任天鶴
(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司)
橋梁嚴(yán)格的施工控制對于橋梁的安全建設(shè)有著至關(guān)重要的作用。施工過程中,我們很難做到在每個(gè)環(huán)節(jié)都得到橋梁的應(yīng)力應(yīng)變信息,但是我們可以采取先進(jìn)的監(jiān)測手段,去獲取關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)信息,這對于掌握施工的信息起著很重要的作用,如果監(jiān)測的數(shù)值同預(yù)計(jì)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)有較大的出入,我們就應(yīng)該立即停工,分析原因,避免安全事故的出現(xiàn)。監(jiān)測的過程就是管理的一部分,因此,從這個(gè)角度講,橋梁施工控制的重要性就體現(xiàn)了出來。本文對橋梁施工中溫度應(yīng)力、收縮徐變等控制因素進(jìn)行了分析,希望能總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn),為今后的橋梁施工控制提供一些有益的建議。
溫度應(yīng)力是由于溫度因素的變動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)伸縮現(xiàn)象,當(dāng)伸縮受到邊界條件的限制時(shí),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部便產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力,通??梢苑譃閮煞N,一種叫做溫度自約束應(yīng)力,它是指構(gòu)件某單元組織因?yàn)闇囟炔煌?,纖維間的作用力會存在差異,從而表現(xiàn)出了相互的作用力;另一種叫做溫度次約束應(yīng)力,指的是因?yàn)闃?gòu)件內(nèi)部組織因?yàn)闇囟炔煌憩F(xiàn)出的變形位移不同,外界對不同部件產(chǎn)生的約束能力也不同,溫度應(yīng)力具有顯著的非線性和時(shí)間性。
溫度分布是指在給定時(shí)刻的空間某區(qū)域內(nèi)溫度隨空間位置的變化。這是熱量傳遞研究中要解決的主要問題之一,對于混凝土結(jié)構(gòu)而言,因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)較小,在外界溫度急劇變化時(shí),其內(nèi)部溫度反應(yīng)不靈敏,導(dǎo)致深度不同,結(jié)構(gòu)的溫度也有差異,這就是典型的非線性溫度分布狀態(tài)。
隨環(huán)境影響,混凝土結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部各處的溫度都不會是一個(gè)不變的溫度,通?;炷两Y(jié)構(gòu)所承受的溫度載荷可以分為三類,一是日照溫度載荷;二是驟然降溫引起的溫度差載荷;三是整年溫度的緩慢變化所引起的溫度載荷,三類溫度載荷各自的特點(diǎn)如表1所示。第一種載荷主要受太陽光的照射因素影響,第二種的主要影響因素是氣溫的變化以及風(fēng)速的大小,這兩種載荷對混凝土結(jié)構(gòu)會有較大的影響,以此,橋梁在設(shè)計(jì)的過程中一定要在設(shè)計(jì)階段就重視起這兩種溫度載荷。
表1 不同溫度荷載的特征
溫度載荷跟天氣的變化有密切的關(guān)系,天氣變化有著很強(qiáng)的預(yù)見性,也有很多的數(shù)據(jù)可以用來分析,根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明溫度載荷是一個(gè)以時(shí)間為變量的函數(shù)。雖然在數(shù)學(xué)上我們能夠定性分析出這個(gè)函數(shù)的大致分布,但是要想嚴(yán)格的解出這個(gè)函數(shù)還是非常困難的。因此,很多情況下,我們所進(jìn)行的只是工程結(jié)構(gòu)的溫度載荷定性分析,就是根據(jù)某些算法確定某個(gè)具體溫度下載荷的分布情況,求解過程可以大致的利用熱傳導(dǎo)方程來進(jìn)行近似求解。
熱傳導(dǎo)方程的實(shí)質(zhì)是以函數(shù)的形式表達(dá)構(gòu)件的表面與內(nèi)部某一點(diǎn)的溫度,其函數(shù)表達(dá)式可為
這表示Ti的大小不僅與構(gòu)建表面或者內(nèi)部某一點(diǎn)的三維空間位置有關(guān),與時(shí)間也有一定的聯(lián)系。橋梁構(gòu)件的鋼筋混凝土材料,可以等效為各向同性、均質(zhì)的離線材質(zhì),根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)理論可以得到其三維的非穩(wěn)定熱的導(dǎo)熱方程表達(dá)式
其中:λc為混凝土導(dǎo)熱系數(shù);C為混凝土的比熱率;γc為混凝土的容重;q為混凝土單位體積內(nèi)放出的熱量。
需要注意的是當(dāng)不考慮混凝土的水化熱效應(yīng)時(shí)q為0,則式2可表示為
混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)情況,我們可以利用一維的熱傳導(dǎo)公式來近似模擬,根據(jù)大量的工程數(shù)據(jù),我們可以發(fā)現(xiàn),這種近似的模擬可以將復(fù)雜的問題簡單化,而且誤差的程度也是可以接受的。比如,在剛開始運(yùn)營的混凝土橋梁結(jié)構(gòu),我們認(rèn)為橋長方向的溫度分布狀態(tài)是相同的,因?yàn)樘柟獾恼丈?,橋梁的斷截面上熱傳?dǎo)是一個(gè)垂直分布的狀態(tài),垂直方向的熱傳導(dǎo)速度要大于水平方向的速度,因此,實(shí)際情況中,我們可以認(rèn)為水平方向的熱傳導(dǎo)作用為零。
混凝土徐變是指混凝土在長期應(yīng)力作用下,其應(yīng)變隨時(shí)間而持續(xù)增長的特性(注意彈性變形應(yīng)變不會隨時(shí)間而持續(xù)增長),在長期荷載作用下,結(jié)構(gòu)或材料承受的應(yīng)力不變,而應(yīng)變隨時(shí)間增長的現(xiàn)象稱為徐變。收縮變形指的是混凝土結(jié)構(gòu)長期處于零荷載的狀態(tài),會發(fā)生緩慢的收縮。徐變、收縮變形往往是同時(shí)進(jìn)行的,混凝的應(yīng)變是溫度應(yīng)變、收縮應(yīng)變、徐變應(yīng)變?nèi)吖餐饔玫慕Y(jié)果,在實(shí)際分析中,由溫度引起的溫度應(yīng)變應(yīng)該單獨(dú)的考慮。根據(jù)國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會樣板規(guī)范的規(guī)定,承受單軸向、不變應(yīng)力為σc(τ)的混凝土構(gòu)件在某一時(shí)刻t時(shí)的總應(yīng)變可用ε(t)來進(jìn)行表示
其中:εi(τ)表示加載時(shí)的初始應(yīng)變;εi(t)表示時(shí)間t時(shí)的徐變應(yīng)變;εs(t)表示收縮應(yīng)變;εT(t)表示溫度應(yīng)變;εσ(t)表示應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變,εσ(t)= εi(τ)+εc(t);εn(t)表示非應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變,εn(t)=εs(t)+εT(t)。
混凝土發(fā)生收縮現(xiàn)象是混凝土終凝之后混凝土中的水分揮發(fā),在其它非應(yīng)力作用下(物理化學(xué)反應(yīng))出現(xiàn)了體積縮小。與收縮相對應(yīng)的是當(dāng)混凝土凝固因含水量的增加也會導(dǎo)致其體積出現(xiàn)增大?;炷恋氖湛s應(yīng)變函數(shù)表達(dá)式通常為εs(t,τ)?;炷潦湛s應(yīng)變終值的預(yù)計(jì),一般與環(huán)境條件、構(gòu)件尺寸及混凝土成分都有著很大的關(guān)系。
(1)自發(fā)收縮:自發(fā)收縮的主要原因是混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水化反應(yīng),水化反應(yīng)會消耗掉水泥,而化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水化物體積要小于所耗水泥的體積,表現(xiàn)的結(jié)果就是混凝土結(jié)構(gòu)的收縮變形。
(2)干燥收縮。受外部環(huán)境的影響,混凝土內(nèi)部的水分會逐漸的減少,整體結(jié)構(gòu)就會表現(xiàn)出收縮的現(xiàn)象,這是混凝土發(fā)生收縮變形的最主要一個(gè)原因。
(3)碳化收縮?;炷两Y(jié)構(gòu)中的水泥化合物會與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而導(dǎo)致混凝土體積的逐漸減小。
混凝土徐變現(xiàn)象發(fā)生的原因機(jī)理,目前世界上并沒有一個(gè)統(tǒng)一的答案,最為權(quán)威的,也是最被認(rèn)可的一個(gè)答案是美國混凝土協(xié)會在上世紀(jì)70年代所給出的解釋:
(1)外力作用下,膠體顆粒的粘性流動造成晶體的滑動;
(2)外力作用下,毛細(xì)孔中水的遷移,這緩解了部分內(nèi)部應(yīng)力,有利于抑制裂紋的生成;
(3)在外部載荷的作用下,混凝土層間的積水會逐漸的流失,從而導(dǎo)致土質(zhì)緊縮。
(4)局部的微小裂痕出現(xiàn)后,混凝土?xí)饾u的同新材料發(fā)生結(jié)晶,從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的位移變形。
根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生徐變、收縮的原因機(jī)理,我們可以用圖1來簡要概括出可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生徐變和收縮的因素。
從圖1可以看出,影響收縮的因素與荷載條件無關(guān),但是對徐變和收縮均有影響的因素,其影響的程度卻是不盡相同的。徐變通常和混凝土結(jié)構(gòu)的荷載條件有關(guān)系,在進(jìn)行混凝土徐變試驗(yàn)中,我們施加的單軸向壓力應(yīng)該低于混凝土強(qiáng)度的45%,根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果,我們可以得到下面的結(jié)論:當(dāng)壓應(yīng)力不超過材料強(qiáng)度一半的時(shí)候,應(yīng)力同應(yīng)變之間有著很好的線性關(guān)系,否則,線性關(guān)系將不復(fù)存在。這主要是因?yàn)槟酀{同骨料交接處的裂紋引起的,為了計(jì)算分析的方便,我們通??梢杂脧椥圆此杀葋斫频奶娲炷列熳兊牟此杀?。
圖1 影響徐變收縮的因素
大跨徑橋梁工程中溫度應(yīng)力及混凝土收縮徐變的具體參數(shù)是一個(gè)瞬變的隨機(jī)量,該變量與橋梁工程施工環(huán)境、坐標(biāo)位置、材料組成、外界干擾等都有著緊密聯(lián)系,盡管該參數(shù)難以控制,但是該參數(shù)對分析橋梁結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力分布具有重要作用。所以在進(jìn)行大跨徑橋梁施工控制時(shí)應(yīng)深刻認(rèn)識到溫度與混凝土徐變收縮因素的影響。這些不確定因素的控制是橋梁建設(shè)的安全性保障,通過對橋梁建設(shè)的內(nèi)力及應(yīng)變進(jìn)行預(yù)估,并實(shí)時(shí)應(yīng)用相關(guān)儀器提取數(shù)據(jù)和預(yù)估信息進(jìn)行對比,進(jìn)而完成橋梁建設(shè)進(jìn)展?fàn)顩r的追蹤與監(jiān)測。
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