大跨度桥梁悬臂浇筑状态下应力测试分析与预测

2016-04-20胡惜亮

公路与汽运 2016年2期

关键词：关联度桥梁

胡惜亮

(天津市交通科学研究院,天津 100100)

大跨度桥梁悬臂浇筑状态下应力测试分析与预测

胡惜亮

(天津市交通科学研究院,天津 100100)

摘要:在大跨度悬臂浇筑桥梁施工监控中,为了剔除由收缩徐变引起的非应力应变,获取准确的张拉后应力应变数据,结合有限元软件MIDAS/Civil的计算结果,从关联度的角度出发,运用比例因子方法,计算出桥梁悬臂施工各阶段的非应力应变,预测桥梁对应阶段张拉后的应力应变,并通过工程实例对该方法进行了验证。结果表明通过该方法虽然很难获取非应力应变的精确值,但其精度可满足工程需要,预测结果与实测结果整体吻合较好,在类似桥梁施工监控中具有一定的实用价值。

关键词:桥梁;悬臂浇筑;应力测试;关联度;收缩徐变

由于大跨度悬臂浇筑桥梁施工过程相当复杂,如不加以控制,各种偏差可能危及结构安全与质量。施工控制过程中通常通过应力监测来了解结构的真实应力状态,如真实应力状态与理论计算应力状态的差值超限,则需及时查找原因,并采取相应措施将其控制在允许误差范围内,避免应力偏差累积导致结构出现安全问题。然而,施工过程中如何采集结构应力状态的真实数据这一问题一直没有得到很好的解决,其主要原因在于砼具有收缩徐变特性,而应力测试是通过应变测试来实现的,应变仪中记录的应变由会产生应力的应力应变和不会产生应力的非应力应变两部分组成,如何将非应力应变从总应变中剔除,成为应力测试中的难点。

虽然国内外学者对砼的收缩徐变进行了大量研究,但到目前为止除余钱华教授编制的BRanalysis程序定量考虑了截面的非应力应变外,没有一种通用软件能将非应力应变计算出来。该文依据工程经验,从关联度角度出发,运用比例因子方法,算出结构各阶段截面的非应力应变,以此推算结构悬臂施工各阶段张拉后的截面应力应变。

1 关联度

关联度用于表征两个事物之间存在着的某种关联程度,在数学上是指两函数相似的程度。关联分析属于几何处理的范畴,关联度用关联系数来表示,用曲线间的差值大小作为衡量关联度的尺度。作为一种数学理论,关联度是将无限收敛用有限收敛取代、将无限空间问题用有限数列问题取代、将连续的概念用离散的数据列取代的一种方法。

从理论上讲,桥梁实测应力与理论应力之间存在着某种关联。为了对桥梁后续施工阶段应力水平进行超前控制,引用关联度这个概念,运用比例因子方法,推算桥梁的非应力应变,进而预测桥梁各阶段的应力水平。

2 收缩徐变中非应力应变分析

在任意时间内,由于某种原因会产生初应变,由于内部约束或结构边界约束的影响,初应变中的一部分会被约束而在结构中产生应力,这部分产生应力的应变称为应力应变;还有一部分是自由的,不会在结构中产生应力,属于非应力应变。

在悬臂浇筑桥梁施工监控中,实测应变数据分析一直是个难点,主要源于通常采集的应力数据中既包括应力应变,又包括非应力应变,而非应力应变主要是由砼的收缩徐变所引起。在不剔除非应力应变的情况下,直接将仪器测试结果乘以材料的弹性模量,这种做法是不对的。为了将非应力应变剥离开,引入关联度概念,认为收缩徐变中的应力应变和非应力应变两个事物之间存在着某种线性关联(如图1所示),比例因子为k,结合工程实例,采用比例因子法推算出结构各阶段的非应力应变,然后综合理论应变、非应力应变预测现场实测应变。基本公式如下:

式中:ε非为收缩徐变产生的非应力应变;ε实1为第1#块件张拉后实测应变值;ε计1为第1#块件张拉后计算应变值(不含收缩徐变影响);ε应1为第1#块件张拉后收缩徐变产生的应力应变值;ε实为张拉后实测应变值;ε计为张拉后计算应变值(不含收缩徐变影响);ε应为收缩徐变产生的应力应变值。

图1 应力应变与非应力应变关联示意图

3 现场实测应变的温度修正

在大跨度桥梁监控中,结构应力变化受众多因素影响,其中温度参数影响较大。因此,现场应力数据采集时应尽量减少温度对实测应力的干扰,并对温度干扰下的测试结果进行修正。设结构体线膨胀系数为F,测量应变为ε,测量温度为T,初读数时温度为T0,则温度修正后应变为:

式中:F为一般情况下钢筋砼的线膨胀系数,F=10 με/℃;F0为钢弦的线膨胀系数,F0=12.2με/℃。

4 工程实践应用

4.1 工程背景

浦阳江一桥全桥长1 238 m,跨径组合为19× 25 m +(70+116+70)m +18×25 m,主桥全长256 m。上部采用(70+116+70)m变截面预应力砼箱梁,下部结构采用实体墩、钻孔灌注桩基础接承台。主桥桥面宽46.5 m,分左右两幅,每幅桥主梁为单箱双室、变高度、变截面结构。直腹板、箱梁顶宽22.25 m,箱梁底板宽度14.25 m,两翼悬臂长4 m。箱梁根部断面梁高7 m,跨中和边跨现浇段梁高2.9 m,箱梁梁高及底板尺寸均以1.8次抛物线变化。主桥立面见图2。

图2 浦阳江一桥主桥立面示意图(单位:m)

4.2 有限元模型建立

采用空间有限元软件MIDAS/Civil建模计算各阶段的理论应力值,对已成结构实际状态与仿真计算理想状态之间的误差进行分析。依据设计文件,全桥共划分78个单元,桥梁三维立体有限元模型见图3。将每个阶段划分为砼浇注(含挂篮移动)和预应力张拉2种工况,悬臂浇筑阶段共划分28种工况。主要计算参数为:主桥预应力箱梁采用C55;预应力钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa,弹性模量Ep=1.95×105MPa;荷载标准为公路-Ⅰ级。

4.3 实测应变处理及应变分析

以浦阳江一桥22#墩1#截面为例进行分析。应变测试采用埋入式应变计,其布置见图4。

在悬臂浇筑施工阶段,从砼浇筑后到张拉后每隔2 h对其顶板、底板应变进行测试,获取该桥结构应变受温度影响的变化规律,为后续阶段施工的应变测试时间确定提供参考。图5为试验时间段内砼测点温度变化情况,图6为顶板2#点应变分布,图7为底板5#点应变分布。

图3 桥梁有限元模型

图4 应变计位置示意图

图5 箱梁1#截面2#、5#测点温度变化

图6 顶板2#测点应变分布

图7 底板5#测点应变分布

由图5～7可以得出:1)测试时间段内,砼应变变化与砼温度变化具有相同的趋势,且在同一温度下砼应变基本一致,说明在测试预应力张拉结果数据时,并不是将测量开始时间和结束时间缩短得越短越好,而是应尽量保证在张拉前后测试温度一致。2)如果张拉前后没法做到测试温度一致,可根据式(3)对温度进行修正,将日照温差对砼应变的影响降到最小。3)随着温度的变化,顶、底板应力变化趋势基本一致,且在温度升高时间段里,顶、底板任意2 h时间段的应力变化表现为压应力,这是由于温度升高,砼膨胀,抵消了由收缩徐变引起的预应力损失那部分应力。

4.4 非应力应变计算

依据浦阳江一桥有限元计算结果,1#块张拉后顶板理论应力为-1.7 MPa,底板理论应力为-0.4 MPa,各块件顶、底板理论应力值见表1。

表1 22#墩理论应力增量　MPa

现场实测应变经过式(3)温度修正后,顶板应力为-2.1 MPa,底板应力为-0.1 MPa,各块件顶、底板实测应力见表2。

表2 22#墩推算应力增量　MPa

运用式(1)计算k顶、k底,再结合式(2)计算砼的非应力应变,计算结果见表3。

表3 22#墩非应力应变增量　MPa

最后根据理论应力推算出结构悬臂施工各阶段张拉后的截面应力,推算各阶段张拉后的截面应力与实测应力,结果见表4。

表4 22#墩实测应力增量　MPa

由表1～4可见:在应力监控过程中,推算出的截面应力与实测应力较为接近,但整体较理论应力偏大,其主要原因是实测和推算的应力含有砼收缩徐变等非应力应变,只有将表3中的非应力应变剔除,再按照弹性关系求得的应力才是理论应力。对比表2和表4,实测应力和推算应力存在偏差,这主要是由于应力水平较低,传感器精度水平不够,如该工程预应力箱梁砼等级为C55,1×10-6的应变对应的应力是0.345 MPa,所以在应力水平较低时,测试精度误差会对数据产生较大干扰,但这种干扰会随着应力水平的提高不断减小,数据的可辨性也会随之提高。这种算法的精度已能满足实际工程需要。

5 结语

在现场应力数据采集过程中,该文采取一些改进措施排除日照温差对结构应力的影响,对其他桥梁现场数据采集具有一定的借鉴作用。

在连续梁施工监控中,砼实测应变中既包含外荷载、收缩徐变产的应力应变,也包括收缩徐变产生的非应力应变,而计算的理论应力(应变)没有包含非应力应变,只有将这部分添加后,得出的应力才与现场采集应力数据相符。

由于非应力应变的存在,理论应力与实测应力之间存在偏差。该文从关联度角度出发,利用比例因子方法预测桥梁应力,在满足工程精度的前提下,很好地解决了这一问题,具有一定实用价值,可为以后类似桥梁监控提供借鉴。但运用该方法,首先要能准确算出比例因子k,并确保用于计算比例因子k的试验块件的实测应力数据的高精度,这样才能保证后面各块件预测应力的准确性。

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