李 博， 吳騰宇

(亳州市重點工程建設(shè)管理局，安徽 亳州 236800)

0 引 言

在大跨徑橋梁施工過程中,應(yīng)力測試是一項重要工作。大跨徑橋梁施工過程中的真實受力狀態(tài)的判定不能僅依據(jù)有限元計算分析[1],還應(yīng)對控制斷面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測,以保證橋梁施工過程中的結(jié)構(gòu)安全。在橋梁施工過程中,結(jié)構(gòu)溫度場變化會對橋梁應(yīng)力測試產(chǎn)生顯著影響，因此必須要將測試數(shù)據(jù)中的溫度影響采用合適的計算方法和現(xiàn)場處理技術(shù)進(jìn)行消除[2]。消除溫度對測試元件精度的影響是施工控制數(shù)據(jù)處理過程中最重要的工作，是橋梁施工監(jiān)控參數(shù)識別和下一施工階段參數(shù)預(yù)測準(zhǔn)確性的重要保障[3]。一般是通過現(xiàn)場試驗實現(xiàn)消除溫度對參數(shù)識別及施工預(yù)測的準(zhǔn)確性的影響。為了深入研究橋梁施工監(jiān)控中溫度對測試元件精度的影響[4]，針對在橋梁施工監(jiān)控中常用的振弦式應(yīng)變傳感器，根據(jù)其工作條件開展了相應(yīng)的現(xiàn)場實驗，提出了振弦式應(yīng)變傳感器在混凝土以及大氣中溫度影響修正方法[5]。目前，針對混凝土橋梁施工過程中的應(yīng)力測試的研究較多，而對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的研究相對較少。鋼箱梁系桿拱橋由于其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能被廣泛地應(yīng)用于大跨徑橋梁設(shè)計[6]。由于橋梁跨度較大，通常箱梁截面設(shè)計尺寸較大，在日照作用下很容易形成箱梁同一截面不同位置處溫度存在差值。為了保證鋼箱梁系桿拱橋施工過程中的應(yīng)力測試精度，結(jié)合現(xiàn)場實驗結(jié)果進(jìn)行分析計算，對測試數(shù)據(jù)在日照影響下進(jìn)行了探討，并提出了相應(yīng)的處理方法，有效地消除了日照對橋梁施工過程中應(yīng)力測試的影響。

1 工程概況

某橋為梁拱組合體系橋梁，拱圈及縱梁均采用鋼箱結(jié)構(gòu)，系桿為剛性與柔性組合系桿，每側(cè)鋼縱梁內(nèi)設(shè)置4束體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線。計算跨徑L=141.8 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1∶4.5，矢高31.5 m。拱肋采用矩形鋼箱截面，鋼箱高2.8 m，寬1.7 m，壁厚為變厚度，內(nèi)壁設(shè)24條縱肋。單幅橋梁由雙榀拱肋組成，拱肋間距為23.2 m。雙榀拱肋通過風(fēng)撐進(jìn)行連接，單幅拱肋設(shè)置5道風(fēng)撐。本橋鋼縱梁作為主受力結(jié)構(gòu)承受拱圈的水平推力，同時也作為橋面系的加勁梁結(jié)構(gòu)?？v梁縱向分為三種截面區(qū)段，共劃分為18個梁段。鋼縱梁高2.6 m，寬1.7 m?？v梁頂?shù)装?、腹板均為變厚鋼板，鋼縱梁頂?shù)装寮案拱寰捎芒裥图觿爬摺Ｃ總?cè)鋼縱梁內(nèi)設(shè)置4束體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線，組成結(jié)構(gòu)的柔性系桿體系。吊桿沿橋軸水平向吊點標(biāo)準(zhǔn)中心距為7.5 m，吊桿索體采用1860級15Φ15.2無黏結(jié)環(huán)氧噴涂鋼絞線外擠HDPE成品索結(jié)構(gòu)，吊索上、下端錨點均為穿銷鉸。

2 弦式應(yīng)變計工作原理

橋梁施工監(jiān)控中通常采用振弦式應(yīng)變傳感器對結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測[7]。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測一般采用的是表面式弦式應(yīng)變計。弦式應(yīng)變計是利用弦振頻率與弦的拉力的變化關(guān)系來測量應(yīng)變計所在點的應(yīng)變，原理如圖1所示。

圖1 弦式應(yīng)變計立面圖與原理圖

弦式應(yīng)變計在制作完成后，其內(nèi)部鋼弦具有一定的初始張力T，根據(jù)式(1)確定對應(yīng)的初始頻率f：

(1)

式中：ρ為鋼弦材料的線密度，kg/m；L為鋼弦的有效長度。

當(dāng)應(yīng)變計被安裝在鋼箱梁表面后，鋼弦的拉力隨著鋼梁的變形變化，通過弦張力的變化可以測出鋼梁的應(yīng)變大小。某個施工階段，測鋼弦頻率是fi，可以推出鋼弦的張力變化值：

(2)

式中;k=4ρL2，由式(1)可以得出。鋼梁與弦連接牢固，故假定鋼梁應(yīng)變ε與鋼弦應(yīng)變εg變形協(xié)調(diào)，

(3)

3 傳感器截面布置與安裝

實測采用長沙金碼測控科技股份有限公司生產(chǎn)的 JMZX-212HAT 表面智能數(shù)碼弦式應(yīng)變計作為應(yīng)變測試儀器，具體參數(shù)見表1。

表1 JMZX-212HAT 表面智能弦式應(yīng)變計主要參數(shù)

安裝表面式振弦應(yīng)變傳感器時首先將基座按測量方向焊接在構(gòu)件表面，基座安裝完成后，再將應(yīng)變計安裝在基座上。JMZX-212HAT 表面智能數(shù)碼弦式應(yīng)變計根據(jù)張力弦原理制造，以頻率作為輸出信號，傳感器內(nèi)置計算芯片，采用JMZX-3001L綜合測試儀可以直接獲取應(yīng)變、頻率以及溫度等具體物理參數(shù)，具有良好的測試精度和可靠性。

拱肋縱橋向共布置5個應(yīng)力-溫度測試斷面，斷面分別位于拱腳附近、拱圈的L/4和3L/4處，以及跨中處。具體傳感器布置圖如圖2所示，傳感器安裝如圖3所示。

圖2 各構(gòu)件傳感器布置大樣圖(單位：cm)

圖3 拱肋和系梁傳感器安裝圖

4 溫度影響分析

4.1 溫度引起弦標(biāo)距變化對測試的影響

弦式應(yīng)變傳感器具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、溫度修正效果明顯等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各類工程的長期應(yīng)力監(jiān)測。溫度的變化，造成材料熱脹冷縮，導(dǎo)致了弦的有效長度發(fā)生改變，進(jìn)而引起弦內(nèi)張力改變。溫度升高，弦伸長，有效長度增大，弦張力減小；相反，溫度降低會導(dǎo)致弦張力增大。根據(jù)式(1)，溫度改變時的弦振頻率為：

(4)

(L+ΔL)/L=1+Δε×10-6≈1

(5)

(6)

從上述各式可得，溫度引起的振弦長度變化對弦自振頻率的影響可以忽略不計。

4.2 表貼式應(yīng)變傳感器的溫度影響修正公式

當(dāng)溫度恒定時，弦張力與弦自振頻率關(guān)系一定，外界發(fā)生變形時，弦張力也會隨之改變；當(dāng)外界變形時，弦張力會隨著溫度的改變而發(fā)生相應(yīng)的改變。在實際的橋梁監(jiān)控過程中兩者往往同時發(fā)生，測試的應(yīng)變應(yīng)是外界形變和溫度變化共同作用引起的。結(jié)構(gòu)真實的應(yīng)變值變量應(yīng)是測試總應(yīng)變變量剔除溫度變化引起的應(yīng)變值變量：

(7)

式中：m為鋼弦單位長度的質(zhì)量；E為鋼弦的彈性模量；A為鋼弦的截面積；α為振弦金屬材料的熱膨脹系數(shù)；Δt為溫度變化。

4.3 日照對應(yīng)變傳感器的溫度影響修正公式

對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，一般是采用表面振弦式傳感器進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。其工作環(huán)境一般是在空氣中，在實際橋梁施工監(jiān)控過程中，應(yīng)力應(yīng)變測量難以都在無日照的條件下完成。受日照影響，應(yīng)變筒與振弦的溫度變化不一致，并且鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)一般會噴射油漆防止銹蝕，油漆本身也具有隔熱作用，導(dǎo)致油漆內(nèi)外側(cè)溫度并不一致?，F(xiàn)取一組應(yīng)變傳感器安裝在橋梁施工中的同等材料進(jìn)行日照試驗，每隔30 min進(jìn)行一次應(yīng)變和溫度測試，溫度與應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 構(gòu)件無約束應(yīng)變-溫度關(guān)系圖

從圖4可知，溫度每升高1℃，約產(chǎn)生2.72×10-6左右的拉應(yīng)變，因此在橋梁施工現(xiàn)場測試中應(yīng)盡量選擇溫度場較為恒定的條件下進(jìn)行應(yīng)變測試，避免日照影響，后續(xù)施工階段應(yīng)變測試按照本次試驗結(jié)果進(jìn)行溫度修正。

在靜定結(jié)構(gòu)中，溫度變化會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部并不會因此產(chǎn)生內(nèi)力。但在超靜定結(jié)構(gòu)中，溫度不僅會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變，同時在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力。對于大跨徑橋梁來說，通常箱梁截面設(shè)計尺寸較大，在日照作用下很容易形成箱梁同一截面不同位置處溫度變化并不均勻。為了修正日照造成的不均勻溫度場的影響，在橋梁低強(qiáng)度施工作業(yè)的條件下，選擇拱頂、拱腳2處截面(在拱肋完成焊接后豎向支撐拆除之前，盡可能避免橋面低強(qiáng)度施工作業(yè)的影響),每隔20 min進(jìn)行一次應(yīng)變和溫度測試，測試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 拱頂F-F截面處應(yīng)變-溫度關(guān)系圖

圖6 拱腳H-H截面處應(yīng)變-溫度關(guān)系圖

從圖5和圖6可知，由于受日照的影響，同一截面各位置處的溫度變化量不一致，截面上部傳感器溫度增長較快，而截面下部的傳感器溫度增長較慢。同一截面各位置處溫度變化不一致導(dǎo)致了其溫度-應(yīng)變速率變化不一致。其主要原因是：其一，受日照影響整個大氣溫度變化引起結(jié)構(gòu)熱脹冷縮效應(yīng)，受到約束作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力；其二，由于結(jié)構(gòu)截面過大，截面上側(cè)和東側(cè)(向陽側(cè))，受到日照影響，溫度變化較快，而截面下側(cè)和西側(cè)(背陽側(cè))不易受日照影響，溫度變化較慢，同一截面沿高度方向上溫度為非線性變化時則各縱向纖維會互相約束，產(chǎn)生應(yīng)變。

為進(jìn)一步分析日照引起的截面溫度不均勻變化的影響，應(yīng)用MIDAS Civil有限元分析軟件建立有限元模型進(jìn)行分析計算。具體溫度工況分為：結(jié)構(gòu)整體升溫工況，拱肋上、下側(cè)溫度梯度工況，拱肋東、西側(cè)溫度梯度工況，計算結(jié)果和上述實驗結(jié)果見表2。

表2 溫度引起應(yīng)力實測結(jié)果與有限元結(jié)果對比

從表2可得，溫度引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力實測結(jié)果與有限元模擬結(jié)果基本吻合，實測結(jié)果略微偏小。結(jié)合實驗結(jié)果，通過對應(yīng)變-溫度測試結(jié)果進(jìn)行修正，可以有效降低溫度對應(yīng)變測試結(jié)果的影響。實際上，結(jié)構(gòu)受日照等因素的影響，其所處的溫度場是不均勻的，而有限元模擬通常假定結(jié)構(gòu)所處的溫度場是恒定的，所以導(dǎo)致有限元模擬結(jié)果會偏大，但相對偏差較小，對應(yīng)力測試結(jié)果的影響可以忽略不計。

5 結(jié) 論

受日照影響，即使在同一截面處結(jié)構(gòu)的溫度并不一致，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試的過程中，應(yīng)消除測試截面溫度變化結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試的影響。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果與有限元分析進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)溫度引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力實測修正結(jié)果與有限元模擬結(jié)果基本吻合，實測結(jié)果較模擬值略微偏小。對弦式傳感器測試結(jié)果進(jìn)行擬合分析，能夠有效消除溫度與日照對傳感器測試結(jié)果的影響，精確地反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。