某大桥曲线箱梁悬臂施工应力监测

王宏伟 吕锦刚 陈保国

1 工程概况

该大桥桥型结构为刚构—连续组合梁桥，左桥为预制T梁，右桥为预制T梁和悬浇箱梁组合结构，桥梁轴线呈空间S形曲线。曲线箱梁段构造为42 m+76 m+42 m三跨三向预应力混凝土连续刚构变截面箱梁。由于箱梁轴线的曲线性，施工过程中其内力必然为弯扭耦合作用[1]，其应力的分布非常复杂。现行的钢筋混凝土桥涵规范中并没有对此进行详细的介绍[2]，文献[3]也是对一般情况下的悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥进行介绍。本文主要通过现场实测数据，分析曲线箱梁在施工过程中的应力变化规律，以期为类似工程提供参考。

2 应力检测与结果分析

2.1 应变测量

2.1.1 应变计的选择

本测试项目中选用长沙金码JMZA-215，规格为30 MPa的钢弦应变计。应变范围为-1 500μ ε～1 500μ ε，温度漂移2Hz/10 ℃～3 Hz/10℃，零点漂移2 Hz/3个月～4 Hz/3个月。应变计与测试导线捆绑在受力钢筋的底部，以免捣振时将应变计和导线损坏。

2.1.2 应力应变测量与计算方法

应变与频率的计算关系为:

其中，εi为各工况对应的应变值，μ ε;fi为各工况对应的振弦频率值;k为振弦频率系数，取k=0.002 346。

应变计埋入后，测量混凝土初凝时的初始频率 f0(初始应变ε0)和相应的混凝土内部温度 T0。各施工工况计算的应变εi应根据相应工况下混凝土内部温度Ti进行温度修正，应变修正值ε修通过下式计算:

其中，ε修为混凝土应变修正值，μ ε;Ti为各工况下混凝土内部温度;F为混凝土温度系数，取F=10.0;F0为应变计温度系数，取 F0=12.2。

各工况下应力σi由下式计算:

2.1.3 传感器布置方案

考虑到箱梁应力测试断面的重要性，混凝土材料应力测试的离散性、应力滞后性和剪力滞等影响因素，在悬梁根部关键控制截面上布置9个应力传感器，如图1所示。

2.2 应力分析

混凝土箱梁结构在悬浇过程中，按下述三个工序循环推进:1)挂篮前移、立模;2)混凝土浇筑、凝固;3)预应力钢绞线张拉。每一道工序均为一工况，通过现场连续观测对某箱梁T构悬臂施工过程中12个工况下根部截面的应力测量结果进行分析。

2.2.1 横向应力测量结果分析

各工况下，顶板横向应变计测量应力结果如图2所示。由图2可知，1号块浇筑完毕后，小里程方向顶板横向应变计测量的应力计算结果为16.866 MPa，大里程方向顶板横向应变计测量应力为0.375 MPa;1号块纵向张拉完毕后，应力分别为16.342 MPa和2.524 MPa，已经超过混凝土的抗拉强度(说明计算出的应变已经超过了混凝土的极限应变值，混凝土内部已经出现了裂缝)。经分析，该应力是由挂篮的偏心荷载产生的。由于0号块长度小于挂篮的长度，故在0号块上错开安装挂篮，小里程方向，挂篮向腹板右边偏移约60 cm，大里程方向，挂篮向腹板左边偏移约60 cm，导致在翼板根部产生较大拉应力。

经分析后，提出先张拉0号块、1号块横向预应力，然后再浇筑2号块混凝土。张拉后，小里程方向应力变为8.77 MPa，大里程方向应力变为-1.74 MPa。小里程顶板横向应变计在横向预应力张拉前后，其应力值按比例变化;而大里程顶板横向应变计在横向预应力张拉前后，其应力值也基本按同比例变化。只不过两者减小的绝对值不同。

底板横向应力测量计算结果如图3所示。由于在挂篮偏心荷载和0号，1号块横向预应力张拉的影响下，底板横向应力在工况2，工况 3，工况4，工况 5时，应力变化差别较大，最大差值为2.406 MPa，发生在工况5。此后各工况下，底板横向应力变化趋势相同且趋于一致。在各工况下的应力都满足混凝土设计强度要求。

2.2.2 纵向应力测量结果分析

箱梁根部截面各工况下底板和顶板的纵向平均应力计算结果如图4所示。从图4可以看出，在工况1和2时，顶板平均压应力减小，且混凝土浇筑时压应力的减小量较大，小里程方向还出现过拉应力，底板压应力增大;在工况3时，顶板平均压应力增大，底板平均压应力减小，且此过程中底板出现过较小的拉应力。各工况下，大里程方向顶板最大平均压应力为-10.033 MPa，未出现拉应力，小里程方向顶板最大平均压应力为-6.989 MPa，出现最大拉应力为0.917 MPa;大里程方向底板最大平均压应力为-2.099 MPa，最大拉应力为 0.576 MPa，小里程方向底板最大平均压应力为-2.669 MPa，且未出现拉应力。

图4中显示，某些工况下，挂篮前移后出现顶板压应力增加的现象，这与理论情况不相符。事实表明，施工过程中截面的应力状况与现场操作关系紧密。经分析发现，这是由于预应力钢绞线张拉后与挂篮前移的时间间隔很短，预应力张拉后，由于混凝土收缩徐变缓慢，存在应力滞后性，当挂篮前移完毕后，预应力才完全发挥，导致箱梁顶板的压应力有增大趋势。

从现场实测情况可知，各工况下，大里程方向和小里程方向截面应力也存在差异，如果悬臂两端不平衡内力过大，将直接影响箱梁的施工。由箱梁两端实际测量应力计算结果可知，在施工的前10工况，大小里程方向的不平衡内力有增大趋势，在后期的工况中将逐渐调整，并有减小趋势。施工过程中顶板最大应力差为3.706 MPa，底板最大应力差为1.75 MPa。

曲线箱梁随着施工过程中荷载的增加，梁体将有受扭趋势，其左右侧应力存在差异，特别是预应力张拉对箱梁截面的应力影响较大。各工况下左右侧应力测量结果如图5，图6所示。

由图5，图6可知，在各工况下，应力分布存在差异，大里程底板左右侧最大应力差值为1.292 M Pa，顶板左右侧最大应力差值为2.487 MPa;小里程方向底板左右侧最大应力差为2.950 MPa，顶板左右侧最大应力差为2.743 MPa。由图5可知，各工况下，随着挂篮前移、混凝土浇筑，大里程方向箱梁底板左侧的压应力增加量比右侧压应力增加量略大，顶板则是右侧的拉应力变化比左侧大;预应力张拉后，顶板右侧压应力增量比左侧压应力增加量略大(左侧为箱梁弧线内侧，右侧为弧线外侧)。由图6可知，小里程方向箱梁顶板左右侧应力变化规律与大里程基本相同，底板左右侧变化规律则与大里程相反。

3 结语

1)施工过程中，挂篮偏心荷载将会在箱梁翼板根部的局部位置产生较大的横向拉应力，应在施工过程中严格控制挂篮的偏心荷载。2)挂篮前移后和混凝土浇筑完毕两工况时，顶板平均压应力减小，且混凝土浇筑时压应力的减小量较大，有时顶板甚至还会出现拉应力，底板压应力增大;在预应力钢绞线张拉后，顶板平均压应力增大，底板平均压应力减小，且此过程中底板常会出现较小的拉应力。3)施工过程中，大、小里程方向根部截面应力存在不平衡性，此不平衡性主要受到施工顺序和桥面活荷载的影响。4)曲线箱梁底板和顶板左右侧应力存在差别，但是各工况下箱梁左右侧应力变化的趋势相同。

[1] 石雪飞，高 宝.大跨高墩变截面曲线箱梁桥悬臂施工变形分析与控制[J].结构分析，2004(2):10-14.

[2] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] 张继尧，王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社，2004.