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大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测中的几个问题
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摘要：分析了大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测中存在的问题，介绍了改进措施及提高测试精度的具体方法。（参考《建筑中文网》）
关键词：施工应力 测试 量测 补偿 无应力计 工作应变计 电阻差动式 振弦式
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，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。
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。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200802/2004.htm
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