素,得到应力监控的结果如图3~图6所示。

图3 1号墩边跨悬臂根部顶板应力曲线图

图4 1号墩中跨悬臂根部顶板应力曲线图

图5 1号墩边跨悬臂根部底板应力曲线图

图6 1号墩中跨悬臂根部底板应力曲线图

从图3~图5可以得出以下结论:

①预应力混凝土刚构桥在悬臂施工过程中控制截面实测应力变化规律与理论计算是一致的,但尽管对实测传感器进行各种参数修正但实测数据和理论计算数据仍存在偏差,导致计算结果和实测数据之间存在的偏差的主要原应为混凝土收缩徐变,桥面施工荷载等各种复杂因素导致,且理论计算模型和实际结构状态也不尽相同,另一方面,混凝土的弹性模量取值一般是通过试件测定的,与梁体的实际弹性模量有一定的偏差。因此在实际监控过程中，对于实际监控数据和计算数据应有一定的允许偏差值。

②混凝土主梁控制截面上对称的两个传感器测量值和变化规律基本一致，说明测量数据是比较可靠的。

③随着施工悬臂节段逐段纵向预应力的张拉，主梁上下缘压应力逐渐增大，实测混凝土内部最大压应力均未超出《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004，主梁处于良好工作状态。

5结论

①简要分析了影响测试误差的主要因素及减少误差的方法。

②实际应力测试数据中包含了一部分无应力应变信息，主要为温度、混凝土收缩、徐变等影响。通常混凝土结构的应力测试值和理论计算值存在较大的差异，因此应对测试结果做修正后才能较为真实的反映结构内部受力状态。

③由于实际测量中有些难以考虑的复杂影响因素，因此对于实际监测数据和理论计算数据应有一定的允许偏差。

[参考文献]

[1]曾德荣,张增亚.桥梁施工监测应力真值分析方法[J].重庆交通学院学报, 2005, (6) .

[2]周履,陈永春.收缩徐变[M].北京:中国铁道出版社,1994.

[3]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[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].

作者简介：刘家奎男 硕士从事桥梁施工监控工作