鋼混組合梁施工階段應(yīng)變測試與分析

樓金其

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

鋼混組合梁施工階段應(yīng)變測試與分析

樓金其

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

結(jié)合上海至嘉興跨江公路通道1號橋工程，采用埋入式和表貼式應(yīng)變傳感器，測試不同工況下典型截面的應(yīng)變、撓度等相關(guān)參數(shù)，研究鋼混組合梁在施工階段變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：不同的工況對截面的滑移量影響不同，收縮發(fā)展階段對截面滑移量的影響最大;不同工況下，混凝土橋面板縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變均呈拉壓交變狀態(tài);同一種工況下，不同的測點的縱向應(yīng)變變化不大，而橫向應(yīng)變卻有較大的變化;鋼翼緣各測點縱向應(yīng)變在不同的工況影響下均呈壓應(yīng)變狀態(tài)，而鋼板底各測點縱向應(yīng)變呈拉應(yīng)變狀態(tài);在混凝土板澆筑后35～40 h開始，截面收縮引起的應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變迅速增加，該結(jié)論可為混凝土澆筑后的養(yǎng)護提供依據(jù)。

橋梁工程 鋼混組合梁 傳感器 應(yīng)變測試

鋼混組合連續(xù)箱梁是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)體系。與鋼箱梁相比，降低了材料和加工成本，特別是用箱梁的混凝土頂板直接作為橋面板，避開了使用鋼橋面板時鋪裝容易受損的技術(shù)難題。與混凝土箱梁相比，降低了自重，同時，減輕了在鋼腹板與橋面板接合部位由溫差、徐變等引起的變形。

在鋼混組合結(jié)構(gòu)越來越多的出現(xiàn)在橋梁中時，施工中的變形控制成為目前研究的熱點。不少國家和地區(qū)都投入大量的資金修建試驗橋研究鋼混組合梁在施工階段的受力變形，并取得了一定的研究成果。相對而言，我國在這方面研究則略顯不足，雖然已經(jīng)開展了相關(guān)的試驗研究，但是試驗結(jié)果離散性嚴重。究其原因，主要是源于結(jié)構(gòu)施工、材料性質(zhì)以及外界環(huán)境變化的影響。

為了深入了解鋼混組合梁在施工階段變形規(guī)律及響應(yīng)特征，通過在試驗橋中埋設(shè)傳感器，采用配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究不同截面在不同工況下的應(yīng)變規(guī)律，為今后此類橋梁的施工積累寶貴的資料和經(jīng)驗。

1 施工階段變形測試

1.1 試驗橋概況

上海至嘉興跨江公路通道工程1號橋為雙箱單室等截面鋼—混凝土凝土組合彎箱梁橋，箱梁高為1.95 m，混凝土頂板寬12 m(包括欄桿等附屬設(shè)施)，混凝土頂板厚度約為22 cm。橋梁鋼結(jié)構(gòu)部分橫截面分為內(nèi)外兩幅，內(nèi)幅鋼箱梁的跨徑布置為44.843 m+34.137 m。外幅鋼箱梁的跨徑布置為37.813 m+41.167 m，每幅的底板寬度為3 m。鋼箱梁上翼緣板和混凝土頂板之間采用焊釘連接件的方式結(jié)合?？缰袠藴式孛嫒鐖D1所示。

圖1 跨中標準箱梁橫截面(單位：mm)

1.2 試驗設(shè)備

試驗中采用JMZX-215AT埋入式和JMZX-212AT表貼式應(yīng)變計，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用JMZX-300X，如圖2～圖4所示。其中混凝土橋面板的應(yīng)變測試采用JMZX-215AT埋入式傳感器，并在混凝土澆筑前布置混凝土測點。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試采用JMZX-212AT表貼式應(yīng)變計，在鋼結(jié)構(gòu)加工完成時焊接在鋼梁測點。

圖2 JM ZX-215AT埋入式

圖3 JM ZX-212AT表貼式

圖4 JM ZX-300X數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.3 傳感器布設(shè)方案

如圖5所示，分別在鋼混組合梁的4個測試截面埋設(shè)傳感器：左跨梁端截面、左跨跨中截面、外幅中支點截面和內(nèi)幅中支點截面?？紤]到橋梁和路面接觸部位易產(chǎn)生滑移，分別在梁端(1-1截面)左右兩幅梁外側(cè)翼緣位置布置4個測點，如圖6所示，左右側(cè)混凝土測點分別埋入傳感器H1、H2，左右側(cè)鋼梁測點分別焊接傳感器 S1、S2。

圖5 測試截面平面布置

圖6 邊支點截面1-1測點布置

截面2-2上傳感器的布置如圖7所示。在混凝土橋面板上分別沿車輪行駛方向和垂直于車輪行駛方向布設(shè)縱橫向傳感器，以檢測縱向彎拉應(yīng)變和橫向彎拉應(yīng)變。在跨中截面和內(nèi)幅中支點截面的混凝土橋面板上布設(shè)17個縱向傳感器(C1-C17)，間距為750 mm，外幅中支點截面的混凝土橋面板上布設(shè)9個縱向傳感器(C1-C9)，間距為1 500 mm;各截面混凝土橋面板布設(shè)7個橫向傳感器，上層鋼筋處布置4個，下層鋼筋處布置3個，間距為3 000 mm。

在鋼梁的翼緣和底板分別焊接8個縱向傳感器(S1-S8)和12個縱向傳感器(S9-S20)以測試縱橋向應(yīng)變。底板的12個傳感器間距為600 mm。選取截面3-3和截面4-4測試混凝土的收縮對橋面板的影響。為了清晰明了和更具說明性，每個截面僅布設(shè)3個具有代表性的測點，傳感器間距為1 500 mm。

圖7 跨中截面2-2測點布置(單位：mm)

傳感器的安裝埋設(shè)如圖8～圖10所示。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試采用的表貼式應(yīng)變計由安裝座、應(yīng)變計、鋼保護罩組成。先將測點處鋼板打磨光滑，然后將安裝座焊接在鋼結(jié)構(gòu)上，再用螺栓將應(yīng)變計安裝在安裝座上，即可進行長期監(jiān)測和自動化測試;外部還焊接鋼保護罩，以此防止鋼箱梁后期涂裝與施工對應(yīng)變計的影響?；炷翍?yīng)變計采用扎帶綁扎在鋼筋上，再埋入混凝土中。安裝好應(yīng)變計后，即可采用數(shù)據(jù)采集儀對測點應(yīng)變值與溫度進行采集。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變計布置

圖9 混凝土應(yīng)變計安裝

圖10 應(yīng)變傳感器的現(xiàn)場測試

2 測試結(jié)果及分析

2.1 梁端1-1截面滑移量

按照前述傳感器的埋設(shè)方案，分別測試8種工況下鋼混組合梁不同位置的應(yīng)變量：①第一種工況為無應(yīng)力狀態(tài);②第二種工況為鋼梁吊裝連續(xù);③第三種工況為模板鋼筋;④第四種工況為一期混凝土施工;⑤第五種工況為收縮發(fā)展;⑥第六種工況為二期混凝土施工;⑦第七種工況為拆除臨時扁擔(dān)梁;⑧第八種工況為頂升。

混凝土內(nèi)滑移測點的鋼弦計都是采用一端與鋼梁焊接，一端自由的方式;同位置的鋼梁翼緣下也布置一應(yīng)變計，其兩頭均與鋼梁焊接;通過混凝土內(nèi)滑移計讀數(shù)減去鋼梁下滑移計讀數(shù)，可得到梁端鋼梁與混凝土板的相對滑移量對應(yīng)應(yīng)變，再用該應(yīng)變乘以應(yīng)變計桿長(150 mm)，即可得到梁端鋼梁與混凝土板的相對滑移量。各工況的測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 梁端1-1截面滑移量

由圖11可知：左側(cè)和右側(cè)截面的滑移量在工況①～工況④下變化很小，最大不超過0.005 mm。工況④以后，滑移量逐漸增大，右邊測點滑移量的變化趨勢更大，平均為左端測點滑移量的1.7倍，在工況⑦即拆除臨時扁擔(dān)梁時，右端測點的滑移量最大，約為0.031 mm。因此，在進行施工進行過程中，應(yīng)著重控制收縮發(fā)展、二期混凝土、拆除臨時扁擔(dān)梁、頂升等階段的位移量，保證施工的安全。

2.2 跨中2-2截面測點應(yīng)變

2.2.1 混凝土橋面板的測試結(jié)果

測試混凝土橋面板各測點在不同工況下的應(yīng)變，結(jié)果如圖12和圖13所示，正值為受拉，負值為受壓?；炷涟蹇v橋向各測點應(yīng)變?nèi)?種工況，即：①第一種工況，二期混凝土澆筑后;②第二種工況，鋼吊梁拆除后;③第三種工況，邊支點頂升后。混凝土板橫橋向各測點應(yīng)變?nèi)?種工況，即：①第一種工況，二期混凝土澆筑后;②第二種工況，部分拆模、澆筑人孔混凝土后③第三種工況，邊支點頂升后。

圖12 混凝土板縱橋向各測點應(yīng)變

圖13 混凝土板橫橋向各測點應(yīng)變

從圖12可知：

1)混凝土板縱橋向彎拉應(yīng)變隨不同的工況差異較大，隨著施工的進行，橋面板縱應(yīng)變從拉應(yīng)變狀態(tài)逐漸向壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變。在二期混凝土澆筑后及鋼吊梁拆除后，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變，引起拉應(yīng)變的主要原因是澆筑前期與澆筑后這段時間里混凝土收縮、溫度變化及鋼吊梁拆除后，組合梁卸載反拱引起。在邊支點頂升后主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變，可見邊支點頂升可對跨中混凝土沿縱橋向產(chǎn)生預(yù)壓力作用。

2)從數(shù)值上講，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在二期混凝土澆筑后的C12位置，而在鋼吊梁拆除及邊支點頂升后，不同位置混凝土板縱橋向應(yīng)變差異不大。

從圖13可知：

1)隨著工況的進行，橋面板橫向應(yīng)變呈現(xiàn)拉壓交變的狀態(tài)。二期混凝土澆筑及部分拆模、澆筑人孔混凝土后，混凝土板大部分位置橫向應(yīng)變均為壓應(yīng)變，而邊支點頂升后，除C23外，測點均呈現(xiàn)拉應(yīng)變狀態(tài)，可見邊支點頂升可引起跨中混凝土橫向受拉。

2)二期混凝土澆筑后，測點橫向應(yīng)變對于橋面中心線對稱，橋面板上層鋼筋處測點壓應(yīng)變較小，下層較大，跨中下層鋼筋處壓應(yīng)變最大，為80微應(yīng)變;部分拆模、澆筑人孔混凝土后，測點應(yīng)變分布規(guī)律同二期混凝土澆筑后相反，橋面板上層鋼筋處測點壓應(yīng)變較大，下層較小，最大拉應(yīng)變?yōu)?0微應(yīng)變。

2.2.2 鋼梁的測試結(jié)果

測試鋼翼緣和鋼板底不同工況下各測點的應(yīng)變，結(jié)果如圖14和圖15所示。其中，橫坐標表示對應(yīng)的測試工況，①第一種工況：無應(yīng)力狀態(tài);②第二種工況：鋼梁吊裝連續(xù);③第三種工況：模板鋼筋;④第四種工況：一期混凝土;⑤第五種工況：收縮發(fā)展;⑥第六種工況：二期混凝土;⑦第七種工況：拆除臨時扁擔(dān)梁;⑧第八種工況：頂升?？v坐標表示微應(yīng)變，正值為受拉，負值為受壓。

此外，在測試的過程中，只有 S15、S16、S17、S19、S20這5個位置的傳感器正常工作，因此，圖15僅給出了這5個點的數(shù)據(jù)。

從圖14和圖15可知：

圖14 鋼翼緣各測點縱向應(yīng)變

圖15 鋼板底各測點縱向應(yīng)變

1)除去個別點由于施工干擾等因素引起的測試數(shù)據(jù)異常外，鋼梁上翼緣各測點應(yīng)變變化較為一致，均呈現(xiàn)壓應(yīng)變狀態(tài)。隨著施工的進行，工況6即二期混凝土的施工對測點的縱向壓應(yīng)變有較大的影響，其中測點S4的縱向壓應(yīng)變最大，在二期混凝土施工后，其最大壓應(yīng)變可達170微應(yīng)變。因此在施工的過程中應(yīng)著重控制鋼翼緣測點S4的變形。

2)與鋼翼緣各測點受力不同，鋼板底各測點均呈現(xiàn)拉應(yīng)變狀態(tài)。測點在不同的工況下，縱向應(yīng)變變化趨勢較為一致，在工況8即頂升時，各測點的縱向壓應(yīng)變最大;對于同一工況下的不同測點，應(yīng)變值相差較大，這和橋體的斜彎性與底板加勁的布置有一定關(guān)系。其中，測點S19的最大拉應(yīng)變可達250微應(yīng)變。

2.3 混凝土收縮對橋面板影響

實際施工中，混凝土澆筑后的養(yǎng)護期內(nèi)，除了發(fā)生微量的水化反應(yīng)引起的化學(xué)收縮。由于現(xiàn)場養(yǎng)護條件的限制，仍然會發(fā)生相對于化學(xué)收縮而言更為明顯的干燥收縮。干燥收縮是引起混凝土板早期開裂最主要的因素之一。

本次對本工程中支點混凝土板澆筑后211 h的收縮應(yīng)變情況進行了測量。將211 h分為12個階段：①二期混凝土澆筑完成;②澆筑后4 h;③澆筑后9 h;④澆筑后14 h;⑤澆筑后16 h;⑥澆筑后21 h;⑦澆筑后24 h;⑧澆筑后28 h;⑨澆筑后34 h;⑩澆筑后40 h;○11澆筑后43 h;○12澆筑后211 h。取澆筑完成時的測試值為基準值0，其余值均在此基礎(chǔ)上變化。測試結(jié)果如圖16～圖19所示。

圖16 中支點3-3截面溫度

1)不同的工況對截面的滑移量影響不同，收縮發(fā)展階段對截面滑移量的影響最大，滑移量增加了0.025 mm，拆除臨時扁擔(dān)梁時滑移量最大，約為0.031 mm，因此，在施工的過程中應(yīng)著重對收縮發(fā)展階段的位移進行控制，保證施工安全。

2)不同的工況下，混凝土橋面板縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變均呈拉壓交變狀態(tài);同一種工況下，不同測點的縱向應(yīng)變變化不大，而橫向應(yīng)變卻有較大的變化。

3)鋼翼緣各測點縱向應(yīng)變在不同的工況影響下均呈壓應(yīng)變狀態(tài)，而鋼板底各測點縱向應(yīng)變呈拉應(yīng)變狀態(tài)。對于同一工況下的不同測點，應(yīng)變值相差較大，這主要和橋體的斜彎性與底板加勁的布置有一定關(guān)系。其中，測點S4和S19的壓應(yīng)變和拉應(yīng)變最大，分別達到170微應(yīng)變和250微應(yīng)變。因此，施工時應(yīng)注意控制其應(yīng)變。

4)在混凝土板澆筑后40 h開始，3-3截面收縮引起的應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變迅速增加，而4-4截面則在澆筑后34 h后應(yīng)變持續(xù)增大。該結(jié)論可為混凝土澆筑后的養(yǎng)護提供依據(jù)。

圖17 中支點4-4截面溫度

圖18 中支點3-3截面收縮應(yīng)變

圖19 中支點4-4截面收縮應(yīng)變

圖16和圖17為3-3截面及4-4截面各測點隨時間變化的溫度曲線?？梢钥闯?，在進行應(yīng)變測試的過程中，各測點的溫度變化在10℃以內(nèi)，溫差較小，因此，可以認為所測得的應(yīng)變?yōu)榛炷潦湛s產(chǎn)生的應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變。

從圖18和圖19可以看出，混凝土收縮在不同的測點產(chǎn)生的應(yīng)變隨著時間的增加變化趨勢較為一致?；炷?-3截面測點在澆筑后到40 h期間內(nèi)，收縮引起的應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變一直在0～20微應(yīng)變范圍內(nèi)波動，40 h后，應(yīng)變迅速增加，到211 h時應(yīng)變增加到130的收縮微應(yīng)變。而混凝土4-4截面測點在34 h后應(yīng)變持續(xù)增大，到211 h時收縮微應(yīng)變?yōu)?0。

3 結(jié)語

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U445．47+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．02

1003-1995(2013)05-0005-05

2013-01-05;

2013-02-20

樓金其(1962— )，男，浙江東陽人，高級工程師，碩士。

(責(zé)任審編 王 紅)