樓金其

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

鋼混組合梁施工階段應(yīng)變測試與分析

樓金其

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

結(jié)合上海至嘉興跨江公路通道1號(hào)橋工程，采用埋入式和表貼式應(yīng)變傳感器，測試不同工況下典型截面的應(yīng)變、撓度等相關(guān)參數(shù)，研究鋼混組合梁在施工階段變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：不同的工況對(duì)截面的滑移量影響不同，收縮發(fā)展階段對(duì)截面滑移量的影響最大;不同工況下，混凝土橋面板縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變均呈拉壓交變狀態(tài);同一種工況下，不同的測點(diǎn)的縱向應(yīng)變變化不大，而橫向應(yīng)變卻有較大的變化;鋼翼緣各測點(diǎn)縱向應(yīng)變?cè)诓煌墓r影響下均呈壓應(yīng)變狀態(tài)，而鋼板底各測點(diǎn)縱向應(yīng)變呈拉應(yīng)變狀態(tài);在混凝土板澆筑后35～40 h開始，截面收縮引起的應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變迅速增加，該結(jié)論可為混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

橋梁工程 鋼混組合梁 傳感器 應(yīng)變測試

鋼混組合連續(xù)箱梁是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)體系。與鋼箱梁相比，降低了材料和加工成本，特別是用箱梁的混凝土頂板直接作為橋面板，避開了使用鋼橋面板時(shí)鋪裝容易受損的技術(shù)難題。與混凝土箱梁相比，降低了自重，同時(shí)，減輕了在鋼腹板與橋面板接合部位由溫差、徐變等引起的變形。

在鋼混組合結(jié)構(gòu)越來越多的出現(xiàn)在橋梁中時(shí)，施工中的變形控制成為目前研究的熱點(diǎn)。不少國家和地區(qū)都投入大量的資金修建試驗(yàn)橋研究鋼混組合梁在施工階段的受力變形，并取得了一定的研究成果。相對(duì)而言，我國在這方面研究則略顯不足，雖然已經(jīng)開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究，但是試驗(yàn)結(jié)果離散性嚴(yán)重。究其原因，主要是源于結(jié)構(gòu)施工、材料性質(zhì)以及外界環(huán)境變化的影響。

為了深入了解鋼混組合梁在施工階段變形規(guī)律及響應(yīng)特征，通過在試驗(yàn)橋中埋設(shè)傳感器，采用配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究不同截面在不同工況下的應(yīng)變規(guī)律，為今后此類橋梁的施工積累寶貴的資料和經(jīng)驗(yàn)。

1 施工階段變形測試

1.1 試驗(yàn)橋概況

上海至嘉興跨江公路通道工程1號(hào)橋?yàn)殡p箱單室等截面鋼—混凝土凝土組合彎箱梁橋，箱梁高為1.95 m，混凝土頂板寬12 m(包括欄桿等附屬設(shè)施)，混凝土頂板厚度約為22 cm。橋梁鋼結(jié)構(gòu)部分橫截面分為內(nèi)外兩幅，內(nèi)幅鋼箱梁的跨徑布置為44.843 m+34.137 m。外幅鋼箱梁的跨徑布置為37.813 m+41.167 m，每幅的底板寬度為3 m。鋼箱梁上翼緣板和混凝土頂板之間采用焊釘連接件的方式結(jié)合。跨中標(biāo)準(zhǔn)截面如圖1所示。

圖1 跨中標(biāo)準(zhǔn)箱梁橫截面(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中采用JMZX-215AT埋入式和JMZX-212AT表貼式應(yīng)變計(jì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用JMZX-300X，如圖2～圖4所示。其中混凝土橋面板的應(yīng)變測試采用JMZX-215AT埋入式傳感器，并在混凝土澆筑前布置混凝土測點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試采用JMZX-212AT表貼式應(yīng)變計(jì)，在鋼結(jié)構(gòu)加工完成時(shí)焊接在鋼梁測點(diǎn)。

圖2 JM ZX-215AT埋入式

圖3 JM ZX-212AT表貼式

圖4 JM ZX-300X數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.3 傳感器布設(shè)方案

如圖5所示，分別在鋼混組合梁的4個(gè)測試截面埋設(shè)傳感器：左跨梁端截面、左跨跨中截面、外幅中支點(diǎn)截面和內(nèi)幅中支點(diǎn)截面。考慮到橋梁和路面接觸部位易產(chǎn)生滑移，分別在梁端(1-1截面)左右兩幅梁外側(cè)翼緣位置布置4個(gè)測點(diǎn)，如圖6所示，左右側(cè)混凝土測點(diǎn)分別埋入傳感器H1、H2，左右側(cè)鋼梁測點(diǎn)分別焊接傳感器 S1、S2。

圖5 測試截面平面布置

圖6 邊支點(diǎn)截面1-1測點(diǎn)布置

截面2-2上傳感器的布置如圖7所示。在混凝土橋面板上分別沿車輪行駛方向和垂直于車輪行駛方向布設(shè)縱橫向傳感器，以檢測縱向彎拉應(yīng)變和橫向彎拉應(yīng)變。在跨中截面和內(nèi)幅中支點(diǎn)截面的混凝土橋面板上布設(shè)17個(gè)縱向傳感器(C1-C17)，間距為750 mm，外幅中支點(diǎn)截面的混凝土橋面板上布設(shè)9個(gè)縱向傳感器(C1-C9)，間距為1 500 mm;各截面混凝土橋面板布設(shè)7個(gè)橫向傳感器，上層鋼筋處布置4個(gè)，下層鋼筋處布置3個(gè)，間距為3 000 mm。

在鋼梁的翼緣和底板分別焊接8個(gè)縱向傳感器(S1-S8)和12個(gè)縱向傳感器(S9-S20)以測試縱橋向應(yīng)變。底板的12個(gè)傳感器間距為600 mm。選取截面3-3和截面4-4測試混凝土的收縮對(duì)橋面板的影響。為了清晰明了和更具說明性，每個(gè)截面僅布設(shè)3個(gè)具有代表性的測點(diǎn)，傳感器間距為1 500 mm。

圖7 跨中截面2-2測點(diǎn)布置(單位：mm)

傳感器的安裝埋設(shè)如圖8～圖10所示。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試采用的表貼式應(yīng)變計(jì)由安裝座、應(yīng)變計(jì)、鋼保護(hù)罩組成。先將測點(diǎn)處鋼板打磨光滑，然后將安裝座焊接在鋼結(jié)構(gòu)上，再用螺栓將應(yīng)變計(jì)安裝在安裝座上，即可進(jìn)行長期監(jiān)測和自動(dòng)化測試;外部還焊接鋼保護(hù)罩，以此防止鋼箱梁后期涂裝與施工對(duì)應(yīng)變計(jì)的影響?；炷翍?yīng)變計(jì)采用扎帶綁扎在鋼筋上，再埋入混凝土中。安裝好應(yīng)變計(jì)后，即可采用數(shù)據(jù)采集儀對(duì)測點(diǎn)應(yīng)變值與溫度進(jìn)行采集。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)布置

圖9 混凝土應(yīng)變計(jì)安裝

圖10 應(yīng)變傳感器的現(xiàn)場測試

2 測試結(jié)果及分析

2.1 梁端1-1截面滑移量

按照前述傳感器的埋設(shè)方案，分別測試8種工況下鋼混組合梁不同位置的應(yīng)變量：①第一種工況為無應(yīng)力狀態(tài);②第二種工況為鋼梁吊裝連續(xù);③第三種工況為模板鋼筋;④第四種工況為一期混凝土施工;⑤第五種工況為收縮發(fā)展;⑥第六種工況為二期混凝土施工;⑦第七種工況為拆除臨時(shí)扁擔(dān)梁;⑧第八種工況為頂升。

混凝土內(nèi)滑移測點(diǎn)的鋼弦計(jì)都是采用一端與鋼梁焊接，一端自由的方式;同位置的鋼梁翼緣下也布置一應(yīng)變計(jì)，其兩頭均與鋼梁焊接;通過混凝土內(nèi)滑移計(jì)讀數(shù)減去鋼梁下滑移計(jì)讀數(shù)，可得到梁端鋼梁與混凝土板的相對(duì)滑移量對(duì)應(yīng)應(yīng)變，再用該應(yīng)變乘以應(yīng)變計(jì)桿長(150 mm)，即可得到梁端鋼梁與混凝土板的相對(duì)滑移量。各工況的測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 梁端1-1截面滑移量

由圖11可知：左側(cè)和右側(cè)截面的滑移量在工況①～工況④下變化很小，最大不超過0.005 mm。工況④以后，滑移量逐漸增大，右邊測點(diǎn)滑移量的變化趨勢(shì)更大，平均為左端測點(diǎn)滑移量的1.7倍，在工況⑦即拆除臨時(shí)扁擔(dān)梁時(shí)，右端測點(diǎn)的滑移量最大，約為0.031 mm。因此，在進(jìn)行施工進(jìn)行過程中，應(yīng)著重控制收縮發(fā)展、二期混凝土、拆除臨時(shí)扁擔(dān)梁、頂升等階段的位移量，保證施工的安全。

2.2 跨中2-2截面測點(diǎn)應(yīng)變

2.2.1 混凝土橋面板的測試結(jié)果

測試混凝土橋面板各測點(diǎn)在不同工況下的應(yīng)變，結(jié)果如圖12和圖13所示，正值為受拉，負(fù)值為受壓?；炷涟蹇v橋向各測點(diǎn)應(yīng)變?nèi)?種工況，即：①第一種工況，二期混凝土澆筑后;②第二種工況，鋼吊梁拆除后;③第三種工況，邊支點(diǎn)頂升后?；炷涟鍣M橋向各測點(diǎn)應(yīng)變?nèi)?種工況，即：①第一種工況，二期混凝土澆筑后;②第二種工況，部分拆模、澆筑人孔混凝土后③第三種工況，邊支點(diǎn)頂升后。

圖12 混凝土板縱橋向各測點(diǎn)應(yīng)變

圖13 混凝土板橫橋向各測點(diǎn)應(yīng)變

從圖12可知：

1)混凝土板縱橋向彎拉應(yīng)變隨不同的工況差異較大，隨著施工的進(jìn)行，橋面板縱應(yīng)變從拉應(yīng)變狀態(tài)逐漸向壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變。在二期混凝土澆筑后及鋼吊梁拆除后，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變，引起拉應(yīng)變的主要原因是澆筑前期與澆筑后這段時(shí)間里混凝土收縮、溫度變化及鋼吊梁拆除后，組合梁卸載反拱引起。在邊支點(diǎn)頂升后主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變，可見邊支點(diǎn)頂升可對(duì)跨中混凝土沿縱橋向產(chǎn)生預(yù)壓力作用。

2)從數(shù)值上講，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在二期混凝土澆筑后的C12位置，而在鋼吊梁拆除及邊支點(diǎn)頂升后，不同位置混凝土板縱橋向應(yīng)變差異不大。

從圖13可知：

1)隨著工況的進(jìn)行，橋面板橫向應(yīng)變呈現(xiàn)拉壓交變的狀態(tài)。二期混凝土澆筑及部分拆模、澆筑人孔混凝土后，混凝土板大部分位置橫向應(yīng)變均為壓應(yīng)變，而邊支點(diǎn)頂升后，除C23外，測點(diǎn)均呈現(xiàn)拉應(yīng)變狀態(tài)，可見邊支點(diǎn)頂升可引起跨中混凝土橫向受拉。

2)二期混凝土澆筑后，測點(diǎn)橫向應(yīng)變對(duì)于橋面中心線對(duì)稱，橋面板上層鋼筋處測點(diǎn)壓應(yīng)變較小，下層較大，跨中下層鋼筋處壓應(yīng)變最大，為80微應(yīng)變;部分拆模、澆筑人孔混凝土后，測點(diǎn)應(yīng)變分布規(guī)律同二期混凝土澆筑后相反，橋面板上層鋼筋處測點(diǎn)壓應(yīng)變較大，下層較小，最大拉應(yīng)變?yōu)?0微應(yīng)變。

2.2.2 鋼梁的測試結(jié)果

測試鋼翼緣和鋼板底不同工況下各測點(diǎn)的應(yīng)變，結(jié)果如圖14和圖15所示。其中，橫坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的測試工況，①第一種工況：無應(yīng)力狀態(tài);②第二種工況：鋼梁吊裝連續(xù);③第三種工況：模板鋼筋;④第四種工況：一期混凝土;⑤第五種工況：收縮發(fā)展;⑥第六種工況：二期混凝土;⑦第七種工況：拆除臨時(shí)扁擔(dān)梁;⑧第八種工況：頂升?？v坐標(biāo)表示微應(yīng)變，正值為受拉，負(fù)值為受壓。

此外，在測試的過程中，只有 S15、S16、S17、S19、S20這5個(gè)位置的傳感器正常工作，因此，圖15僅給出了這5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

從圖14和圖15可知：

圖14 鋼翼緣各測點(diǎn)縱向應(yīng)變

圖15 鋼板底各測點(diǎn)縱向應(yīng)變

1)除去個(gè)別點(diǎn)由于施工干擾等因素引起的測試數(shù)據(jù)異常外，鋼梁上翼緣各測點(diǎn)應(yīng)變變化較為一致，均呈現(xiàn)壓應(yīng)變狀態(tài)。隨著施工的進(jìn)行，工況6即二期混凝土的施工對(duì)測點(diǎn)的縱向壓應(yīng)變有較大的影響，其中測點(diǎn)S4的縱向壓應(yīng)變最大，在二期混凝土施工后，其最大壓應(yīng)變可達(dá)170微應(yīng)變。因此在施工的過程中應(yīng)著重控制鋼翼緣測點(diǎn)S4的變形。

2)與鋼翼緣各測點(diǎn)受力不同，鋼板底各測點(diǎn)均呈現(xiàn)拉應(yīng)變狀態(tài)。測點(diǎn)在不同的工況下，縱向應(yīng)變變化趨勢(shì)較為一致，在工況8即頂升時(shí)，各測點(diǎn)的縱向壓應(yīng)變最大;對(duì)于同一工況下的不同測點(diǎn)，應(yīng)變值相差較大，這和橋體的斜彎性與底板加勁的布置有一定關(guān)系。其中，測點(diǎn)S19的最大拉應(yīng)變可達(dá)250微應(yīng)變。

2.3 混凝土收縮對(duì)橋面板影響

實(shí)際施工中，混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，除了發(fā)生微量的水化反應(yīng)引起的化學(xué)收縮。由于現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)條件的限制，仍然會(huì)發(fā)生相對(duì)于化學(xué)收縮而言更為明顯的干燥收縮。干燥收縮是引起混凝土板早期開裂最主要的因素之一。

本次對(duì)本工程中支點(diǎn)混凝土板澆筑后211 h的收縮應(yīng)變情況進(jìn)行了測量。將211 h分為12個(gè)階段：①二期混凝土澆筑完成;②澆筑后4 h;③澆筑后9 h;④澆筑后14 h;⑤澆筑后16 h;⑥澆筑后21 h;⑦澆筑后24 h;⑧澆筑后28 h;⑨澆筑后34 h;⑩澆筑后40 h;○11澆筑后43 h;○12澆筑后211 h。取澆筑完成時(shí)的測試值為基準(zhǔn)值0，其余值均在此基礎(chǔ)上變化。測試結(jié)果如圖16～圖19所示。

圖16 中支點(diǎn)3-3截面溫度

1)不同的工況對(duì)截面的滑移量影響不同，收縮發(fā)展階段對(duì)截面滑移量的影響最大，滑移量增加了0.025 mm，拆除臨時(shí)扁擔(dān)梁時(shí)滑移量最大，約為0.031 mm，因此，在施工的過程中應(yīng)著重對(duì)收縮發(fā)展階段的位移進(jìn)行控制，保證施工安全。

2)不同的工況下，混凝土橋面板縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變均呈拉壓交變狀態(tài);同一種工況下，不同測點(diǎn)的縱向應(yīng)變變化不大，而橫向應(yīng)變卻有較大的變化。

3)鋼翼緣各測點(diǎn)縱向應(yīng)變?cè)诓煌墓r影響下均呈壓應(yīng)變狀態(tài)，而鋼板底各測點(diǎn)縱向應(yīng)變呈拉應(yīng)變狀態(tài)。對(duì)于同一工況下的不同測點(diǎn)，應(yīng)變值相差較大，這主要和橋體的斜彎性與底板加勁的布置有一定關(guān)系。其中，測點(diǎn)S4和S19的壓應(yīng)變和拉應(yīng)變最大，分別達(dá)到170微應(yīng)變和250微應(yīng)變。因此，施工時(shí)應(yīng)注意控制其應(yīng)變。

4)在混凝土板澆筑后40 h開始，3-3截面收縮引起的應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變迅速增加，而4-4截面則在澆筑后34 h后應(yīng)變持續(xù)增大。該結(jié)論可為混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

圖17 中支點(diǎn)4-4截面溫度

圖18 中支點(diǎn)3-3截面收縮應(yīng)變

圖19 中支點(diǎn)4-4截面收縮應(yīng)變

圖16和圖17為3-3截面及4-4截面各測點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線?？梢钥闯觯谶M(jìn)行應(yīng)變測試的過程中，各測點(diǎn)的溫度變化在10℃以內(nèi)，溫差較小，因此，可以認(rèn)為所測得的應(yīng)變?yōu)榛炷潦湛s產(chǎn)生的應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變。

從圖18和圖19可以看出，混凝土收縮在不同的測點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變隨著時(shí)間的增加變化趨勢(shì)較為一致?；炷?-3截面測點(diǎn)在澆筑后到40 h期間內(nèi)，收縮引起的應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變一直在0～20微應(yīng)變范圍內(nèi)波動(dòng)，40 h后，應(yīng)變迅速增加，到211 h時(shí)應(yīng)變?cè)黾拥?30的收縮微應(yīng)變。而混凝土4-4截面測點(diǎn)在34 h后應(yīng)變持續(xù)增大，到211 h時(shí)收縮微應(yīng)變?yōu)?0。

3 結(jié)語

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U445．47+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．02

1003-1995(2013)05-0005-05

2013-01-05;

2013-02-20

樓金其(1962— )，男，浙江東陽人，高級(jí)工程師，碩士。

(責(zé)任審編 王 紅)