大跨度预应力混凝土桥梁施工应力 监测中的几个问题

一、前言
近几年，我院承担了十余座大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测任务。有斜拉桥、连续梁及刚构等多种桥式。在完成合同规定任务的同时，为了提高测试质量还做了不少的试验和探讨。根据对混凝土桥梁施工应力的观测，发现目前还有些问题没有很好的解决，及时总结经验教训，不断地提高测试质量，是当前桥梁建设发展的需要。
随着桥梁事业的发展，预应力混凝土桥梁得到广泛应用，不同桥式的预应力混凝土桥梁在不断兴建，跨度逐步加大，结构也向薄壁轻型发展，悬臂施工中不安全因素随之增大。为了避免安装应力失控，有更多的桥梁对施工进行监控，对施工应力测试也提出了更高的要求。现在施工应力测试技术远远跟不上桥梁工程发展的需要。
本文在总结多年来大跨度预应力混凝土桥梁施工应力测试的基础上，针对当前测试存在的问题，谈谈提高测试精度、确保测试质量的具体方法。

二、提高测试质见的探讨
混凝土为非匀质材料，除受力变形外还有多种因素同样引起变形。目前对混凝土应力直接测试尚无完善的方法，仍是通过应变量测再进行换算，由于多种变形的掺入，使得测试工作变得十分复杂。
温度对桥梁结构影响很明显可分两个方面，一是结构随温度变化发生变形，即热胀冷缩；另外由日照等原因引起结构温差，温差对结构影响大，也很复杂。
湿度对混凝土结构影响也比较明显，近来采用泵送混凝土，由于水和水泥用量的增多，于缩变形也随之变大。
混凝土自身体积变化是由内部胶凝材料的水化作用引起的变形，对结构有影响，但不太明显。
徐变是混凝土特性之一，在荷载不变情况下，变形在不断增加。它对结构受力影响明显，也很复杂。
关于混凝土变形总起来可归纳为两类：一类是混凝土受力变形，包括荷载弹性变形、徐变变形及温差引起的变形；另一类为体积变形，是指混凝土温度变形、湿度变形及自身体积变形等。可用下式表示：
ε总=ε受力+ε体积=(ε何载+ε徐变+ε温差)+(ε温+ε湿+ε自)
施工应力测试就是将观测部位在不同工况下由荷载引起弹性应变。荷载量测出来，用下式换算出应力
σ荷=Eε荷载
式中，E为弹性模量。
而应变测值包括了上述两类变形。为了得到较准确的荷载应变，多年来一直研究如何把其他应变从测值中分离出来。
1．体积变形补偿方法的试验
水工大坝的监测一直采用双壁筒式无应力计，它由双层铁皮筒和填在中间的软材料构成，见图1。它可以消除荷载引起的变形。测值仅是混凝土体积变形，用来补偿大坝混凝土体积变形。

70年代在九江长江大桥的沉井试验中曾用这种无应力计。在沉井尚未下沉时经观测就发现无应力计的温度与应变计不一致。湿度相差更大，当井壁混凝土于缩达200～300微应变时，而无应力计只有数十个微应变，沉井下沉后，由于井壁浸水膨胀，差距才逐渐减小。
据分析由于简内混凝土周围有铁皮和软材料包围。影响热传导和水分散发，使箱内外混凝土在温度和湿度方面都出现了差异。
为了进一步验证还制作了混凝土试块，同时埋设工作应变计和无应力计。试块灌注后养生期间就发现二者逐渐产生了差别，随着龄期增长差别越来越大。此时的试块没有受力，应变计测值也应和无应力计一样都是体积变形，二者不一致，证明筒式无应力起不到补偿作用。后来还试用过尺寸不同的混凝土块，内设同一型号的应变计，作为补偿块。补偿块与结构上对应的混凝土同时灌注，同样养生，测试时将补偿块放在观测的部位，尽量保持同样的条件。但由于补偿块体积小，界面多，热传导及水分散发比较快，后来也发现补偿块内的温度和湿度与结构之间存在较大的差别。同样起不到良好的补偿作用。
以上教训使我们认识到无应力计补偿效果好坏取决于在温度和湿度方面能否与工作应变计保持同步，为此我们将筒式无应力计改为半筒式，见图2。

为了试验这种无应力计补偿效果，曾制作大型混凝土试块，里面埋设几种尺寸不同的半筒式无应力计及对应的工作应变计（DI-100），见图3。将试块放在露天和水下分别进行较长时间的观测，然后将试块放在压力机加载验证无应力计对荷载隔离效果。

图4为试块中一种无应力计与应变计在日照下观测的"应变-时间曲?quot;和"温度一时间曲线"。图5是试块在水中观测的无应力计及应变计的"应变-时间曲线"和"温度-时间曲线"。图6是试块在压力机加载时的"应变-荷载曲线"。从观测曲线可以看出，尤应力计不论在日照下和水中，它与应变计在应变和温度方面基本上是同步的，隔离荷载效果也很好，试验证明半筒式无应力计有较好的补偿效果。



此后一直使用这种无应力计，据几座桥的实测数据看，补偿效果是令人满意的。
有些桥梁在横向未设预应力，还可采用图7所示补偿形式，在垂直方向安装同样的应变计，其测值经过泊桑比的换算，同样可进行补偿。这种补偿形式安装方便，不需其他设备，从使用效果看也很好。

上述两种补偿形式，要达到预期的补偿效果，还有几点应弓愧注意。一是要设法将补偿和工作的两个应变计埋设距混凝土表面同等，只有这样才能使两者在温度和湿度保持同步；二是无应力计和应变计应选择温度场相同或接近的位置进行埋设；三是工作和补偿的两个应变计必须同一型号、同批生产。如果两者主要参数相同或相近补偿效果会更好。
2．减少温差及徐变影响的措施
桥梁结构的温差多来自日照，气温骤降也能形成温差。根据观测，日照引起的梁顶与梁底温差可达17～19℃。它能使某些部位产生相当大的温度应力。也可能使施工中悬臂端产生较大的变位。具体与结构本身力学特性及周围约束有关。由于日照引起的温度场本身又是随机变量。所以温差给结构带来影响相当复杂。
减少温差影响有效方法是早晨日出之前进行量测。日照形成的温差经过一夜基本上趋于平稳。只有封闭箱内外有温差，但影响不大。早晨不但是梁的各部位温差最小，而且全桥的各部分温差也最小。因此早晨日出之前进行量测是消除温差影响有效的方法。
混凝土徐变变形受多种因素影响，比较复杂。其中徐变变形大小与加载龄期长短有关。减少徐变的影响，可采用加密量测次数，取每次加载前后相对值累计办法，有一定效果。 悬臂施工中每浇筑（或拼装）一个梁段需要一定时间，测试可将其中几个荷载变化比较大的工序选出来。如移挂篮、绑钢筋、浇混凝土、张拉预应力等，在这些工序进行前后分别进行量测，取前后差值叠加累积。这样虽然不可能将徐变影响完全分离出去，但总可以减少一部分误差。

三、关于测试元件的选用
大跨度混凝土桥梁施工应力测试有不少条件限制和一定的困难，因此对测试元件要求也很高。一,测试时间较长，一般在一年左右，有些还要长，要求测试元件长期稳定性好；二,荷载增减频繁，但每次变化量不一定很大，因此要求测试元件灵敏度要高；三、桥梁多为薄壁结构，钢筋密又没有预应力，元件埋设困难，元件体积尽可能小，构造简单，不易损坏；四、测点比较分散，电线、电缆分散在桥面上，由于施工干扰碰伤砸断经常发生，因此元件最好有较强的适应性。
根据上述要求，以前多使用电阻差动式（DI一100）应变计，它在灵敏度和长期稳定性方面都能满足要求。体积小安装埋设也比较方便，但它是利用"电阻变化"的原理做成的传感器，容易受温度的影响，除元件本身受温度影响需随时修正外，其电缆及接头的变化也给测值造成波动。本来混凝土结构的测试就很复杂，再加上元件本身易受外来干扰，更增加测试工作的困难。
后改用振弦式应变计，它在长期稳定和灵敏度方面同样能满足要求，另外它是通过振频变化转换数据的，从构造看钢弦和外壳同样是钢质，热膨胀系数基本一致，因此对温度变化不敏感，对导线要求也不高。改用振弦式元件后不但整理数据简单省事，而且从测试结果看规律性也好。
但振弦式元件目前还没有统一标准，生产厂家多是地方小厂，其中的关键是对钢弦的处理。如处理不到位，在长期测试中易于松弛，造成零点飘移，给数据分析带来麻烦。使用前最好提前半年购置，然后观测零点稳定情况。另外还要选择少数进行重标定，校核厂家的标定曲线。
目前振弦式应变计外壳多用钢管，有的钢管壁厚，使用前应检查应变计本身的刚度，如大于同截面混凝土刚度时，还要通过试验找出两者刚度比对测值进行修正。
振弦式应变计因构造关系，对拉应力测试误差大，当观测部位有拉应力出现时，应改用其他测试元件。

四、关于测试中几个应注意的问题
（1）施工应力监测涉及到的资料和数据很多。除设计资料外，施工方面也很多，如施工工艺、施工方案、施工组织设计及挂篮、模板有关数据。桥上主要施工机具设备的重量及其他施工荷载等。事前应认真收集、仔细调查。
对结构进行理论分析计算十分必要。测试应根据需要建立自己的计算系统。事先对观测部位在各种工况下的应力状态进行分析和计算，做到心中有数。

（2）应变计安装要经历混凝土浇注、振捣及混凝土硬化等过程。尤其是混凝土硬化是一个很复杂的变化过程，有水化热温升和自身体积的收缩。由于温度场及于缩变化不均，往往造成残余应力会影响应变计，造成读数波动大也不稳定。为了确定测点初始值，混凝土浇注后应当跟踪观测，以稳定后的测值作为初始值。有些测点需较长时间才能稳定，又要配合施工进行量测，对这部分测点，当发现数据有明显不合理时，可以进行适当调整。
（3）大跨度桥梁施工过程中，不可避免会出现一些问题，有时会打乱正常施工顺序，施工荷载也会变化，测试时应注意变化，并作好记录。不少变化将直接影响测试结果。
另外测试中发现个别测点异常，应及时检查，发现干扰尽快排除。根据经验，当测点附近停放施工机具材料或因上面有积水，也会给测试结果带来影响。
（4）对能反映结构工作特性应力比较集中的测试部位，应适当多设元件，以防安装或测试过程中造成损坏而测不到关键数据，还可以采用不同的手段或其他类型元件，同时进行测试。
（5）由于混凝土性质有变易性，在施工应力测试中，应根据工地实际情况，做一些有关混凝土性质的试验和观测，如混凝土弹性模量、于缩量，如有条件还可进行其他方面观测，利用这些数据对测试资料进行分析，可能减少一部分误差。
（6）观测资料除及时整理交委托单位外，还要进行系统分析，发现不正常或过大偏差时，找出原因，尽早地进行修正。从以往观测资料看，实测与理论计算总有差距。测试数据与计算值存在偏差是正常的，施工中悬浇块件超重，施工荷载变化，徐变造成的误差及测试元件和仪器的误差，都会给测值带来偏差。
（7）正因为施工应力测试工作难度比较大，所以要组织有一定经验人员长驻现场，除认真细致进行测试工作外，还要不断分析研究，探讨提高测试精度。从以前测试情况看，参与测试的工作人员的责任心和工作态度是测试能否取得可靠数据的关键。
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