浅谈钢筋混凝土箱形拱特大桥应变应力监控

1引言随着我国公路建设的蓬勃发展，大跨度桥梁建设进入了前所未有的高潮时期。由于大型桥梁结构的多样化、施工技术难度大、施工工艺复杂、影响因素其施工安全已成为人们普遍关注的问题。为避免桥梁施工中的突发事件，施工监测监控工作是有力的保障，对特大跨度的桥梁而言尤为重要。由于钢筋混凝土材料的特殊性和拱桥施工工艺的复杂性，施工中许多难以预料的因素可能导致某些构件中的应力储备不足或变形过大，从而成为安全隐患。特别是钢筋混凝土箱形拱大桥一般构造复杂、施工难度大、施工影响因素多，在主拱圈吊装和拱上加载各种工况条件下，结构受力不断变化，各类施工误差将直接影响成桥线形和结构的内力状态，误差严重时，将导致桥梁合龙困难，甚至出现裂缝、破坏或失稳。桥梁施工监测监控工作就是通过对施工过程进行监测，收集控制参数，分析施工中产生的误差，通过理论计算和实测结果的比较分析、误差调整，预测后续施工过程的结构形状，提出后续施工过程应采取的技术措施，调整施工工艺和技术方案，使成桥后结构内力和线形处于有效控制范围之内，并最大限度地符合设计理想状态，确保大桥施工安全、量优良、线型美观和运营可靠。本文以天池特大桥为例，介绍钢筋混凝土箱形拱特大桥应变应力监控方法。2工程概况天池特大桥位于宁德市蕉城区洪口乡，是省道S303线宁德八都桥头至屏南城关公路上的一座特大桥，桥梁长度405.40m,桥宽10.0m，桥梁高度142.0m。桥梁起点桩号K43+474.53，终点桩号K43+879.93，桥型布置为5×20m预应力空心板＋1×228.8m钢筋混凝土箱形拱（净跨204.959m）＋3×20m预应力空心板。主拱圈横截面采用单箱三室箱型截面，采用节段预制、缆索吊装工艺施工。建成后的天池特大桥如图1。天池特大桥跨越闽东山区深谷，两岸岸坡陡峻，是目前国内采用缆索吊装、扣挂施工的最大跨径箱型拱桥，施工技术难度大、工艺复杂。根据合同文件和设计图纸要求，在桥梁施工过程中必须进行专项施工监测监控工作。图1天池特大桥2.1天池特大桥设计标准公路等级——山岭重丘区二级公路，行车速度40km/h设计荷载——公路I级桥面宽度——净－9.0m＋2×0.5m防护栏桥面横坡——2.0％设计洪水频率——100年一遇地震基本烈度——VI度，按VII度构造设防。2.2天池特大桥总体布置天池特大桥总体布置图如图2。主桥采用上承式钢筋混凝土空腹箱型拱桥，主拱矢跨比为1/4。净跨径L0=204.959m，净矢高f0=51.227m；计算跨径L=207.2m，计算矢高f=51.73m。桥面总宽10m，净宽9m。主拱为8.0×3.0m单箱三室普通钢筋混凝土箱型截面，顶板、底板和腹板厚度均为25cm。预制节段边箱宽2.8m，顶板预制部分的厚度10cm，腹板和底板厚度均为25cm。上、下游拱肋各由2个拱脚端部实体段和17个预制节段组成，最长节段沿拱轴线长度为15.881m，最大吊重118t。为减少主拱分段长度和控制拱箱节段起吊重量，拱上结构采用12.66m、12.68m两种跨度形式，共布置18孔。桥面系由8片预应力混凝土空心板梁组成。引桥分别为5孔和3孔20m的预应力空心板。2.3天池特大桥施工工艺天池特大桥施工的关键是主拱施工，主拱圈采用预制吊装工艺施工。两个边室采用分段预制拼装成拱，中室采用拱上现浇顶、底板施工。主拱分上下游两肋进行预制和吊装，先分段预制箱拱节段，再用缆索吊机将预制拱段吊起，由拱座向跨中进行悬臂拼装，直至单肋合龙；再在已完成的两肋拱上现浇拱中室顶底板，形成完整的单箱三室整体截面；拱箱顶面加厚及拱上建筑采用现浇混凝土施工。引桥上部20m空心板和拱上桥面12.68m的空心板也采用预制安装施工工艺。天池特大桥施工控制的原则是综合考虑主拱圈的稳定性、变形和内力，在施工安全和主拱圈稳定性的前提下，重点控制主拱圈的变形、应力和扣索索力。以变形控制为主，严格监控各控制截面的挠度和拱轴线偏移，监测各控制截面应力和应变发展情况，监测扣索索力大小。为保证天池特大桥在缆索吊装和拱上加载过程中的施工安全，对天池特大桥进行施工监测监控是施工质量和安全控制中不可缺少的重要环节。图2天池特大桥总体布置图3应变应力监控天池特大桥主跨跨径大、拱箱节段起吊重量大、节段多、吊装工艺复杂，拱箱吊装阶段的控制工作直接影响桥梁建设的成败。施工过程中必须监控主拱圈各控制截面上混凝土的应变和应力情况，及时向施工单位和监理单位提供施工控制参数。钢筋混凝土结构广泛使用在工程中，由于钢筋混凝土材料的非均匀性和复杂性（如非弹性、开裂、时间效应以及混凝土与钢筋之间的相互作用效应等），结构分析涉及到参数的选取（如材料特性、密度、截面特性等）、施工状况确定（施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度等）的影响，结构实际应力与设计应力很难完全一致。因此，在混凝土与预应力混凝土结构应变测试中，要让测试应力尽可能地接近于结构的实际应力状态。3.1传感器的选择用于结构应变测试的方法很多，主要取决于传感元件类型。钢弦式传感器具有测试精度高、稳定性好、抗干扰能力强、测量方便等优点,在混凝土结构应力测试中普遍采用。由于天池特大桥测点多、工期长，现场观测工作量大（测量频繁且须多点同时观测），现场测试环境差（边施工，边测量），密封、绝缘要求高，温度变化难于预测，因撞击、振捣损坏传感器器件的情况不可避免。另外，还必须设法排除混凝土干缩、徐变对测试结果的影响。在监测监控期间，为不影响桥梁现场施工进度，表1JHX-2型混凝土应变计主要技术指标规格（MPa）10203040等效弹模（MPa）1.5×1043.0×1044.5×1046.0×104总应变（με）-800-+1000-800-+1000-800-+1000-800-+1000分辨率（%FS）0.20.20.20.2零漂（Hz/3个月）3～53～53～53～5总长（mm）150150150150最大外径（mm）35.6835.6835.6835.68承压面积（mm2）1000100010001000温度漂移（10℃）（Hz/10℃）3～43～43～43～4适用环境温度（℃）-10～+50-10～+50-10～+50-10～+50导线长度（m）按用户要求给按用户要求给按用户要求给按用户要求给鉴于同类桥梁施工监控的经验，天池特大桥应变测量是采用在结构混凝土内埋钢弦式传感器。根据混凝土拱箱结构所受荷载和温度变化情况，选用型号JXH-2、规格为30MPa的钢弦应变计。JHX-2型混凝土应变计的主要技术指标见表1。3.2应变—频率拟合曲线混凝土结构应变ε与钢弦丝自振频率f的关系，可近似看作自振频率f的三次多项式函数：（1）式中，—钢弦应变（单位:）；—弦丝自振频率（单位：100Hz）；Ａ、Ｂ、Ｃ、D—待定系数。分别将各钢弦应变传感器的标定数据（fi，εci）通过最小二乘原理，确定系数Ａ、Ｂ、Ｃ、D后，就可拟合为三次多项式函数式（1）的具体表达形式。编号为196＃钢弦应变计的应变～频率拟合曲线如图3所示。该钢弦的应变～频率三次多项式函数为：图3196＃钢弦的应变～频率拟合曲线图3.3应力测试方法在应力监测中，将所测得的钢弦频率值代入式（1），即得到钢弦的实时应变值。该应变值减去钢弦所受初应变εg0，即得钢弦的应变增量。钢弦应变计与混凝土结构的变形是一致的，钢弦的应变增量也就是混凝土的应变增量，即可得到混凝土结构的名义应力值。应力监控是通过传感器测量拱箱的应变，了解拱箱的实际应力状况，与设计应力进行比较，作出客观的评价。3.4控制截面与应变测试点在拱段吊装过程中，对拱肋和交界墩进行应力监控。在拱肋合龙后，只对拱肋典型截面进行应力测量。（1）拱肋应力控制截面及应变测点确定拱肋应力控制截面为：宁德端拱脚截面（A截面）、1/4截面（B截面）、8＃节段中间截面（C截面）、拱顶截面（D截面）、3/4截面（B'截面）、屏南端拱脚截面（A'截面）共6个截面。图4天池特大桥左半拱应力控制截面天池特大桥主拱圈左半拱肋的控制截面如图4所示。因0＃拱段（0'#拱段）是现浇的实体段，其应力很小，不作为控制截面。拱脚控制截面选在1＃拱段，由于拱箱顶、底板厚度是变化的，为了减小顶、底板厚度变化对应变测量的影响，拱脚截面的位置设在距1＃拱段（或1'#拱段）下端面1m处；1/4截面和3/4截面位置分别设在5＃拱段和5'＃拱段的中间截面。拱顶截面位置为合龙段（9#拱段）的中间截面。（2）拱肋控制截面应变测点布置宁德端拱脚控制截面（A截面）的应变测点布置如图5所示，图中应变测点编号为Ai,其中字母A表示A截面，i=1,2,…,8表示8个测点。其它控制截面应变测点编号与此类似。两拱脚截面、1/4截面、3/4截面和拱顶截面各设置8个应变测点，C截面设置4个应变测点。图5拱肋控制截面（A截面）应变测点布置钢弦应变计预埋在边箱拱背（顶板）、拱腹（底板）的纵向主筋旁，随拱段预制埋入拱肋混凝土中（各钢弦应变计轴线与拱轴线平行）。（3）交界墩应力控制截面及应变测点布置在5＃和6＃两个交界墩底部设置应力控制测点,一方面是直接了解墩柱内的截面正应力情况，分析各施工阶段墩柱的应力是否符合设计要求。另一方面，通过墩底截面的应力分布状况，分析交界墩在自重和索力等荷载共同作用下的弯曲变形，作为墩顶偏位方向及偏位大小的校核依据。一般在吊装施工过程中，交界墩底部截面的正应力最大，每个墩柱设置一个应力控制截面。5＃和6＃两个交界墩控制截面各布置4个应变测点，分别位于该截面的前后缘。如图6所示。图6交界墩控制截面应变测点3.5应力监控及误差分析桥梁结构的实际应力状况与设计状况总是存在着一定的误差，主要由设计参数误差、施工误差、测量误差、结构分析模型误差等综合因素干扰所致。混凝土的应变可分为受力应变和非受力应变两种，在实测应变中它们是混杂在一起的。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测量总应变ε（t）可分解为（2）式中，εi（τ）—加载时初应变；εC（t）—时刻tτ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。通过理论分析、误差分析等手段，对测量结果进行适当修正，使测试应力结果尽可能接近于实际状态。（1）钢弦应变计位置误差为了保证钢弦应变计安装可靠、稳定、耐久，预先用扎丝将其牢牢捆扎在拱箱的纵向受力钢筋上，距拱箱上下缘约10cm。随着混凝土浇筑和振捣，钢弦应变计受到不同方向的挤压，有时会发生位置偏离，对于应变计位置偏离引起的差异，可以通过截面尺寸和上、下缘的实测应力进行修正。（2）钢弦应变计调零钢弦应变计一般稳定性较好，因钢弦应变计是在混凝土浇筑前埋设的，混凝土初凝时产生的初应力将作用于钢弦应变计上，应该及时予以排除。应变计的初应力与初读时间有关，即初读数（调零）的时机把握十分重要。若初读过早，混凝土凝结时的初应力不可能完全消除；若初读过晚，外加荷载又已经施加于结构上。对于拱箱，初读一般在拱箱混凝土凝结养护完成、拱段吊装前（平躺在预制场）进行初读。埋置于交界墩的应变计一般在包含钢弦的混凝土终凝后进行初读。（3）混凝土弹性模量的影响根据式（1），可测得不同工况下各控制截面的应变值，再乘以混凝土材料的弹性模量便可得到应力值。按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）之规定，C50混凝土的设计弹性模量一般取34.5GPa。由于混凝土材料、施工状况、养护和龄期等因素的影响，混凝土拱箱结构的实际弹性模量与设计规范取用值有些差别，龄期28d后逐渐趋于稳定。通过对天池特大桥拱箱C50混凝土弹性模量进行了对比试验，与规范是基本相符的。混凝土的初始弹性模量EO通常取为抗压强度σC的函数，较高强度等级的混凝土具有较高的弹性模量值。初始弹性模量可由经验公式相当精确地算得（3）式中，—混凝土容重（N/m3）；σC—混凝土抗压强度（MPa）。混凝土加载瞬时弹性变形可以按同龄期混凝土的实际弹性模量来计算，而收缩和徐变量，需按计算时混凝土的龄期和混凝土实际加载龄期，根据试验结果取得。如果不