監(jiān)理工程師輔導(dǎo)：大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測中的幾個(gè)問題

監(jiān)理工程師輔導(dǎo)：大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測中的幾個(gè)問題

　　摘要：分析了大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測中存在的問題，介紹了改進(jìn)措施及提高測試精度的具體方法。

　　關(guān)鍵詞：施工應(yīng)力 測試 量測 補(bǔ)償 無應(yīng)力計(jì) 工作應(yīng)變計(jì) 電阻差動式 振弦式

　　一、前言

　　近幾年，我院承擔(dān)了十余座大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測任務(wù)。有斜拉橋、連續(xù)梁及剛構(gòu)等多種橋式。在完成合同規(guī)定任務(wù)的同時(shí)，為了提高測試質(zhì)量還做了不少的試驗(yàn)和探討。根據(jù)對混凝土橋梁施工應(yīng)力的觀測，發(fā)現(xiàn)目前還有些問題沒有很好的解決，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷地提高測試質(zhì)量，是當(dāng)前橋梁建設(shè)發(fā)展的需要。

　　隨著橋梁事業(yè)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁得到廣泛應(yīng)用，不同橋式的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在不斷興建，跨度逐步加大，結(jié)構(gòu)也向薄壁輕型發(fā)展，懸臂施工中不安全因素隨之增大。為了避免安裝應(yīng)力失控，有更多的橋梁對施工進(jìn)行監(jiān)控，對施工應(yīng)力測試也提出了更高的要求?，F(xiàn)在施工應(yīng)力測試技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上橋梁工程發(fā)展的需要。

　　本文在總結(jié)多年來大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工應(yīng)力測試的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前測試存在的問題，談?wù)勌岣邷y試精度、確保測試質(zhì)量的具體方法。

　　二、提高測試質(zhì)見的探討

　　混凝土為非勻質(zhì)材料，除受力變形外還有多種因素同樣引起變形。目前對混凝土應(yīng)力直接測試尚無完善的方法，仍是通過應(yīng)變量測再進(jìn)行換算，由于多種變形的摻入，使得測試工作變得十分復(fù)雜。

　　溫度對橋梁結(jié)構(gòu)影響很明顯可分兩個(gè)方面，一是結(jié)構(gòu)隨溫度變化發(fā)生變形，即熱脹冷縮;另外由日照等原因引起結(jié)構(gòu)溫差，溫差對結(jié)構(gòu)影響大，也很復(fù)雜。

　　濕度對混凝土結(jié)構(gòu)影響也比較明顯，近來采用泵送混凝土，由于水和水泥用量的增多，于縮變形也隨之變大。

　　混凝土自身體積變化是由內(nèi)部膠凝材料的水化作用引起的變形，對結(jié)構(gòu)有影響，但不太明顯。

　　徐變是混凝土特性之一，在荷載不變情況下，變形在不斷增加。它對結(jié)構(gòu)受力影響明顯，也很復(fù)雜。

　　關(guān)于混凝土變形總起來可歸納為兩類：一類是混凝土受力變形，包括荷載彈性變形、徐變變形及溫差引起的變形;另一類為體積變形，是指混凝土溫度變形、濕度變形及自身體積變形等?？捎孟率奖硎荆害趴?ε受力+ε體積=(ε何載+ε徐變+ε溫差)+(ε溫+ε濕+ε自)

　　施工應(yīng)力測試就是將觀測部位在不同工況下由荷載引起彈性應(yīng)變。荷載量測出來，用下式換算出應(yīng)力σ荷=Eε荷載式中，E為彈性模量。

　　而應(yīng)變測值包括了上述兩類變形。為了得到較準(zhǔn)確的荷載應(yīng)變，多年來一直研究如何把其他應(yīng)變從測值中分離出來。

　　1.體積變形補(bǔ)償方法的試驗(yàn)

　　水工大壩的監(jiān)測一直采用雙壁筒式無應(yīng)力計(jì)，它由雙層鐵皮筒和填在中間的軟材料構(gòu)成，它可以消除荷載引起的變形。測值僅是混凝土體積變形，用來補(bǔ)償大壩混凝土體積變形。

　　70年代在九江長江大橋的沉井試驗(yàn)中曾用這種無應(yīng)力計(jì)。在沉井尚未下沉?xí)r經(jīng)觀測就發(fā)現(xiàn)無應(yīng)力計(jì)的溫度與應(yīng)變計(jì)不一致。濕度相差更大，當(dāng)井壁混凝土于縮達(dá)200～300微應(yīng)變時(shí)，而無應(yīng)力計(jì)只有數(shù)十個(gè)微應(yīng)變，沉井下沉后，由于井壁浸水膨脹，差距才逐漸減小。

　　據(jù)分析由于簡內(nèi)混凝土周圍有鐵皮和軟材料包圍。影響熱傳導(dǎo)和水分散發(fā)，使箱內(nèi)外混凝土在溫度和濕度方面都出現(xiàn)了差異。

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證還制作了混凝土試塊，同時(shí)埋設(shè)工作應(yīng)變計(jì)和無應(yīng)力計(jì)。試塊灌注后養(yǎng)生期間就發(fā)現(xiàn)二者逐漸產(chǎn)生了差別，隨著齡期增長差別越來越大。此時(shí)的試塊沒有受力，應(yīng)變計(jì)測值也應(yīng)和無應(yīng)力計(jì)一樣都是體積變形，二者不一致，證明筒式無應(yīng)力起不到補(bǔ)償作用。后來還試用過尺寸不同的混凝土塊，內(nèi)設(shè)同一型號的應(yīng)變計(jì)，作為補(bǔ)償塊。補(bǔ)償塊與結(jié)構(gòu)上對應(yīng)的混凝土同時(shí)灌注，同樣養(yǎng)生，測試時(shí)將補(bǔ)償塊放在觀測的部位，盡量保持同樣的條件。但由于補(bǔ)償塊體積小，界面多，熱傳導(dǎo)及水分散發(fā)比較快，后來也發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償塊內(nèi)的溫度和濕度與結(jié)構(gòu)之間存在較大的差別。同樣起不到良好的補(bǔ)償作用。

　　2.減少溫差及徐變影響的措施

　　橋梁結(jié)構(gòu)的溫差多來自日照，氣溫驟降也能形成溫差。根據(jù)觀測，日照引起的梁頂與梁底溫差可達(dá)17～19℃。它能使某些部位產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力。也可能使施工中懸臂端產(chǎn)生較大的變位。具體與結(jié)構(gòu)本身力學(xué)特性及周圍約束有關(guān)。由于日照引起的溫度場本身又是隨機(jī)變量。所以溫差給結(jié)構(gòu)帶來影響相當(dāng)復(fù)雜。

　　減少溫差影響有效方法是早晨日出之前進(jìn)行量測。日照形成的溫差經(jīng)過一夜基本上趨于平穩(wěn)。只有封閉箱內(nèi)外有溫差，但影響不大。早晨不但是梁的各部位溫差最小，而且全橋的各部分溫差也最小。因此早晨日出之前進(jìn)行量測是消除溫差影響有效的方法。

　　混凝土徐變變形受多種因素影響，比較復(fù)雜。其中徐變變形大小與加載齡期長短有關(guān)。減少徐變的影響，可采用加密量測次數(shù)，取每次加載前后相對值累計(jì)辦法，有一定效果。 懸臂施工中每澆筑(或拼裝)一個(gè)梁段需要一定時(shí)間，測試可將其中幾個(gè)荷載變化比較大的工序選出來。如移掛籃、綁鋼筋、澆混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力等，在這些工序進(jìn)行前后分別進(jìn)行量測，取前后差值疊加累積。這樣雖然不可能將徐變影響完全分離出去，但總可以減少一部分誤差。

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　　三、關(guān)于測試元件的選用

　　大跨度混凝土橋梁施工應(yīng)力測試有不少條件限制和一定的困難，因此對測試元件要求也很高。一，測試時(shí)間較長，一般在一年左右，有些還要長，要求測試元件長期穩(wěn)定性好;二，荷載增減頻繁，但每次變化量不一定很大，因此要求測試元件靈敏度要高;三、橋梁多為薄壁結(jié)構(gòu)，鋼筋密又沒有預(yù)應(yīng)力，元件埋設(shè)困難，元件體積盡可能小，構(gòu)造簡單，不易損壞;四、測點(diǎn)比較分散，電線、電纜分散在橋面上，由于施工干擾碰傷砸斷經(jīng)常發(fā)生，因此元件最好有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

　　根據(jù)上述要求，以前多使用電阻差動式(DI一100)應(yīng)變計(jì)，它在靈敏度和長期穩(wěn)定性方面都能滿足要求。體積小安裝埋設(shè)也比較方便，但它是利用“電阻變化”的原理做成的傳感器，容易受溫度的影響，除元件本身受溫度影響需隨時(shí)修正外，其電纜及接頭的變化也給測值造成波動。本來混凝土結(jié)構(gòu)的測試就很復(fù)雜，再加上元件本身易受外來干擾，更增加測試工作的困難。

　　后改用振弦式應(yīng)變計(jì)，它在長期穩(wěn)定和靈敏度方面同樣能滿足要求，另外它是通過振頻變化轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的，從構(gòu)造看鋼弦和外殼同樣是鋼質(zhì)，熱膨脹系數(shù)基本一致，因此對溫度變化不敏感，對導(dǎo)線要求也不高。改用振弦式元件后不但整理數(shù)據(jù)簡單省事，而且從測試結(jié)果看規(guī)律性也好。

　　但振弦式元件目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家多是地方小廠，其中的關(guān)鍵是對鋼弦的處理。如處理不到位，在長期測試中易于松弛，造成零點(diǎn)飄移，給數(shù)據(jù)分析帶來麻煩。使用前最好提前半年購置，然后觀測零點(diǎn)穩(wěn)定情況。另外還要選擇少數(shù)進(jìn)行重標(biāo)定，校核廠家的標(biāo)定曲線。

　　目前振弦式應(yīng)變計(jì)外殼多用鋼管，有的鋼管壁厚，使用前應(yīng)檢查應(yīng)變計(jì)本身的剛度，如大于同截面混凝土剛度時(shí)，還要通過試驗(yàn)找出兩者剛度比對測值進(jìn)行修正。

　　振弦式應(yīng)變計(jì)因構(gòu)造關(guān)系，對拉應(yīng)力測試誤差大，當(dāng)觀測部位有拉應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)改用其他測試元件。

　　四、關(guān)于測試中幾個(gè)應(yīng)注意的問題

　　(1)施工應(yīng)力監(jiān)測涉及到的資料和數(shù)據(jù)很多。除設(shè)計(jì)資料外，施工方面也很多，如施工工藝、施工方案、施工組織設(shè)計(jì)及掛籃、模板有關(guān)數(shù)據(jù)。橋上主要施工機(jī)具設(shè)備的重量及其他施工荷載等。事前應(yīng)認(rèn)真收集、仔細(xì)調(diào)查。

　　對結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析計(jì)算十分必要。測試應(yīng)根據(jù)需要建立自己的計(jì)算系統(tǒng)。事先對觀測部位在各種工況下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算，做到心中有數(shù)。

　　(2)應(yīng)變計(jì)安裝要經(jīng)歷混凝土澆注、振搗及混凝土硬化等過程。尤其是混凝土硬化是一個(gè)很復(fù)雜的變化過程，有水化熱溫升和自身體積的收縮。由于溫度場及于縮變化不均，往往造成殘余應(yīng)力會影響應(yīng)變計(jì)，造成讀數(shù)波動大也不穩(wěn)定。為了確定測點(diǎn)初始值，混凝土澆注后應(yīng)當(dāng)跟蹤觀測，以穩(wěn)定后的測值作為初始值。有些測點(diǎn)需較長時(shí)間才能穩(wěn)定，又要配合施工進(jìn)行量測，對這部分測點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有明顯不合理時(shí)，可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

　　(3)大跨度橋梁施工過程中，不可避免會出現(xiàn)一些問題，有時(shí)會打亂正常施工順序，施工荷載也會變化，測試時(shí)應(yīng)注意變化，并作好記錄。不少變化將直接影響測試結(jié)果。

　　另外測試中發(fā)現(xiàn)個(gè)別測點(diǎn)異常，應(yīng)及時(shí)檢查，發(fā)現(xiàn)干擾盡快排除。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)測點(diǎn)附近停放施工機(jī)具材料或因上面有積水，也會給測試結(jié)果帶來影響。

　　(4)對能反映結(jié)構(gòu)工作特性應(yīng)力比較集中的測試部位，應(yīng)適當(dāng)多設(shè)元件，以防安裝或測試過程中造成損壞而測不到關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還可以采用不同的手段或其他類型元件，同時(shí)進(jìn)行測試。

　　(5)由于混凝土性質(zhì)有變易性，在施工應(yīng)力測試中，應(yīng)根據(jù)工地實(shí)際情況，做一些有關(guān)混凝土性質(zhì)的試驗(yàn)和觀測，如混凝土彈性模量、于縮量，如有條件還可進(jìn)行其他方面觀測，利用這些數(shù)據(jù)對測試資料進(jìn)行分析，可能減少一部分誤差。

　　(6)觀測資料除及時(shí)整理交委托單位外，還要進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)不正?；蜻^大偏差時(shí)，找出原因，盡早地進(jìn)行修正。從以往觀測資料看，實(shí)測與理論計(jì)算總有差距。測試數(shù)據(jù)與計(jì)算值存在偏差是正常的，施工中懸澆塊件超重，施工荷載變化，徐變造成的誤差及測試元件和儀器的誤差，都會給測值帶來偏差。

　　(7)正因?yàn)槭┕?yīng)力測試工作難度比較大，所以要組織有一定經(jīng)驗(yàn)人員長駐現(xiàn)場，除認(rèn)真細(xì)致進(jìn)行測試工作外，還要不斷分析研究，探討提高測試精度。從以前測試情況看，參與測試的工作人員的責(zé)任心和工作態(tài)度是測試能否取得可靠數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

　　五、結(jié)語

　　綜上所述，對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測，至今仍有不少問題沒有更好的解求方法。在科學(xué)的方法沒有建立之前，經(jīng)驗(yàn)的積累十分重要。當(dāng)前由于工程發(fā)展需要，正推動這項(xiàng)測試工作不斷開展，在這大好的時(shí)機(jī)中，只要堅(jiān)持不斷地實(shí)踐，不斷地分析總結(jié)，不斷地試驗(yàn)探索，必將使混凝土橋梁施工應(yīng)力測試工作更快地走向完善。