大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测中徐变应变的分离
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Fx = 0 ] N =
在单位应力作用下的单向受压混凝土试件 , 经 过时间 t 后 , 其总应变可表示 [ 3 ] 1 δ( t ,τ ( 2) [ 1 + φ( t ,τ 0) = 0) ] E (τ 0) 式中 ,τ 0 为施加荷载时混凝土的龄期 ; E (τ 0 ) 为在 t =τ 0 时的瞬时弹性模量 ;φ( t ,τ 0 ) 为在 t = τ 0 加荷 后 , 单位应力持续作用到 t 所增长的变形与瞬时弹 性变形的比 , 称为徐变系数 , 有时也称为徐变函数 。 目前 , 比较著名的徐变系数有老化理论 ( 表达式 τ ) -β - β( t - τ φ ) = φ∞・ 为 : ( t ,τ e [1 - e ]) , 先天理论 , 徐变弹性体理论等 。 2. 3. 2 考虑徐变影响的混凝土应力 - 应变增量关系 考虑了徐变影响后混凝土单元第 i 阶段的应力 [4 ] σ ε 增量Δ 为: i 与应变增量 Δ i 关系
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
56
桥梁建设 2003 年第 1 期
多截面多测点的要求 , 所以极少使用 。间接法是先 通过传感器测出混凝土内部的应变以及弹性模量 , 再换算成应力的一种方法 , 也是目前国内外较多采 用的一种方法 。但由于总应变中包含的非应力应变 成分很多 ,尤其是徐变应变难以准确扣除 ,致使应力 实测数据的精度得不到保证 , 因此寻求更好的扣除 非应力应变的方法是当务之急 。本文作者在广东省 西部沿海高速公路上一座大跨度 PC 斜拉桥的施工 控制实践中提出了一种适用于大跨度混凝土斜拉桥 主梁应力监测新方法 。该方法利用主梁中性轴应力 只与斜拉索水平分力有关这一特点 , 根据实测索力 求出中性轴应力 , 据此校准中性轴的实测应力并识 别徐变系数 ,继而求出其余应力 。将文中提出的方 法应用于此斜拉桥主梁的应力监测 ,效果良好 ,说明 此法的正确性和实用性 。
Separation of Creep Strain in Stress Monitoring f or Main Girder of Long2Span Concrete Cable2Stayed Bridge
HAN Da2jia n1 , XU Yu2f eng1 , WAN G Wei2f eng2 , WAN G Wei2bi ng3
大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测中徐变应变的分离 韩大建 ,徐郁峰 ,王卫锋 ,王卫兵
55
文章编号 :1003 - 4722 ( 2003) 01 - 0055 - 04
大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测中 徐变应变的分离
韩大建1 ,徐郁峰1 ,王卫锋2 ,王卫兵3
( 1. 华南理工大学建筑学院土木工程系 ,广东 广州 510640 ; 2. 华南理工大学交通学院 ,广东 广州 510641 ; 3. 南粤物流有限公司 ,广东 广州 510641)
大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测中徐变应变的分离 韩大建 ,徐郁峰 ,王卫锋 ,王卫兵
57
和测试断面的面积。另一方面 , 根据主梁实测应变 , 选取一定的徐变理论 , 可计算出主梁中性轴应力 σ 中性轴 - 徐变 。这 样 , 就 可 以 根 据 σ 中性轴 - 索力 校 准 σ 中性轴 - 徐变 , 并由此识别用于计算中性轴应力的徐变 理论中的徐变参数。由于混凝土徐变的特性只与混 凝土的材料及环境等因素有关 , 同一测试断面上的混 凝土徐变特性应基本一致 , 所以在取得识别后的徐变 系数后 , 即可用此徐变系数计算其余各测点的应力。 容易看出 , 这种方法的准确性取决于斜拉索索 力测量的精度 。目前 , 测量索力所使用的频率法比 较成熟 ,精度较高 ,在不进行边界条件及垂度的修正 情况下也能达到 95 %以上的精度 [ 5 ] ,因此这种方法 的准确性是可以得到保证的 。
索力/ kN
2 336 2 310 2 235 2 232 2 231 2 358 2 516 2 609 2 738 2 852 3 143 2 309 2 289 2 238 2 237 2 227 2 353 2 477 2 600 2 740 2 891 3 202
中性轴应力/ MPa
为了增加徐变参数识别的可靠性 ,可以分阶段进 行多次识别。每次识别前 ,进行一次全桥索力测量 , 并同时进行应变测量。通过实测索力计算中性轴应 力 ,与通过实测应变计算出的中性轴应力对比 ,识别 出徐变参数 ,再把此参数应用于所有测点 ,便可以得 出所测的实测应力。测试及计算流程见图 3 。
2. 3. 1 混凝土的徐变特性
[2 ]
斜拉桥通常采用悬臂施工法架设 。图 1 为斜拉 桥在施工至第 i 节段时的情况 。为了对徐变系数进 行识别 , 必须取得主梁测试断面上某些测点较为可 靠的实际应力 。
图1 斜拉桥悬臂施工示意
。一般能较准
现切断主梁中跨测试断面以及斜拉索 , 截取其分 离体进行分析 , 见图 2 。同样可取边跨分离体进行分 析。 图 2 中 , N1 、 N2 、 N 3 至 N i 表示主梁 1 号索、 2号 索、 3 号索至 i 号索索力 , G1 、 G2 、 G3 至 Gi 表示主梁 1 号块、 2 号块、 3 号块至 i 号块重量 , N 、 M、 V 分别表示 测试截面的轴力、 弯矩、 剪力 ,由分离体平衡可得 :
( 1. Department of Civil Engineering , School of Architecture , Sout h China University of Technology , Guangzhou 510640 , China ; 2. School of Communications , Sout h China University of Technology , Guangzhou 510641 , China ; 3. Guangdong Nanyue Material Trading Stock Co. , Ltd. , Guangzhou 510641 , China)
1 引 言
应力监测作为确保结构施工安全最重要的一环 , 显 得尤为重要 。目前应力监测分直接法和间接法两 种 。直接法是通过传感器直接感知混凝土内部应力 的一种方法 。但目前仅限于 Carlson 发明的压应力 传感器 [ 1 ] ,且其价格昂贵 ,不适合斜拉桥应力监测
由于斜拉桥在经济 、 结构和建筑造型等方面具 有独特的优势 ,斜拉桥的结构形式已得到广泛采用 。 随着技术水平的提高 ,跨度不断增大 ,为确保施工安 全顺利 ,施工过程中的监控受到工程界的高度重视 。
j=1
E
2
2
为混凝土第 i 阶段的初应变 ; t i 、 t i - 1 分别为混凝土 1 第 i 阶段的起始龄期和结束龄期 ; t j - 1 = ( tj - 1 + 2 2 t j ) , 为混凝土第 j 阶段的中点龄期 。 从以上公式可以看出 , 徐变系数的取值直接决 定了应力计算的准确程度 , 因此用这种计算方法一 般要求配合一定的徐变试验 , 在缺乏徐变试验资料 的情况下 , 可选择一种徐变理论代入其中计算 , 但此 时理论中的徐变参数需要识别修正 。
2 无应力应变与徐变应变的分离 2. 1 总应变
Δ σ Δ ε γi ( i = E i - ε i) 式中 , E γi = φ( t i , t i - 1 ) 1 +ρ i・
E
( 3)
, 为混凝土第 i 阶段的
有效弹性模量 ;ρ i 为混凝土第 i 阶段的时效系数 ( 0 i- 1Δ σ j φ( t i , t j - 1 ) - φ ( t i - 1 , t j - 1 ) , <ρ 1) ;ε i ≤ i = ∑
摘 要 : 针对目前混凝土斜拉桥在施工控制中应力监测作为存在的难题 , 提出了一种适用于 大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测新方法 。该方法利用主梁中性轴应力只与斜拉索水平分力有关 这一特点 ,根据实测索力求出中性轴应力 ,据此校准中性轴的实测应力并识别徐变系数 ,继而求出 其余应力 。 关键词 : 斜拉桥 ; 应力监测 ; 施工控制 ; 徐变 中图分类号 : U448. 27 ;U445. 1 文献标识码 : A
Abstract : In consideration t hat t he st ress monitoring is a difficult point in t he present const ruction cont rol of concrete cable2stayed bridge , a kind of new met hod applicable to t he st ress monitoring for t he main girder of long2span concrete cable2stayed bridge is proposed. Taking advantage t hat t he neu2 t ral axial st ress of t he main girder is only related to t he horizontal component of t he stay cables , t he met hod provides solution of t he neut ral axial st ress according to t he act ual measurement of cable force wit h which t he act ually2measured st ress of t he neut ral axis can be calibrated and t he creep coefficient s can be identified , and f urt her , t he solution of t he remaining st ress will be derived. Key words : cable2stayed bridge ; st ress monitoring ; const ruction cont rol ; creep
3 徐变系数的识别
通过应变传感器可测出的应变是总应变 , 可以 表示为 : ε 总 = (ε 弹 +ε 徐变 ) + (ε 自身 + ε 温度 + ε 收缩 ) ( 1) 式中 ,ε 弹 为荷载引起的弹性应变 ;ε 徐 为相应的徐变 ε 应变 ;ε 为混凝土自身体积应变 ; 自身 温度 为自由温度 应变 ;ε 收缩 为混凝土收缩应变 。其中后三种应变之 和称为 ε 无应力 。 ε 2. 2 无应力 的分离 ε 无应力 的测量可采用无应力计 确地分离 ε 无应力 。 ε 2. 3 徐变 的分离
∑N
xi
( 4)
图2 斜拉桥主梁分离体及其受力
从索力得到主梁测试断面中性轴处的应力 ,应有 :
N σ = 中性轴 - 索力 = A
∑N
A
xi
wk.baidu.com
( 5)
上述式子中的 N xi 和 A 分别为索力的水平分力
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
4 应力测试流程
1 号索锚固点 1. 5 m 处 ,测点布置见图 4 。采样时间
为早晨 7 时 。
图4 应力测点布置
施工至 11 号块进行了全桥索力测量 ,同时也进 行了应变采样 。实测索力及由索力计算得到的中性 轴应力见表 1 。
表1 实测索力及由其计算得到的 σ 中性轴 - 索力
位置
M1 M2 M3 M4 M5
收稿日期 : 2002 - 10 - 11 基金项目 : 广东省自然科学基金资助项目 (000387) 作者简介 : 韩大建 (1940 - ) ,女 ,教授 ,1963 年毕业于北京大学固体力学专业 ,1982 年毕业于美国普渡 ( Purdue) 大学土木工程专业 , 获硕士学 位 ( MS) ,1984 年毕业于美国普渡 ( Purdue) 大学土木工程专业 ,获博士学位 ( PhD) 。
在单位应力作用下的单向受压混凝土试件 , 经 过时间 t 后 , 其总应变可表示 [ 3 ] 1 δ( t ,τ ( 2) [ 1 + φ( t ,τ 0) = 0) ] E (τ 0) 式中 ,τ 0 为施加荷载时混凝土的龄期 ; E (τ 0 ) 为在 t =τ 0 时的瞬时弹性模量 ;φ( t ,τ 0 ) 为在 t = τ 0 加荷 后 , 单位应力持续作用到 t 所增长的变形与瞬时弹 性变形的比 , 称为徐变系数 , 有时也称为徐变函数 。 目前 , 比较著名的徐变系数有老化理论 ( 表达式 τ ) -β - β( t - τ φ ) = φ∞・ 为 : ( t ,τ e [1 - e ]) , 先天理论 , 徐变弹性体理论等 。 2. 3. 2 考虑徐变影响的混凝土应力 - 应变增量关系 考虑了徐变影响后混凝土单元第 i 阶段的应力 [4 ] σ ε 增量Δ 为: i 与应变增量 Δ i 关系
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
56
桥梁建设 2003 年第 1 期
多截面多测点的要求 , 所以极少使用 。间接法是先 通过传感器测出混凝土内部的应变以及弹性模量 , 再换算成应力的一种方法 , 也是目前国内外较多采 用的一种方法 。但由于总应变中包含的非应力应变 成分很多 ,尤其是徐变应变难以准确扣除 ,致使应力 实测数据的精度得不到保证 , 因此寻求更好的扣除 非应力应变的方法是当务之急 。本文作者在广东省 西部沿海高速公路上一座大跨度 PC 斜拉桥的施工 控制实践中提出了一种适用于大跨度混凝土斜拉桥 主梁应力监测新方法 。该方法利用主梁中性轴应力 只与斜拉索水平分力有关这一特点 , 根据实测索力 求出中性轴应力 , 据此校准中性轴的实测应力并识 别徐变系数 ,继而求出其余应力 。将文中提出的方 法应用于此斜拉桥主梁的应力监测 ,效果良好 ,说明 此法的正确性和实用性 。
Separation of Creep Strain in Stress Monitoring f or Main Girder of Long2Span Concrete Cable2Stayed Bridge
HAN Da2jia n1 , XU Yu2f eng1 , WAN G Wei2f eng2 , WAN G Wei2bi ng3
大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测中徐变应变的分离 韩大建 ,徐郁峰 ,王卫锋 ,王卫兵
55
文章编号 :1003 - 4722 ( 2003) 01 - 0055 - 04
大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测中 徐变应变的分离
韩大建1 ,徐郁峰1 ,王卫锋2 ,王卫兵3
( 1. 华南理工大学建筑学院土木工程系 ,广东 广州 510640 ; 2. 华南理工大学交通学院 ,广东 广州 510641 ; 3. 南粤物流有限公司 ,广东 广州 510641)
大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测中徐变应变的分离 韩大建 ,徐郁峰 ,王卫锋 ,王卫兵
57
和测试断面的面积。另一方面 , 根据主梁实测应变 , 选取一定的徐变理论 , 可计算出主梁中性轴应力 σ 中性轴 - 徐变 。这 样 , 就 可 以 根 据 σ 中性轴 - 索力 校 准 σ 中性轴 - 徐变 , 并由此识别用于计算中性轴应力的徐变 理论中的徐变参数。由于混凝土徐变的特性只与混 凝土的材料及环境等因素有关 , 同一测试断面上的混 凝土徐变特性应基本一致 , 所以在取得识别后的徐变 系数后 , 即可用此徐变系数计算其余各测点的应力。 容易看出 , 这种方法的准确性取决于斜拉索索 力测量的精度 。目前 , 测量索力所使用的频率法比 较成熟 ,精度较高 ,在不进行边界条件及垂度的修正 情况下也能达到 95 %以上的精度 [ 5 ] ,因此这种方法 的准确性是可以得到保证的 。
索力/ kN
2 336 2 310 2 235 2 232 2 231 2 358 2 516 2 609 2 738 2 852 3 143 2 309 2 289 2 238 2 237 2 227 2 353 2 477 2 600 2 740 2 891 3 202
中性轴应力/ MPa
为了增加徐变参数识别的可靠性 ,可以分阶段进 行多次识别。每次识别前 ,进行一次全桥索力测量 , 并同时进行应变测量。通过实测索力计算中性轴应 力 ,与通过实测应变计算出的中性轴应力对比 ,识别 出徐变参数 ,再把此参数应用于所有测点 ,便可以得 出所测的实测应力。测试及计算流程见图 3 。
2. 3. 1 混凝土的徐变特性
[2 ]
斜拉桥通常采用悬臂施工法架设 。图 1 为斜拉 桥在施工至第 i 节段时的情况 。为了对徐变系数进 行识别 , 必须取得主梁测试断面上某些测点较为可 靠的实际应力 。
图1 斜拉桥悬臂施工示意
。一般能较准
现切断主梁中跨测试断面以及斜拉索 , 截取其分 离体进行分析 , 见图 2 。同样可取边跨分离体进行分 析。 图 2 中 , N1 、 N2 、 N 3 至 N i 表示主梁 1 号索、 2号 索、 3 号索至 i 号索索力 , G1 、 G2 、 G3 至 Gi 表示主梁 1 号块、 2 号块、 3 号块至 i 号块重量 , N 、 M、 V 分别表示 测试截面的轴力、 弯矩、 剪力 ,由分离体平衡可得 :
( 1. Department of Civil Engineering , School of Architecture , Sout h China University of Technology , Guangzhou 510640 , China ; 2. School of Communications , Sout h China University of Technology , Guangzhou 510641 , China ; 3. Guangdong Nanyue Material Trading Stock Co. , Ltd. , Guangzhou 510641 , China)
1 引 言
应力监测作为确保结构施工安全最重要的一环 , 显 得尤为重要 。目前应力监测分直接法和间接法两 种 。直接法是通过传感器直接感知混凝土内部应力 的一种方法 。但目前仅限于 Carlson 发明的压应力 传感器 [ 1 ] ,且其价格昂贵 ,不适合斜拉桥应力监测
由于斜拉桥在经济 、 结构和建筑造型等方面具 有独特的优势 ,斜拉桥的结构形式已得到广泛采用 。 随着技术水平的提高 ,跨度不断增大 ,为确保施工安 全顺利 ,施工过程中的监控受到工程界的高度重视 。
j=1
E
2
2
为混凝土第 i 阶段的初应变 ; t i 、 t i - 1 分别为混凝土 1 第 i 阶段的起始龄期和结束龄期 ; t j - 1 = ( tj - 1 + 2 2 t j ) , 为混凝土第 j 阶段的中点龄期 。 从以上公式可以看出 , 徐变系数的取值直接决 定了应力计算的准确程度 , 因此用这种计算方法一 般要求配合一定的徐变试验 , 在缺乏徐变试验资料 的情况下 , 可选择一种徐变理论代入其中计算 , 但此 时理论中的徐变参数需要识别修正 。
2 无应力应变与徐变应变的分离 2. 1 总应变
Δ σ Δ ε γi ( i = E i - ε i) 式中 , E γi = φ( t i , t i - 1 ) 1 +ρ i・
E
( 3)
, 为混凝土第 i 阶段的
有效弹性模量 ;ρ i 为混凝土第 i 阶段的时效系数 ( 0 i- 1Δ σ j φ( t i , t j - 1 ) - φ ( t i - 1 , t j - 1 ) , <ρ 1) ;ε i ≤ i = ∑
摘 要 : 针对目前混凝土斜拉桥在施工控制中应力监测作为存在的难题 , 提出了一种适用于 大跨度混凝土斜拉桥主梁应力监测新方法 。该方法利用主梁中性轴应力只与斜拉索水平分力有关 这一特点 ,根据实测索力求出中性轴应力 ,据此校准中性轴的实测应力并识别徐变系数 ,继而求出 其余应力 。 关键词 : 斜拉桥 ; 应力监测 ; 施工控制 ; 徐变 中图分类号 : U448. 27 ;U445. 1 文献标识码 : A
Abstract : In consideration t hat t he st ress monitoring is a difficult point in t he present const ruction cont rol of concrete cable2stayed bridge , a kind of new met hod applicable to t he st ress monitoring for t he main girder of long2span concrete cable2stayed bridge is proposed. Taking advantage t hat t he neu2 t ral axial st ress of t he main girder is only related to t he horizontal component of t he stay cables , t he met hod provides solution of t he neut ral axial st ress according to t he act ual measurement of cable force wit h which t he act ually2measured st ress of t he neut ral axis can be calibrated and t he creep coefficient s can be identified , and f urt her , t he solution of t he remaining st ress will be derived. Key words : cable2stayed bridge ; st ress monitoring ; const ruction cont rol ; creep
3 徐变系数的识别
通过应变传感器可测出的应变是总应变 , 可以 表示为 : ε 总 = (ε 弹 +ε 徐变 ) + (ε 自身 + ε 温度 + ε 收缩 ) ( 1) 式中 ,ε 弹 为荷载引起的弹性应变 ;ε 徐 为相应的徐变 ε 应变 ;ε 为混凝土自身体积应变 ; 自身 温度 为自由温度 应变 ;ε 收缩 为混凝土收缩应变 。其中后三种应变之 和称为 ε 无应力 。 ε 2. 2 无应力 的分离 ε 无应力 的测量可采用无应力计 确地分离 ε 无应力 。 ε 2. 3 徐变 的分离
∑N
xi
( 4)
图2 斜拉桥主梁分离体及其受力
从索力得到主梁测试断面中性轴处的应力 ,应有 :
N σ = 中性轴 - 索力 = A
∑N
A
xi
wk.baidu.com
( 5)
上述式子中的 N xi 和 A 分别为索力的水平分力
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
4 应力测试流程
1 号索锚固点 1. 5 m 处 ,测点布置见图 4 。采样时间
为早晨 7 时 。
图4 应力测点布置
施工至 11 号块进行了全桥索力测量 ,同时也进 行了应变采样 。实测索力及由索力计算得到的中性 轴应力见表 1 。
表1 实测索力及由其计算得到的 σ 中性轴 - 索力
位置
M1 M2 M3 M4 M5
收稿日期 : 2002 - 10 - 11 基金项目 : 广东省自然科学基金资助项目 (000387) 作者简介 : 韩大建 (1940 - ) ,女 ,教授 ,1963 年毕业于北京大学固体力学专业 ,1982 年毕业于美国普渡 ( Purdue) 大学土木工程专业 , 获硕士学 位 ( MS) ,1984 年毕业于美国普渡 ( Purdue) 大学土木工程专业 ,获博士学位 ( PhD) 。