混凝土桥梁振弦传感器应力测试温度影响性分析

陈 雷

（中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司 武汉 430034）

大跨度混凝土桥梁施工及成桥运营过程中，应力测试是评价桥梁状态的重要指标［1－2］，且结构的受力状态需结合理论计算及控制断面的测量值进行综合评估。由于应力传感器和混凝土材料膨胀系数的差异，结构自由状态下，温度变化也将引起其内部应变计读数变化，致使结构应变测试值与实际值偏差较大，必须采用一定的方法对振弦式传感器所测应变进行修正，以反映混凝土结构实际应变［3－4］。

1 振弦传感器温度－应变试验方案

本次试验分别对埋入混凝土试件、静定桥梁结构中及自由状态下的传感器进行温度、应变长期测试，并综合考虑混凝土收缩的影响。

（1）选择6组应力传感器作为测试对象，将其放入无日照的环境中，研究环境温度变化下传感器钢弦与应变筒变形协调关系，得出其测试应变与温度的关系。为保证温度与应变的同步性，应力传感器选择集温度、应变一体的元件。

（2）选择6组埋入应力传感器的混凝土试件（尺寸为：100mm×100mm×300mm）作为测试对象，将其放入无日照的环境中，研究环境温度变化下测试应变与温度的关系。

（3）选择埋入4组应力传感器悬臂静定桥梁结构作为测试对象，在无日照条件下采集应力，测试开始时结构龄期为150d，研究环境温度变化下测试应变与温度的关系，静定桥梁结构应力测点布置见图1。

图1 静定桥梁结构应力测点布置（单位：cm）

试验测试周期284d，每天测试3次，即每次测试代表0.3d，以确定其相应的温度与应变关系。

2 温度－应变试验研究及结果分析

2.1 自由状态下的传感器温度－应变关系

试验结果以第一次采集应变为零值。6组传感器温度与应变的平均值曲线见图2。温度影响系数以每次测试应变与温度差值的比值表示，计算公式为

图2 各组传感器温度与应变的平均值曲线

6组传感器影响系数平均值曲线见图3。

图3 各组传感器影响系数平均值曲线

由测试结果可知，全年温度变化范围3.7～36.7℃，实测应变变化范围为（－8～0）×10－6，温度影响系数为（－0.25～－0.45）×10－6／℃；全年各组传感器均较为稳定，未出现较大波动，压应变增量与温度变化成反比，全年温度影响系数平均值较小，为－0.3×10－6／℃，传感器钢弦与应变筒变形协调关系较好。

2.2 埋入混凝土试件中的传感器温度－应变关系

2.2.1 研究方法

（1）为减少混凝土收缩应变的影响，根据混凝土收缩应变前期发展较快、后期较为缓慢的特点，将试件放置一段时间，待收缩应变完成大部分后，开始温度、应变测试。本次试验开始时，试件龄期为60d。

（2）为合理确定传感器温度－应变的起始点，测试周期以测试结束与开始测试时环境温度可基本回归为原则进行确定，并绘制相同温度、不同龄期下的测试应变曲线，以确定收缩应变基本完成的时间。

（3）以收缩应变基本完成时的测试结果作为试验研究的零点，后续测试与零点的应变差、温度差的比值确定为温度－应变影响系数。

2.2.2 混凝土收缩应变及测试周期确定

6组试件中传感器测试温度与应变的平均值曲线见图4；6～10℃的不同龄期下试件传感器测试应变曲线见图5。

图4 各组测试温度与应变的平均值曲线

由图4可见，测试开始温度为6～7℃，测试第852次时温度基本回归，即测试周期确定为284d。

图5 温度基本相同、不同龄期的应变曲线

由图5可见，温度基本相同（相差1℃范围内）情况下，测试开始时测试应变增加较快，第100次后逐渐收敛，变化值较小。因此，以此时传感器的测试温度、应变作为零值，研究其温度－应变关系较为适宜。

2.2.3 温度－应变规律及影响系数

根据2.2.2研究成果，第100次的测试结果可作为基准值，并采用后续测试结果与基准值间的应变差与温度差的比值表示温度影响系数，即温度影响系数k温n＝（εn－ε100）／ （tn－t100），以6组埋入试件的传感器的k温n平均值及拟合曲线见图6。

图6 温度－应变关系及拟合曲线

由图4可见，经过284d不同温度、不同试件龄期温度、应变测试，测试应变变化均与温度变化相反，即温度升高，压应变增加；测试初期，受混凝土收缩应变影响，温度与应变两者之间反对称性较不规律，测试至第100次后，温度与应变两者反对称性较好，变化呈现一定的规律性，可进行温度－应变关系研究。

由图6可见，埋入试件中的传感器所测应变变化与温度变化基本成正比，比值为－4.3×10－6／℃。

2.3 埋入悬臂静定桥梁结构中的传感器温度－应变关系

选择4组应力传感器埋入悬臂静定桥梁结构中进行温度－应变试验，研究方法与2.2节相同。根据桥梁施工进度，测试时桥梁施工阶段为主跨合龙前最大悬臂状态，需静置约3个月，测点埋设断面混凝土龄期已至150d，收缩应变基本完成，测试时间为2013年3月～4月，周期为60d，每2 d测试1次，4组传感器所采集的温度与应变平均值见图7，温度影响系数k温n见图8。

图7 不同龄期下测试所得温度与应变

图8 温度影响性系数及拟合曲线

由图7、图8可见，埋入悬臂静定桥梁结构中传感器温度及应变变化趋势基本与2.2相同，埋入试件中的传感器所测应变变化与温度变化基本成正比，比值为－4.45×10－6／℃，与上节研究成果基本一致，可作为实桥温度－应变修正系数。

3 结语

混凝土桥梁施工过程及运营阶段应变测试值受混凝土收缩徐变、不均匀温度场效应、环境温度等因素影响较大，其中前两者影响量修正难度较大，一般通过无日照、增量测试法减弱两者影响，而后者只能通过温度影响系数进行修正。

本文通过长期对埋入混凝土试件、静定桥梁结构中及自由状态下的传感器温度、应变测试，确定了试验所用传感器的稳定性，给出温度对测试应变的影响系数，相互验证，试验所得成果可应用于实桥测试应力修正。

［1］ 胡志鹏.曲线钢－混凝土结合梁桥的温度应力［J］.交通科技，2014（3）：14－17.

［2］ 代迟书.连续刚构桥承台水化热现场监测与温度控制［J］.交通科技，2013（3）：50－53.

［3］ 王子芳.大体积混凝土施工中的温度控制［J］.交通科技，2012（S1）：32－33.

［4］ 向木生，田晓彬，徐 华，等.预应力混凝土梁桥应力测试技术［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2001（3）：266－269.