钢箱梁系杆拱桥施工监控受温度变化影响及修正分析

李 博， 吴腾宇

(亳州市重点工程建设管理局，安徽 亳州 236800)

0 引 言

在大跨径桥梁施工过程中,应力测试是一项重要工作。大跨径桥梁施工过程中的真实受力状态的判定不能仅依据有限元计算分析[1],还应对控制断面进行应力监测,以保证桥梁施工过程中的结构安全。在桥梁施工过程中,结构温度场变化会对桥梁应力测试产生显著影响，因此必须要将测试数据中的温度影响采用合适的计算方法和现场处理技术进行消除[2]。消除温度对测试元件精度的影响是施工控制数据处理过程中最重要的工作，是桥梁施工监控参数识别和下一施工阶段参数预测准确性的重要保障[3]。一般是通过现场试验实现消除温度对参数识别及施工预测的准确性的影响。为了深入研究桥梁施工监控中温度对测试元件精度的影响[4]，针对在桥梁施工监控中常用的振弦式应变传感器，根据其工作条件开展了相应的现场实验，提出了振弦式应变传感器在混凝土以及大气中温度影响修正方法[5]。目前，针对混凝土桥梁施工过程中的应力测试的研究较多，而对钢结构桥梁的研究相对较少。钢箱梁系杆拱桥由于其优异的结构性能被广泛地应用于大跨径桥梁设计[6]。由于桥梁跨度较大，通常箱梁截面设计尺寸较大，在日照作用下很容易形成箱梁同一截面不同位置处温度存在差值。为了保证钢箱梁系杆拱桥施工过程中的应力测试精度，结合现场实验结果进行分析计算，对测试数据在日照影响下进行了探讨，并提出了相应的处理方法，有效地消除了日照对桥梁施工过程中应力测试的影响。

1 工程概况

某桥为梁拱组合体系桥梁，拱圈及纵梁均采用钢箱结构，系杆为刚性与柔性组合系杆，每侧钢纵梁内设置4束体外预应力钢绞线。计算跨径L=141.8 m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1∶4.5，矢高31.5 m。拱肋采用矩形钢箱截面，钢箱高2.8 m，宽1.7 m，壁厚为变厚度，内壁设24条纵肋。单幅桥梁由双榀拱肋组成，拱肋间距为23.2 m。双榀拱肋通过风撑进行连接，单幅拱肋设置5道风撑。本桥钢纵梁作为主受力结构承受拱圈的水平推力，同时也作为桥面系的加劲梁结构。纵梁纵向分为三种截面区段，共划分为18个梁段。钢纵梁高2.6 m，宽1.7 m。纵梁顶底板、腹板均为变厚钢板，钢纵梁顶底板及腹板均采用Ⅰ型加劲肋。每侧钢纵梁内设置4束体外预应力钢绞线，组成结构的柔性系杆体系。吊杆沿桥轴水平向吊点标准中心距为7.5 m，吊杆索体采用1860级15Φ15.2无黏结环氧喷涂钢绞线外挤HDPE成品索结构，吊索上、下端锚点均为穿销铰。

2 弦式应变计工作原理

桥梁施工监控中通常采用振弦式应变传感器对结构内部应力进行监测[7]。钢结构应力监测一般采用的是表面式弦式应变计。弦式应变计是利用弦振频率与弦的拉力的变化关系来测量应变计所在点的应变，原理如图1所示。

图1 弦式应变计立面图与原理图

弦式应变计在制作完成后，其内部钢弦具有一定的初始张力T，根据式(1)确定对应的初始频率f：

(1)

式中：ρ为钢弦材料的线密度，kg/m；L为钢弦的有效长度。

当应变计被安装在钢箱梁表面后，钢弦的拉力随着钢梁的变形变化，通过弦张力的变化可以测出钢梁的应变大小。某个施工阶段，测钢弦频率是fi，可以推出钢弦的张力变化值：

(2)

式中;k=4ρL2，由式(1)可以得出。钢梁与弦连接牢固，故假定钢梁应变ε与钢弦应变εg变形协调，

(3)

3 传感器截面布置与安装

实测采用长沙金码测控科技股份有限公司生产的 JMZX-212HAT 表面智能数码弦式应变计作为应变测试仪器，具体参数见表1。

表1 JMZX-212HAT 表面智能弦式应变计主要参数

安装表面式振弦应变传感器时首先将基座按测量方向焊接在构件表面，基座安装完成后，再将应变计安装在基座上。JMZX-212HAT 表面智能数码弦式应变计根据张力弦原理制造，以频率作为输出信号，传感器内置计算芯片，采用JMZX-3001L综合测试仪可以直接获取应变、频率以及温度等具体物理参数，具有良好的测试精度和可靠性。

拱肋纵桥向共布置5个应力-温度测试断面，断面分别位于拱脚附近、拱圈的L/4和3L/4处，以及跨中处。具体传感器布置图如图2所示，传感器安装如图3所示。

图2 各构件传感器布置大样图(单位：cm)

图3 拱肋和系梁传感器安装图

4 温度影响分析

4.1 温度引起弦标距变化对测试的影响

弦式应变传感器具有稳定性好、抗干扰能力强、温度修正效果明显等优点而被广泛应用于各类工程的长期应力监测。温度的变化，造成材料热胀冷缩，导致了弦的有效长度发生改变，进而引起弦内张力改变。温度升高，弦伸长，有效长度增大，弦张力减小；相反，温度降低会导致弦张力增大。根据式(1)，温度改变时的弦振频率为：

(4)

(L+ΔL)/L=1+Δε×10-6≈1

(5)

(6)

从上述各式可得，温度引起的振弦长度变化对弦自振频率的影响可以忽略不计。

4.2 表贴式应变传感器的温度影响修正公式

当温度恒定时，弦张力与弦自振频率关系一定，外界发生变形时，弦张力也会随之改变；当外界变形时，弦张力会随着温度的改变而发生相应的改变。在实际的桥梁监控过程中两者往往同时发生，测试的应变应是外界形变和温度变化共同作用引起的。结构真实的应变值变量应是测试总应变变量剔除温度变化引起的应变值变量：

(7)

式中：m为钢弦单位长度的质量；E为钢弦的弹性模量；A为钢弦的截面积；α为振弦金属材料的热膨胀系数；Δt为温度变化。

4.3 日照对应变传感器的温度影响修正公式

对于钢结构桥梁，一般是采用表面振弦式传感器进行应力监测。其工作环境一般是在空气中，在实际桥梁施工监控过程中，应力应变测量难以都在无日照的条件下完成。受日照影响，应变筒与振弦的温度变化不一致，并且钢结构外侧一般会喷射油漆防止锈蚀，油漆本身也具有隔热作用，导致油漆内外侧温度并不一致。现取一组应变传感器安装在桥梁施工中的同等材料进行日照试验，每隔30 min进行一次应变和温度测试，温度与应变关系曲线如图4所示。

图4 构件无约束应变-温度关系图

从图4可知，温度每升高1℃，约产生2.72×10-6左右的拉应变，因此在桥梁施工现场测试中应尽量选择温度场较为恒定的条件下进行应变测试，避免日照影响，后续施工阶段应变测试按照本次试验结果进行温度修正。

在静定结构中，温度变化会引起结构产生应变，但结构内部并不会因此产生内力。但在超静定结构中，温度不仅会引起结构产生应变，同时在结构内部产生内力。对于大跨径桥梁来说，通常箱梁截面设计尺寸较大，在日照作用下很容易形成箱梁同一截面不同位置处温度变化并不均匀。为了修正日照造成的不均匀温度场的影响，在桥梁低强度施工作业的条件下，选择拱顶、拱脚2处截面(在拱肋完成焊接后竖向支撑拆除之前，尽可能避免桥面低强度施工作业的影响),每隔20 min进行一次应变和温度测试，测试结果如图5和图6所示。

图5 拱顶F-F截面处应变-温度关系图

图6 拱脚H-H截面处应变-温度关系图

从图5和图6可知，由于受日照的影响，同一截面各位置处的温度变化量不一致，截面上部传感器温度增长较快，而截面下部的传感器温度增长较慢。同一截面各位置处温度变化不一致导致了其温度-应变速率变化不一致。其主要原因是：其一，受日照影响整个大气温度变化引起结构热胀冷缩效应，受到约束作用，导致结构内部产生内力；其二，由于结构截面过大，截面上侧和东侧(向阳侧)，受到日照影响，温度变化较快，而截面下侧和西侧(背阳侧)不易受日照影响，温度变化较慢，同一截面沿高度方向上温度为非线性变化时则各纵向纤维会互相约束，产生应变。

为进一步分析日照引起的截面温度不均匀变化的影响，应用MIDAS Civil有限元分析软件建立有限元模型进行分析计算。具体温度工况分为：结构整体升温工况，拱肋上、下侧温度梯度工况，拱肋东、西侧温度梯度工况，计算结果和上述实验结果见表2。

表2 温度引起应力实测结果与有限元结果对比

从表2可得，温度引起结构应力实测结果与有限元模拟结果基本吻合，实测结果略微偏小。结合实验结果，通过对应变-温度测试结果进行修正，可以有效降低温度对应变测试结果的影响。实际上，结构受日照等因素的影响，其所处的温度场是不均匀的，而有限元模拟通常假定结构所处的温度场是恒定的，所以导致有限元模拟结果会偏大，但相对偏差较小，对应力测试结果的影响可以忽略不计。

5 结 论

受日照影响，即使在同一截面处结构的温度并不一致，在结构应力测试的过程中，应消除测试截面温度变化结构应力测试的影响。根据现场测试结果与有限元分析进行对比，发现温度引起的结构应力实测修正结果与有限元模拟结果基本吻合，实测结果较模拟值略微偏小。对弦式传感器测试结果进行拟合分析，能够有效消除温度与日照对传感器测试结果的影响，精确地反映结构的应力水平。