预应力混凝土连续刚构桥实测应变与应力的转换
大跨预应力混凝土连续刚构桥梁现场应力测试的若干问题研究
中图分类 号 ：４ １５ Ｕ ４ ．
文 献标 识码 ： Ａ
０ 前
言
随着我国高速公路建设 的蓬勃发展 ， 桥梁建设进入了前所未有的高潮时期 ， 大跨度桥梁的结构多样化 ，
推动了桥梁工程科研 、 设计 、 施工和管理水平的提高， 为了保证桥梁结构运营的安全性、 适用性 、 耐久性， 实施 特大桥梁施工过程控制， 是确保桥梁建造质量和安全 的重要手段 ； 同时 ， 结构的应力应变测试还可以用于桥 梁的跟踪监测 ， 进一步完善桥梁设计理论 ， 对大跨度预应力混凝土桥梁而言， 由于混凝土材料的非均匀性， 受 设计 参数 的选取 、 施工状 况 的确定 和结 构分 析模 型等 诸多 因素 的影 响 ， 结构 的实 际应力 与设 计应力 很难 完全 吻合 ， 因此 ， 在预应力混凝土结构的施工中， 通过系统识别 、 误差分析与处理 ， 使测试应力尽可能地接近于实 际， 从而准确地掌握结构 的真实应力状态－ ， ｌ 对保证桥梁结构的施工安全具有十分重要的现实意义。 ｊ
要： 将钢 弦 应 变传 感 器原件 埋设 于 大跨 度预 应 力混凝 土连 续刚构桥 梁 中， 箱 梁关键 截 面 对
的应 力 实施跟 踪 测试和控 制 ， 阐述 了混 凝 土钢 弦应 变计的 测试原理 ， 通过 对 实际工程 结构 测试
应 力数 据的误 差分 析 ， 包括混 凝 土弹性模 量的误 差 、 凝土应 变滞后 、 混 温度 影 响 、 混凝 土收 缩徐
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第３ 卷第３ ７ 期
２０ 年 ５月 ０８
贵 州 工业 大 学 学报 （自然科 学版 ）
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ Ｏ Ｉ Ｆ ＧＵ ＺＨＯＵ ＵＮＩ Ｒ Ｉ Ｙ Ｆ Ｉ ＶＥ Ｓ Ｔ Ｏ ＥＣＨＮＯＬ ＯＧＹ ｆ ａｕａ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｔｒｌ ｉｎ ｅ Ｅ ｉｏ ） Ｎ Ｓ ｉ
预应力混凝土连续梁及悬臂梁桥采用悬臂施工时需进行体系转换
桥 梁 工 程
一、悬臂浇筑施工程序
悬 施工程序一般如下： 臂 1、在墩顶托架上浇筑0号块，并实施墩梁临时固结系统。 法 施 工 2、在0号块上安装悬臂挂篮，向两侧依次对称地分段浇筑 主梁至合龙段。
3、在临时支架或梁端与边墩间临时托架上支模板浇筑现浇 梁段。当现浇段较短时，可利用挂篮浇筑；当与现浇段相 接的连接桥是采用顶推法施工，可将现浇段锚在顶推梁前 端施工，并一起顶推到位。
桥 梁 工 程
三、梁段悬浇施工
悬 (五)梁段混凝土的浇筑 臂 法 7、桥墩两侧梁段悬臂施工进度应对称、平衡。 施 工 8、梁段混凝土达到要求的强度后，方可进行预应力筋的张 拉、压浆。 9、梁段混凝土的拆模时间，应根据混凝土强度及施工安排 确定。混凝土应尽量采用早强措施，使混凝土的强度及早 达到预施应力的强度要求，缩短施工周期，加快施工进度。 10、混凝土养护应覆盖洒水，如冬期施工，应按冬期施工 的规定执行。
为了检验挂篮的性能和安全，并消除结构的非弹性变形， 应对挂篮试压。 试压通常采用试验台加压法、水箱加压法等。
菱形挂篮试验台试压示意图
1-千斤顶；2-拉杆；3-预埋钢筋； 4-观测点；5．承各；6-桩
桥 梁 工 程
三、梁段悬浇施工
悬 (三)挂篮加载试验 臂 ；2-观测点；3-纵桁梁；4-吊杆； 5-底篮；6-水箱；7-墩顶梁段；8-后锚固
桥 梁 工 程
三、梁段悬浇施工
悬 臂 法 施 工
(五)梁段混凝土的浇筑
4、各阶段预应力束管道在灌混凝土前，宜在波纹管内插入 硬塑管作衬填，以防管道被压扁；管道的定位钢筋应用短 钢筋做成井字形，并与箱梁钢筋网固定，定位钢筋网架间 距应保持在0.2-0.8m左右，以防混凝土振捣过程中波纹管 道上浮，引起预应力张拉时产生沿管道法相的分力，轻则 产生梁体的内力分布不合理，重则产生混凝土崩裂，酿成 严重事故。 5、施工时应在挂篮上设风雨蓬，避免混凝土因日晒雨淋而 严重影响质量。冬季施工应备保温设施。有条件时，挂篮 可以配备能保证全天候作业的设备，以提高作业效率和保 证质量。 6、箱梁混凝土灌注完毕后，立即用通孔器检查管道，处理 因万一漏浆等情况出现的堵管现象。
预应力混凝土实际应力分析方法
预应力混凝土实际应力分析方法预应力混凝土是一种先施加预应力再灌注混凝土的建筑材料，具有高强度、高刚性和耐久性等优点。
在预应力混凝土的设计和施工过程中，实际应力分析是一项关键的工作，能够帮助工程师确定预应力钢筋的预张力、混凝土的强度等参数，从而保证预应力混凝土结构的安全性和可靠性。
本文将介绍预应力混凝土实际应力分析的具体方法。
一、预应力混凝土实际应力分析的基本原理预应力混凝土中的预应力钢筋和混凝土之间存在着一定的相互作用关系，预应力钢筋的预张力会产生一定的压应力，而混凝土的强度和刚度也会受到外界载荷的影响而发生变化。
因此，在进行预应力混凝土实际应力分析时，需要考虑预应力钢筋和混凝土之间的相互作用关系，以及外界载荷对混凝土的影响。
预应力混凝土实际应力分析的基本原理如下：1. 建立混凝土的应力-应变关系混凝土的应力-应变关系是指在外界载荷下，混凝土中各点的应力和应变之间的关系。
混凝土的应力-应变关系通常采用双曲线模型或抛物线模型进行描述。
其中，双曲线模型适用于中等强度的混凝土，而抛物线模型适用于高强度混凝土。
建立混凝土的应力-应变关系是预应力混凝土实际应力分析的基础。
2. 确定预应力钢筋的预张力预应力钢筋的预张力是指在混凝土灌注之前，通过拉伸预应力钢筋来施加的预应力。
预应力钢筋的预张力大小决定了混凝土的受压强度和受拉强度。
在预应力混凝土实际应力分析中，需要根据设计要求和混凝土的强度等参数来确定预应力钢筋的预张力。
3. 计算混凝土中的应力和应变在确定了混凝土的应力-应变关系和预应力钢筋的预张力之后，可以通过数值计算的方法来计算混凝土中各点的应力和应变。
在计算过程中需要考虑预应力钢筋和混凝土之间的相互作用关系以及外界载荷的影响。
4. 分析混凝土的破坏形态预应力混凝土的破坏形态包括拉伸破坏和压缩破坏两种类型。
拉伸破坏是指混凝土中的预应力钢筋拉断，而压缩破坏是指混凝土中的压应力达到了混凝土的极限强度而发生破坏。
预应力混凝土桥梁应力长期监测研究
预应力混凝土桥梁结构应力长期监测研究摘要：混凝土构件的应力状态与结构的安全直接相关，因此对于预应力混凝土桥梁的施工监控以及营运过程中的健康监测，混凝土的应力监测是一项相当重要的内容。
然而在长期监测的情况下，目前常用的钢筋应变计测量应力的方法存在较大的偏差。
针对这一问题，本文对混凝土徐变效应进行了数值模拟，研究了徐变对混凝土、钢筋应力的影响，并提出了用钢筋计进行长期应力监测的近似修正方法。
关键词：预应力混凝土桥梁；应力监测；徐变；1. 混凝土的应力测量为了对混凝土构件应力状态进行监控，大跨桥梁在施工过程中通常埋设振弦式钢筋应变计，得到的是钢筋的应变。
对于短期活载应力(认为周围环境条件不变)，根据钢筋与混凝土发生相同的应变可以得到钢筋附近混凝土的应力；当把混凝土受荷前的应力状态作为零应力状态时，也可以由钢筋计的数据直接得到混凝土短期绝对应力。
然而，对于混凝土的长期绝对应力，由于受多种因素的影响，不能直接利用钢筋计得到的应变数据计算得到。
通过钢筋计直接测得的应变是长期总应变，可以表示为[1]：()()εεεεεε=++++(1)总弹徐变收缩自身温度式中，ε弹为荷载引起的弹性应变；ε徐变徐为相应的徐变应变；ε自身为混凝土自身体积应变；ε温度为自由温度应变；ε收缩为混凝土收缩应变。
其中后三种应变之和称为无应力应变。
对于无应力应变的分离，目前常采用无应力计[2]。
无应力计实际上就是在原应力计的基础上加入了无应力补偿。
由于混凝土徐变应变的大小和混凝土的实际应力有关，徐变应变的分离成为混凝土长期应力监测中的难题，目前还没有公认的有效方法。
2 主梁节段徐变效应数值模拟以某座预应力混凝土斜拉桥为例，采用数值模拟的方法来考察其主梁节段的徐变效应以及钢筋、混凝土应力随时间的变化情况。
2.1 模型的建立选取该桥的一段长6m(索距)的边主梁，为了减小计算规模，在主梁中心沿高度和长度方向选取一片作为平面分析对象，其厚度换算成单位厚度，如图1所示。
预应力混凝土连续钢架桥
第1章绪论1.1 连续刚构桥简介为了跨越各种障碍（如河流、沟谷或其他线路等），必须修建各种类型的桥梁与涵洞，因此桥涵是交通线路中的重要组成部分。
特别是现代高等级公路以及城市高架道路的修建中，桥梁往往是保证全线早日通车的关键。
在经济上，一般说来桥梁和涵洞的造价平均占公路总造价的10%～20%，而且随着道路等级的提高，其所占比例还会加大。
在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，在需要快速机动的现代战争中具有非常重要的地位[1]。
桥梁的建设水平已成为衡量一个国家综合经济实力和科学技术水平的重要标志。
由于应用传统的钢桥悬臂施工方法，使预应力混凝土梁式桥的悬臂体系得到了新的发展，形成了T形刚构桥。
随后又出现了将T形刚构粗厚桥墩减薄，形成柔性桥墩，使墩梁固结、主梁连续从而形成连续刚构桥[2]。
连续刚构桥跨中不设铰也不带挂梁，桥面连续、行车平顺。
更重要的是梁体内的内力分布更加合理，能充分发挥高强材料的作用，有利于增大跨径。
随着桥梁施工技术水平的提高，对混凝土收缩、徐变、温度变化、预应力作用、墩台不均匀沉陷等因素引起的附加内力研究的深入和问题的不断解决，大跨度预应力混凝土连续刚构桥已成为目前主要采用的桥梁结构体系。
连续刚构的结构特点是主梁连续、墩梁固结，既保持了连续梁无收缩缝、行车平顺的优点，又保持了T形刚构不设支座、无需体系转换的优点，方便施工，而且很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度能很好地满足较大跨径桥梁的受力要求。
因此它是一种极有生命力的桥梁结构形式，己成为大跨度预应力混凝土桥梁的首选桥型[3]。
我国的连续刚构桥自八十年代开始从国外引进，1990年建成第一座跨径为180m 的大跨度预应力混凝土连续刚构桥—广东洛溪大桥，随着高强预应力钢材、高强混凝土、大吨位张拉锚固体系的应用与发展，设计手段的计算机化，施工水平的提高，我国大跨度连续刚构桥取得了迅速发展。
1.2 本次设计的主要内容本次设计任务是设计一座跨度为12 m +19 m +19 m +12 m的普通钢筋混凝土连续刚构桥，该桥为某运煤铁路专线与下广一级公路的立体交叉构造物，桥轴线与下广公路中线正交，该桥两端分别与车站毗邻，轨底标高与公路中心标高均已确定。
其他桥型(预应力混凝土连续梁(刚构)桥)详解
采用挂篮的悬臂灌注法（续）
施工图片
采用吊机的悬臂拼装法
悬臂拼装法－包含梁的节段预制和悬臂拼装施工两方面的内容 节段预制－在工厂或桥位附近进行预制，长线法和短线法 企口缝－控制节段的高程和水平位置，提高结构的抗剪能力 拼装设备－移动式吊机（类似于挂篮）、桁式吊等 节段接缝－可采用湿接缝、胶接缝和干接缝
横截面布置－箱形截面
具有良好的抗弯和抗扭性能， 是预应力混凝土连续梁桥的 主要截面型式
单箱，单室，单箱双室截面， 双箱单室、双箱双室、多箱 单室等
顶板和底板－结构承受正负 弯矩的主要部位
腹板－主要承受结构的弯矩 剪应力以及扭转剪应力引起 的主拉应力
梗腋（或称承托）－设置在 腹板与顶、底板接头处
实桥箱梁截面
Z = M+W+dW
横截面剪应力：
= M+ K +W+dW
纵截面横向弯曲应力：
S = dt + C
简化方法
设计概要（续）
连续梁恒载、活载内 力计算
恒载内力－对存在体系 转换的桥梁，其最终恒 载内力是各个施工阶段 的恒载内力之和
三跨连续梁例 计算说明
恒载不重复计算 计算步骤可按力学
等效原则进行合并 简化 剪力计算同时进行
桥例：佛开高速公路九江大桥
预应力混凝土连续梁，分跨50＋100＋2×160＋100＋50m， 国内排名第二，1996年建成，悬臂拼装施工，右图为节段 预制现场 悬拼特点：进度快；制梁质量好；混凝土收缩徐变少；线 形容易控制；适合于多跨施工
架桥机架梁（移动支架法）
1996年7月，石长线湘江铁路桥62+7×96+62米 步骤：1、悬臂拼装至两T构现浇合龙段；2、架桥机前移；3、就位
《预应力混凝土连续刚构桥的内力计算及荷载组合案例综述3000字》
预应力混凝土连续刚构桥的内力计算及荷载组合案例综述1.1 模型简介采用MIDAS Civil建立模型，模拟各个施工过程，对所设计桥梁进行强度、刚度、抗裂性等进行验算。
具体建模顺序为：1. 建立节点、单元，输入材料特性2.输入截面3.建立边界条件4.建立荷载工况，输入荷载5.预应力钢筋量估算及输入预应力钢筋6.建立组，输入施工阶段7.运行，进行PSC设计，对截面抗弯、抗剪、抗裂等进行验算1.2 全桥结构单元的划分1.2.1 划分单元原则根据有限元的分析方法，考虑梁的跨径、截面变化、结构方案、施工方案，遵循结构离散化的原则，划分单元并对单元和节点编号，划分原则如下：1.桥梁结构的起点和终点，截面变化处的起点和终点要编制节点；2. 构件的转折点和截面的变化点；3. 施工分界线处设置单元分界线，即设置节点号；1. 边界或支承处应设置节点；5. 单元既不能过长也不能过短，应根据施工的要求并考虑活载的计算，单元长度过大时，应适当细分。
1.2.2 桥梁具体单元划分根据以上的划分原则，本桥共划分139个节点，130个单元第1页图4-1 结构离散模拟图1.3 全桥施工节段划分上部结构采用悬臂浇筑施工法和满堂支架法进行施工。
0#块长为12m,悬浇段一共分为11个阶段，其中1#~4#悬浇段为1.5m一个节段。
5#~9#悬浇段为5m一个节段。
10#~11#悬浇段为1.5m一个节段。
具体的施工过程见下表：表4-1 具体施工过程第2页表4-2 悬臂浇筑法迈达斯模拟图第3页1.4 荷载信息及边界条件1.1.1 恒载①一期恒载：混凝土自重②二期恒载：包括桥面铺装与栏杆的重量。
梁两侧设置防撞栏杆，每侧取5 kN/m。
G=72.4KN/m。
因此：21.1.2 活载活载只有汽车荷载，取公路一级荷载。
1.1.3 温度变化的影响本设计考虑整体升温(+25℃)、整体降温(-25℃)、温度梯度三种情况。
1.1.4边界情况本设计设置的边界组包括主墩，边墩，0#现浇，边跨现浇，主墩刚接，边墩刚第4页第 5 页接。
预应力混凝土连续梁及悬臂梁桥采用悬臂施工时需进行体系转换即在课件
工程实例三
总结词：技术创新
详细描述：某大型水利工程的悬臂梁桥在体系转换过程中，采用了创新的技术方案。该方案结合了传统施工方法和现代工程 技术，实现了桥梁结构的优化和施工效率的提高。同时，该方案还考虑了环境保护和水资源利用等因素，体现了可持续发展 的理念。
悬臂施工法将桥梁分成若干段， 逐段进行施工，简化了施工过 程。
03
施工速度快
由于采用分段施工，可以同时 进行多个工作段的施工，提高 了施工效率。
04
对桥下交通影响较小
悬臂施工时，不需要在桥下设 置支撑结构，对桥下交通影响 较小。
悬臂施工法的应用范围
01
02
03
大跨度桥梁
悬臂施工法适用于大跨度 桥梁的施工，如预应力混 凝土连续梁桥、斜拉桥等。
特点
预应力混凝土连续梁及悬臂梁桥具有跨越能力强、承载能力高、结构稳定性好、 施工方便等优点，广泛应用于高速公路、铁路和城市交通等工程领域。
预应力混凝土连续梁及悬臂梁桥的应用
高速公路桥梁
预应力混凝土连续梁及悬臂梁桥在高速公路 建设中广泛应用，能够满足高速公路对大跨 度、高承载能力的要求。
铁路桥梁
在铁路建设中，预应力混凝土连续梁及悬臂 梁桥也得到了广泛应用，如京沪高速铁路、 京广高铁等。
注意事项
在体系转换过程中，应确保施工安全，严格控制施工荷载和变形，同时遵循设计要求和施工规范，确保转换过 程的顺利进行。
体系转换的优缺点பைடு நூலகம்
优点
预应力混凝土 V 型墩刚构桥 V 形区应力分析
预应力混凝土 V 型墩刚构桥 V 形区应力分析摘要：结合主跨 60m 某预应力混凝土 V 型墩刚构桥设计，对 V 形区进行局部建模，分析其应力分布趋势，对类似工程设计具有指导意义。
关键词：V 型墩刚构桥；V 形区；应力分布0.前言V 型墩连续刚构桥具有造型活泼、美观、富有动感的特点，桥梁景观效果较好，已成为国内外目前比较流行的一种桥型。
同类桥型比较典型的有：勒阿弗尔运河桥、长沙湘江南大桥、广西桂林雉山漓江大桥等。
1.V 型墩受力特点V 型墩连续刚构桥之所以发展成为一种单独的桥梁结构体系，在于它区别于其他类型桥梁所独有的结构外形、受力形式、预应力钢筋布设方法和墩柱材料的选择、施工方法等方面的特点，在桥梁建设中得到广泛应用。
与其他形式的桥梁相比，具有以下优点：由于采用 V 型墩，与同跨径竖直墩的连续梁桥或刚构桥相比，主梁的计算跨径减少，降低主梁弯矩，提升跨越能力；因减少了主梁的建筑高度，降低工程造价；可采用多种施工方法，有悬臂法、劲性骨架、平衡架和满堂支架法等。
但 V 型墩会存在大偏心受力，结构超静定次数比较多，受力复杂，历来是学术届和工程届关注的重点。
为了分析掌握 V 形区的力学结构行为，可以采用数值模拟手段对这一问题进行研究。
2.工程背景研究对象主桥上部结构采用(40+60+40)m 三跨预应力混凝土变截面 V 型墩刚构桥，单幅桥宽 13.99m，箱梁采用 C50 混凝土，截面形式为单箱双室直腹板截面，两侧翼缘板悬臂宽 3.0m。
箱梁根部梁高 H=2.8m，中跨跨中及边跨端部梁高H=1.8m，箱梁底板、梁高采用圆曲线变化，半径为 253.63m，顶板设置单向 2%横坡，底板水平，腹板铅直，主墩斜腿部分采用混凝土强度等级为 C50 的矩形截面，截面尺寸为 1.3m×8m ，与主墩竖直中心线分别成 40°倾斜，形成V 型构造。
跨中箱截面图及V 墩一般构造图如图 1 及图 2 所示。
预应力混凝土连续梁及悬臂梁桥采用悬臂施工时需进行体系转换即在课件
体系转换的原因
预应力混凝土连续梁及悬臂梁桥的跨度较大，施工 时需要分段进行，每个施工阶段的结构体系不同， 需要进行相应的转换。
为了满足设计要求，需要将不同施工阶段的结构体 系进行优化和调整，以达到最佳的结构性能。
预应力混凝土连续梁桥的优点包括结构稳定、变形小、耐久性好 等，广泛应用于高速公路、铁路和城市交通等场合。
预应力混凝土悬悬臂施工方法建造的桥梁，具 有单跨或多跨的结构形式。
02
预应力混凝土悬臂梁桥的优点包 括施工方便、跨越能力强、结构 轻盈等，适用于跨越河流、峡谷 等复杂地形。
在施工过程中，为了确保施工安全，需要将施工阶 段的结构体系进行转换，以适应不同的施工环境和 条件。
体系转换的过程
确定施工阶段的结构体系
根据设计要求和施工条件，确定每个施工阶段的 结构体系和相应的转换方式。
进行结构分析和优化
根据施工控制模型，对结构体系进行详细的分析 和优化，确定最优的结构体系和转换方式。
悬臂施工方法的介绍
悬臂施工方法是一种常用的桥梁施工 方法，通过在墩台上逐段拼装梁体， 逐步向两侧延伸，最终完成整个桥梁 的施工。
悬臂施工方法的优点包括施工速度快 、对既有交通影响小、节省材料等， 但同时也需要严格控制施工精度和质 量，确保桥梁的稳定性和安全性。
02
体系转换的必要性
体系转换的定义
临时支撑应选择强度高、稳定性好的材料，如钢、混 凝土等，并根据施工要求进行合理设计。
在设置临时支撑时，应充分考虑地质条件、桥墩高度 、梁段重量等因素，确保支撑的稳定性和安全性。
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收稿日期:2005-10-18;修订日期:2005-12-08
作者简介:王卫锋(1967-),男,湖南双峰人,华南理工大学副教授,博士,主要从事桥梁分析、施工控制与检测工作.
文章编号:1671-6833(2006)01-0036-04
预应力混凝土连续刚构桥实测应变与应力的转换
王卫锋1,刘春燕2,范学明3(1.华南理工大学交通学院,广东广州510640;2.广州大鹏房地产有限公司,广东广州510095;3.华南理
工大学建筑学院,广东广州510640
)
摘 要:混凝土实测应变除弹性应变外还包含混凝土的自由变形、徐变和温度应变等非应力应变,介绍了预应力混凝土连续刚构桥中应力间接测量的方法和步骤.在混凝土实测应变与应力的转换中,采用无应力计去除非应力应变,利用预埋在主梁中性轴的应变计进行混凝土徐变系数识别,并采用叠加法对徐变应变进行分离.混凝土内部应力测量关键在于应力应变转换,而应力应变转换关键在于徐变系数的识别.在西江大桥施工监控期间,先采用中性轴应力来识别徐变系数,再进行徐变应变分离的方法,应力实测值与弹性理论计算值比较接近.
关键词:应力应变转换;徐变系数识别;西江大桥;应力监测中图分类号:U448.35;U441.50 文献标识码:A
0 引言西江大桥是广东省中(山)—江(门)高速公路跨越西江水道的关键控制性工程,全长1760m.
主桥为预应力混凝土刚构连续混合结构,长620m,跨径组合为1×70m+4×120m+1×70m(图1).上部构造按上、下行分离式设计,主梁为
单箱单室预应力混凝土箱梁,顶宽13.5m,底宽7.0m,梁高纵桥向为变值,箱梁底板下缘按二次抛物线变化,箱梁中心线0#块高6.5m,跨中合拢段及边跨现浇段梁高均为2.8m.设计荷载为汽车-超20级,挂车-120级.西江大桥主梁施工的主要工法为挂篮平衡式悬臂现浇,主桥单幅共有梁段141个,其中采用落地支架现浇的梁段有21个,合拢梁段6个,挂篮式平衡悬臂现浇施工的梁段120个.
1 测量方案1.1 测量方法的确定目前混凝土应力测量有直接法和间接法两种.直接法是指利用应力传感器直接感知混凝土内部应力的一种测量方法.间接法是指首先利用各种应变传感器测量出混凝土的内部应变,再通过一定的换算方法转换为混凝土应力的一种测量方法[1].由于目前能直接测量混凝土内部应力的
传感器非常少[1],不便于应用,而应变传感器则种
类繁多,各有不同的特点,能较好地适应大规模测量.因此对西江大桥的应力测量选择了间接法测量,并与温度测量一并进行.
1.2 测量截面以及布点的确定(1)截面位置的确定
[2]选取测量截面的原则
是:①通过模拟施工计算,得到全桥各类构件施工全过程中的应力包络线,从而获取各类构件的最不利位置,进而选取截面位置.②截面的选择力求对称,以增加结果的可比性,便于分析.③截面的选取应注意避开圣维南区,因为该区应力分布较为复杂,如果不进行局部分析,很难预测出它的应力,这样不利于实测应力的对比分析.
根据以上原则,西江大桥全桥应力断面布置图如图2所示.
(2)各测量截面的传感器布点位置各测试断
面应变传感器布设如图3所示.其中,A1#和A2#号测点传感器仅在墩顶断面中性轴位置布设.
1.3 应变测量时机的确定由于一天中结构的温度是随着时间变化的,
应变测量时要避免是由于结构局部温差引起的温度应变造成的误差.经过温度测试表明,在清晨太阳出来前后结构受到温度的影响最小[3],因此宜
选择清晨作为应变测量的时间.
2006年 3月第27卷 第1期郑州大学学报(工学版)JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)Mar. 2006Vol.27 No.1图1 西江大桥主桥立面图Fig.1 ElevationofthetheXijiangbridge
图2 西江大桥应力监测断面位置图Fig.2 StressesmonitorsectionsintheXijiangbridge
图3 断面测点布置图Fig.3 Positionsofthestraingauges
2 应变分离与转换2.1 应变转换为应力的计算方法[4]实际上,混凝土的实测应变包含有:荷载引起的弹性应变、徐变引起的应变、收缩引起的应变、体系温度变化引起的应变、局部温差引起的应变、湿度引起的应变等6项.上述6项中除第一项是直接应变外,其它各项都含有自由应变及产生应力的约束应变.而实际需要的是第一项及后5项中的约束应变,5项中的自由应变则需要使用无应力计予以排除.所谓无应力计是用一个锥形的双层套筒制成,锥形套筒的内筒中浇筑混凝土并埋设一只应变计.将无应力计埋设在混凝土中之后,内筒中的混凝土由于两层套筒间隙的隔离而不承受外力作用,仅通过筒口和筒外结构混凝土连成整体以保持相同的温湿度.
西江大桥的应力监测采用叠加法来计算混凝土的实际应力.如图4所示,将单轴应变过程线划分成许多时段,根据徐变的概念,每一时段的应力增量都将引起该时段为加载龄期的瞬时弹性变形和徐变变形,二者之和为总变形,并进而对以后各时段的应变值都产生影响.计算各个时段的应力增量时都应对此加以考虑.
现在结合图4说明,将单轴应变过程线分为n个时段,时段可以是等间距的,也可以是不等间距的,早期每一时段的应力增量较大,时段划分要
短,后期应力变化不大,可将时段分得长一些.
事先根据徐变试验资料计算出每一时段的τ0,τ1,…、τn-1为加荷龄期的总变形过程线(总变
形是徐变变形和瞬时弹性变形之和),或制成相应于应力增量作用龄期之后各时段中点龄期的有效弹模和总变形的关系数据表供进一步计算使用.
由前述徐变概念可以得知某一时刻的实测应变,不仅有该时刻弹性应力增量引起的弹性应变,
而且还包含在此以前所有应力增量引起的总变形.即图4中τi-1～τi时段的应力增量Δσi引起的总变形,将包含在该时段以后所有τn-1～τn(n
≥i+1)时段的总应变ε′n中,因此在计算以后时段的应变增量时应予以扣除.
图4 叠加法计算原理Fig.4 Sketchofsuperpositionmethod 在计算时段之前的总变形影响值,我们称之为“承前应变”,用εh表示
εh=∫tτ0dσx(τ)dτ1E(τ)+c(t,τ)dτ(1)
式(1)
是计算承前应变的数学式,实际上可用下面
的近似式计算.
εh=∑ti=0Δσi
1
E(τi)+c(τn,τi)(2)
式(2)表示时段τn-1～τn之前的承前应变,式中τn=(τn+τn+1)/2是时段中点的龄期.在龄期τn
的应力增量应为
Δσn=Es(τn,τn-1)[ε′n(τn)-εh(τn)]
73第1期 王卫锋等 预应力混凝土连续刚构桥实测应变与应力的转换 =Es(τn,τn-1){ε′n(τn)-∑ni=0Δσ
i×
[
1
E(τi)
+c(τn,τi)]}(3)式(1)～(3)中:Es(τn,τn-1)为τn时刻的有效弹性模量;ε′n(τn)为τn时刻的单轴应变值;c为混凝土的徐变系数.
在τn时刻的混凝土实际应力是
σn=∑n-1i=0Δσi+Δσn=∑ni=0Δσi(4)
式(3)就是混凝土实测应变转化成应力的计算公式.值得注意的是式(3)的应变是实测应变扣除无应力计测试的应变和温度影响后的应变,即只包含弹性应变和徐变应变.
2.2 徐变系数的识别虽然混凝土徐变的精确计算是很难的,但由于其在混凝土应力分离中的重要性,合理估算收缩徐变的影响是非常重要的.因此必须寻求和试验较为吻合的徐变理论和徐变计算方法,从而达到应变分离的目的[5,6].
实际上,可利用部分现场徐变试验资料对徐变理论计算公式进行修正的方法,可以较合理地估算出收缩徐变的影响.这其中,徐变系数的识别又是估算徐变影响的重要环节.
试验测量中,徐变系数的识别采用在主梁中性轴处埋设应变计,利用主梁中性轴应力只与预应力有关,中性轴的应力可以利用预应力张拉前后的应变直接测量,而与主梁重量无关的特点来对徐变系数进行识别[4,5],具体流程如图5所示.
图5 应变-应力转换图Fig.5 TranslationofStresses-Strains
3 应力测试结果西江大桥在施工过程中分为13个施工阶段.
计算所用数据包括材料参数、几何参数和荷载参数,其中加载龄期、材料弹模均为实测数据,徐变系数采用的是徐变弹性体理论,使用本文提出方法进行徐变系数的识别和应力的计算.
例如,第一个工况砼的龄期为7d,实测应力0.
66MPa,实测砼弹性模量为39.3GPa;第二个工况砼的龄期为14d,实测应力为1.32MPa,砼弹性模量为41.2GPa;在砼龄期为20d时测得应变为55
με(扣除收缩、温度等影响)
,砼弹性模量为42.0
GPa;识别的徐变系数c(17,7),c(17,14)=0.42,则砼龄期为20天时的实测应力计算过程如下:
Δσ0=0.66-0=0.66MPa;
Δσ1=1.32-0.66=0.66MPa.
则由式(3)可计算出砼的龄期14d到20d内的实测应力增量为
Δσ2=42×10
9×[55-(0.66×139.3×103×0.73×106
+0.66×141.2×103×0.42×106)]×10-6,
Δσ2=1.55MPa.
由式(4)可得砼龄期为20d时的实测应力:
σ2=0.66+0.66+1.55=2.87MPa.
同理可计算后续工况的实测应力.由于篇幅所限,
本文仅列出左幅6-6断面应力测试的部分数据.
如图6所示.
图6 左幅626断面上下缘平均应力实测理论曲线图Fig.6 MeanStressesResultContrastofMeasuredandTheoreticalinthelow&upmarginofsection626 从图6中可以看出,实测值与计算值都是比较接近的,说明本文提出的应变转换为应力的计算方法是行之有效的.
83 郑州大学学报(工学版) 2006年