浅谈钢筋混凝土箱形拱特大桥应变应力监控.doc

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520m预应力空心板1228.8m钢筋混凝土箱形拱（净跨204.959m）320m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9.0m20.5m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8.03.0m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）1.51043.01044.51046.0104总应变（）-800-+1000-800-+1000-800-+1000-800-+1000分辨率（%FS）0.20.20.2时的徐变应变；S（t）收缩应变；T（t）温度应变；m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（JTG D62-2004）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C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）； C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。如果不能较准确地测量钢筋混凝土的实际弹性模量，由式（1）得到的应力值与结构实际应力肯定有一些偏差。事实上，混凝土实际弹性模量的测定是一项十分繁重的工作。（4） 温度的影响混凝土结构因温度变化引起的应变增量为（4） 一般情况下，则有（5） 因此，混凝土拱箱结构的实际应变为（6） 事实上，日照下混凝土拱箱上表面近20cm范围内的温度梯度很大，温度分布极不均匀，而其它部位的温度分布趋于均衡。拱箱顶面温度升高时，理应沿纵向膨胀，但受到腹板及底板的约束而不能自由延伸，而结构的最终变形与混凝土拱箱内的温度分布密切相关。在吊装过程中，受扣索约束，悬臂拱箱的下挠变形并不大，拱箱上缘应力增大，下缘应力减小或基本不变。钢弦受拱箱约束而弦丝在温度作用下的应变发生了改变，约减少t（其中为弦丝的热膨胀系数，t为温升），有 （7） 此时，拱箱顶板处的钢弦应变计附加了一由混凝土拱箱产生的温度应变，而拱箱上缘的实际应变修正为（8） 若以拱箱结构施工9个月工期考虑，蠕变使得测试应变累计偏小约12.0；而温漂视环境温度升高还是降低相应修正（加或减）测试应变约3.0/10。（5） 混凝土收缩徐变的影响混凝土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，主要与混凝土品质和构件所处的环境等有关。其大小随着龄期的增长而增大，初期的收缩变形增长较快。混凝土持续荷载条件下的徐变变形，主要与混凝土应力大小、混凝土加载龄期、级配、水灰比及构件所处的环境等有关。早期徐变增长很快，其速率随持续荷载时间延续而降低，若干年后仍在发生。由于混凝土材料的特殊性，测量应力的误差主要源于混凝土的实际弹性模量的测量和混凝土的收缩徐变的计算。在实际工程应变测量中，包含了收缩和徐变产生的应变量，应给予扣除。在桥梁结构中，徐变应变与混凝土应力之间表现为线性关系，通过应力测试和误差分析，可使实测应力尽可能地反映结构的真实状态。3.6 应力测试结果与分析（1）拱肋吊装过程应力测试结果拱肋应力测试工作随着拱段吊装、中箱现浇成拱、立柱和盖梁浇筑、桥面系施工的过程同步进行。利用控制截面埋设的钢弦传感元件，对混凝土箱梁各工况的应变进行跟踪测量。通过应力测试、误差分析，与理论应力的比较，反映出施工过程中拱圈结构的应力状况。这里给出主要施工过程拱圈控制截面的应力测试结果，详见附件。拱段吊装过程中，上游拱肋控制截面的应力测试结果如表26所示，图711分别给出了上游拱肋各控制截面的应力情况。表2上游拱肋宁德端拱脚截面（A截面）吊装过程应力监测结果应力测点位置工况号工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7工况8工况9工况10施工说明吊装完1段吊装完2段吊装完3段吊装完4段吊装完5段吊装完6段吊装完7段吊装完8段吊装完9段卸扣索成裸拱宁德拱脚A截面上缘理论计算值0.1-0.7-1.2-1.1-0.9-0.41.64.36.03.1实测均值0.1-0.6-1.0-0.9-0.7-0.31.34.05.62.6宁德拱脚A截面下缘理论计算值0.21.53.64.14.43.72.71.20.33.9实测均值0.11.33.74.24.33.62.90.90.23.8表3 上游拱肋屏南端拱脚截面（A截面）吊装过程应力监测结果应力测点位置工况号12345678910施工说明吊装完1段吊装完2段吊装完3段吊装完4段吊装完5段吊装完6段吊装完7段吊装完8段吊装完9段卸扣索成裸拱屏南拱脚A截面上缘理论计算值0.1-0.7-1.2