【摘要】分析了大跨度預應力混凝土橋梁施工應力監測中存在的問題，介紹了改進措施及提高測試精度的具體方法。
關鍵詞 施工應力 測試 量測 補償 無應力計 工作應變計 電阻差動式 振弦式

一、前言
近幾年，我院承擔了十余座大跨度預應力混凝土橋梁施工應力監測任務。有斜拉橋、連續梁及剛構等多種橋式。在完成合同規定任務的同時，為了提高測試質量還做了不少的試驗和探討。根據對混凝土橋梁施工應力的觀測，發現目前還有些問題沒有很好的解決，及時總結經驗教訓，不斷地提高測試質量，是當前橋梁建設發展的需要。
隨著橋梁事業的發展，預應力混凝土橋梁得到廣泛應用，不同橋式的預應力混凝土橋梁在不斷興建，跨度逐步加大，結構也向薄壁輕型發展，懸臂施工中不安全因素隨之增大。為了避免安裝應力失控，有更多的橋梁對施工進行監控，對施工應力測試也提出了更高的要求。現在施工應力測試技術遠遠跟不上橋梁工程發展的需要。
本文在總結多年來大跨度預應力混凝土橋梁施工應力測試的基礎上，針對當前測試存在的問題，談談提高測試精度、確保測試質量的具體方法。

二、提高測試質見的探討
混凝土為非勻質材料，除受力變形外還有多種因素同樣引起變形。目前對混凝土應力直接測試尚無完善的方法，仍是通過應變量測再進行換算，由于多種變形的摻入，使得測試工作變得十分復雜。
溫度對橋梁結構影響很明顯可分兩個方面，一是結構隨溫度變化發生變形，即熱脹冷縮；另外由日照等原因引起結構溫差，溫差對結構影響大，也很復雜。
濕度對混凝土結構影響也比較明顯，近來采用泵送混凝土，由于水和水泥用量的增多，于縮變形也隨之變大。
混凝土自身體積變化是由內部膠凝材料的水化作用引起的變形，對結構有影響，但不太明顯。
徐變是混凝土特性之一，在荷載不變情況下，變形在不斷增加。它對結構受力影響明顯，也很復雜。
關于混凝土變形總起來可歸納為兩類：一類是混凝土受力變形，包括荷載彈性變形、徐變變形及溫差引起的變形；另一類為體積變形，是指混凝土溫度變形、濕度變形及自身體積變形等。可用下式表示：
ε總=ε受力+ε體積=(ε何載+ε徐變+ε溫差)+(ε溫+ε濕+ε自)
施工應力測試就是將觀測部位在不同工況下由荷載引起彈性應變。荷載量測出來，用下式換算出應力
σ荷=Eε荷載
式中，E為彈性模量。
而應變測值包括了上述兩類變形。為了得到較準確的荷載應變，多年來一直研究如何把其他應變從測值中分離出來。
1．體積變形補償方法的試驗
水工大壩的監測一直采用雙壁筒式無應力計，它由雙層鐵皮筒和填在中間的軟材料構成，見圖1。它可以消除荷載引起的變形。測值僅是混凝土體積變形，用來補償大壩混凝土體積變形。

70年代在九江長江大橋的沉井試驗中曾用這種無應力計。在沉井尚未下沉時經觀測就發現無應力計的溫度與應變計不一致。濕度相差更大，當井壁混凝土于縮達200～300微應變時，而無應力計只有數十個微應變，沉井下沉后，由于井壁浸水膨脹，差距才逐漸減小。
據分析由于簡內混凝土周圍有鐵皮和軟材料包圍。影響熱傳導和水分散發，使箱內外混凝土在溫度和濕度方面都出現了差異。
為了進一步驗證還制作了混凝土試塊，同時埋設工作應變計和無應力計。試塊灌注后養生期間就發現二者逐漸產生了差別，隨著齡期增長差別越來越大。此時的試塊沒有受力，應變計測值也應和無應力計一樣都是體積變形，二者不一致，證明筒式無應力起不到補償作用。后來還試用過尺寸不同的混凝土塊，內設同一型號的應變計，作為補償塊。補償塊與結構上對應的混凝土同時灌注，同樣養生，測試時將補償塊放在觀測的部位，盡量保持同樣的條件。但由于補償塊體積小，界面多，熱傳導及水分散發比較快，后來也發現補償塊內的溫度和濕度與結構之間存在較大的差別。同樣起不到良好的補償作用。
以上教訓使我們認識到無應力計補償效果好壞取決于在溫度和濕度方面能否與工作應變計保持同步，為此我們將筒式無應力計改為半筒式，見圖2。

為了試驗這種無應力計補償效果，曾制作大型混凝土試塊，里面埋設幾種尺寸不同的半筒式無應力計及對應的工作應變計（DI-100），見圖3。將試塊放在露天和水下分別進行較長時間的觀測，然后將試塊放在壓力機加載驗證無應力計對荷載隔離效果。

圖4為試塊中一種無應力計與應變計在日照下觀測的"應變-時間曲?quot;和"溫度一時間曲線"。圖5是試塊在水中觀測的無應力計及應變計的"應變-時間曲線"和"溫度-時間曲線"。圖6是試塊在壓力機加載時的"應變-荷載曲線"。從觀測曲線可以看出，尤應力計不論在日照下和水中，它與應變計在應變和溫度方面基本上是同步的，隔離荷載效果也很好，試驗證明半筒式無應力計有較好的補償效果。



此后一直使用這種無應力計，據幾座橋的實測數據看，補償效果是令人滿意的。
有些橋梁在橫向未設預應力，還可采用圖7所示補償形式，在垂直方向安裝同樣的應變計，其測值經過泊桑比的換算，同樣可進行補償。這種補償形式安裝方便，不需其他設備，從使用效果看也很好。

上述兩種補償形式，要達到預期的補償效果，還有幾點應弓愧注意。一是要設法將補償和工作的兩個應變計埋設距混凝土表面同等，只有這樣才能使兩者在溫度和濕度保持同步；二是無應力計和應變計應選擇溫度場相同或接近的位置進行埋設；三是工作和補償的兩個應變計必須同一型號、同批生產。如果兩者主要參數相同或相近補償效果會更好。
2．減少溫差及徐變影響的措施
橋梁結構的溫差多來自日照，氣溫驟降也能形成溫差。根據觀測，日照引起的梁頂與梁底溫差可達17～19℃。它能使某些部位產生相當大的溫度應力。也可能使施工中懸臂端產生較大的變位。具體與結構本身力學特性及周圍約束有關。由于日照引起的溫度場本身又是隨機變量。所以溫差給結構帶來影響相當復雜。
減少溫差影響有效方法是早晨日出之前進行量測。日照形成的溫差經過一夜基本上趨于平穩。只有封閉箱內外有溫差，但影響不大。早晨不但是梁的各部位溫差最小，而且全橋的各部分溫差也最小。因此早晨日出之前進行量測是消除溫差影響有效的方法。
混凝土徐變變形受多種因素影響，比較復雜。其中徐變變形大小與加載齡期長短有關。減少徐變的影響，可采用加密量測次數，取每次加載前后相對值累計辦法，有一定效果。 懸臂施工中每澆筑（或拼裝）一個梁段需要一定時間，測試可將其中幾個荷載變化比較大的工序選出來。如移掛籃、綁鋼筋、澆混凝土、張拉預應力等，在這些工序進行前后分別進行量測，取前后差值疊加累積。這樣雖然不可能將徐變影響完全分離出去，但總可以減少一部分誤差。

三、關于測試元件的選用
大跨度混凝土橋梁施工應力測試有不少條件限制和一定的困難，因此對測試元件要求也很高。一,測試時間較長，一般在一年左右，有些還要長，要求測試元件長期穩定性好；二,荷載增減頻繁，但每次變化量不一定很大，因此要求測試元件靈敏度要高；三、橋梁多為薄壁結構，鋼筋密又沒有預應力，元件埋設困難，元件體積盡可能小，構造簡單，不易損壞；四、測點比較分散，電線、電纜分散在橋面上，由于施工干擾碰傷砸斷經常發生，因此元件最好有較強的適應性。
根據上述要求，以前多使用電阻差動式（DI一100）應變計，它在靈敏度和長期穩定性方面都能滿足要求。體積小安裝埋設也比較方便，但它是利用"電阻變化"的原理做成的傳感器，容易受溫度的影響，除元件本身受溫度影響需隨時修正外，其電纜及接頭的變化也給測值造成波動。本來混凝土結構的測試就很復雜，再加上元件本身易受外來干擾，更增加測試工作的困難。
后改用振弦式應變計，它在長期穩定和靈敏度方面同樣能滿足要求，另外它是通過振頻變化轉換數據的，從構造看鋼弦和外殼同樣是鋼質，熱膨脹系數基本一致，因此對溫度變化不敏感，對導線要求也不高。改用振弦式元件后不但整理數據簡單省事，而且從測試結果看規律性也好。
但振弦式元件目前還沒有統一標準，生產廠家多是地方小廠，其中的關鍵是對鋼弦的處理。如處理不到位，在長期測試中易于松弛，造成零點飄移，給數據分析帶來麻煩。使用前最好提前半年購置，然后觀測零點穩定情況。另外還要選擇少數進行重標定，校核廠家的標定曲線。
目前振弦式應變計外殼多用鋼管，有的鋼管壁厚，使用前應檢查應變計本身的剛度，如大于同截面混凝土剛度時，還要通過試驗找出兩者剛度比對測值進行修正。
振弦式應變計因構造關系，對拉應力測試誤差大，當觀測部位有拉應力出現時，應改用其他測試元件。

四、關于測試中幾個應注意的問題
（1）施工應力監測涉及到的資料和數據很多。除設計資料外，施工方面也很多，如施工工藝、施工方案、施工組織設計及掛籃、模板有關數據。橋上主要施工機具設備的重量及其他施工荷載等。事前應認真收集、仔細調查。
對結構進行理論分析計算十分必要。測試應根據需要建立自己的計算系統。事先對觀測部位在各種工況下的應力狀態進行分析和計算，做到心中有數。

（2）應變計安裝要經歷混凝土澆注、振搗及混凝土硬化等過程。尤其是混凝土硬化是一個很復雜的變化過程，有水化熱溫升和自身體積的收縮。由于溫度場及于縮變化不均，往往造成殘余應力會影響應變計，造成讀數波動大也不穩定。為了確定測點初始值，混凝土澆注后應當跟蹤觀測，以穩定后的測值作為初始值。有些測點需較長時間才能穩定，又要配合施工進行量測，對這部分測點，當發現數據有明顯不合理時，可以進行適當調整。
（3）大跨度橋梁施工過程中，不可避免會出現一些問題，有時會打亂正常施工順序，施工荷載也會變化，測試時應注意變化，并作好記錄。不少變化將直接影響測試結果。
另外測試中發現個別測點異常，應及時檢查，發現干擾盡快排除。根據經驗，當測點附近停放施工機具材料或因上面有積水，也會給測試結果帶來影響。
（4）對能反映結構工作特性應力比較集中的測試部位，應適當多設元件，以防安裝或測試過程中造成損壞而測不到關鍵數據，還可以采用不同的手段或其他類型元件，同時進行測試。
（5）由于混凝土性質有變易性，在施工應力測試中，應根據工地實際情況，做一些有關混凝土性質的試驗和觀測，如混凝土彈性模量、于縮量，如有條件還可進行其他方面觀測，利用這些數據對測試資料進行分析，可能減少一部分誤差。
（6）觀測資料除及時整理交委托單位外，還要進行系統分析，發現不正常或過大偏差時，找出原因，盡早地進行修正。從以往觀測資料看，實測與理論計算總有差距。測試數據與計算值存在偏差是正常的，施工中懸澆塊件超重，施工荷載變化，徐變造成的誤差及測試元件和儀器的誤差，都會給測值帶來偏差。
（7）正因為施工應力測試工作難度比較大，所以要組織有一定經驗人員長駐現場，除認真細致進行測試工作外，還要不斷分析研究，探討提高測試精度。從以前測試情況看，參與測試的工作人員的責任心和工作態度是測試能否取得可靠數據的關鍵。

五、結語
綜上所述，對大跨度預應力混凝土橋梁施工應力監測，至今仍有不少問題沒有更好的解求方法。在科學的方法沒有建立之前，經驗的積累十分重要。當前由于工程發展需要，正推動這項測試工作不斷開展，在這大好的時機中，只要堅持不斷地實踐，不斷地分析總結，不斷地試驗探索，必將使混凝土橋梁施工應力測試工作更快地走向完善。

參考文獻
［l］第六次國際大壩會議論文選集之四--壩體應力分析、溫度計算和壩工設計．北京：水利電力出版社，1960
[2]唐崇釗．混凝土的徐變力學與試驗技術．北京：水利電力出版社，1982