新型切槽法測量預(yù)應(yīng)力混凝土梁現(xiàn)存應(yīng)力實(shí)驗(yàn)

陽 洋 鄧年春, 吳東明

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西 柳州 545006；2.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司， 廣西 柳州 545005)

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新型切槽法測量預(yù)應(yīng)力混凝土梁現(xiàn)存應(yīng)力實(shí)驗(yàn)

陽 洋1鄧年春1,2吳東明2

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西 柳州 545006；2.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司， 廣西 柳州 545005)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛地運(yùn)用于現(xiàn)代工程建設(shè)中，結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存應(yīng)力值對(duì)評(píng)估結(jié)構(gòu)的工作性能發(fā)揮著重要作用，如何準(zhǔn)確快速地測量出預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)存應(yīng)力一直是工程界較為棘手的問題。在傳統(tǒng)的應(yīng)力釋放法測量混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出新型切槽法。該方法能通過扁型千斤頂技術(shù)消除混凝土彈性性能的不確定性，使測量過程更簡便，測量結(jié)果更精確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明新型切槽法測量誤差在工程允許范圍之內(nèi)。

應(yīng)力釋放； 現(xiàn)存應(yīng)力； 預(yù)應(yīng)力混凝土； 扁型千斤頂； 切槽法

在近代工程建設(shè)中，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重大作用。尤其在公路橋梁的建設(shè)上，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁適用范圍最廣，是一種極其重要的結(jié)構(gòu)形式。在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的使用過程中由于自然災(zāi)害及人為因素的影響使得預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生抗力衰減和損傷積累，耐久性問題逐年上升，工程隱患日益突出。現(xiàn)存應(yīng)力值及實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)的確定是評(píng)估預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工作性能和破壞程度的關(guān)鍵，可為后續(xù)修復(fù)加固提供最為直接可靠的技術(shù)依據(jù)。而對(duì)于廣泛使用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁而言，由于有著橫、縱、豎3個(gè)方向預(yù)應(yīng)力筋的布置，各部位應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力損失估算十分困難。同時(shí)，由于在建設(shè)和使用過程中存在諸多難以確定的因素，如施工誤差、溫度變化、支座不均勻沉降、徐變引起的應(yīng)力重分布等因素使得混凝土應(yīng)力隨時(shí)間變化[1]，理論分析所得數(shù)據(jù)與實(shí)際結(jié)構(gòu)具有很大差距，真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)只能在實(shí)際結(jié)構(gòu)上測得。

切槽法測量預(yù)應(yīng)力混凝土梁現(xiàn)存應(yīng)力的本質(zhì)是應(yīng)力釋放法測量結(jié)構(gòu)應(yīng)力的運(yùn)用，也是近年來測量混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)存應(yīng)力的較為有效的方法之一[2]。該方法是借助在結(jié)構(gòu)上開槽孔來釋放應(yīng)力，通過儀器測量釋放區(qū)域的應(yīng)變變化，再依據(jù)材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及切割區(qū)域的幾何條件計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在一般的均勻材料里，彈性模量可看作常數(shù)，只要測量出應(yīng)變，運(yùn)用胡克定律即可計(jì)算出應(yīng)力，但混凝土材料的彈性模量離散性較大，隨著配合比、環(huán)境條件等因素的不同而發(fā)生變化[3]。傳統(tǒng)的切槽法測得的應(yīng)力值誤差較大，且操作復(fù)雜。本次研究采用新型切槽法將扁型千斤頂技術(shù)與切槽法相結(jié)合，消除了混凝土彈性模量的不確定性，使得應(yīng)力測量的結(jié)果更接近實(shí)際。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

新型切槽法測量預(yù)應(yīng)力混凝土梁現(xiàn)存應(yīng)力首先在被測構(gòu)件上用機(jī)械切割出細(xì)長槽進(jìn)行應(yīng)力釋放，分別對(duì)切割前后構(gòu)件測點(diǎn)間的應(yīng)變進(jìn)行測量，記錄釋放的應(yīng)變量，然后將扁型千斤頂放入切出的細(xì)長孔槽中，并對(duì)槽內(nèi)壁施加垂直的壓力以恢復(fù)開孔槽位置混凝土的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系推算出現(xiàn)存應(yīng)力。在以往的切槽法測量現(xiàn)存應(yīng)力中，采用儀器對(duì)切割后的構(gòu)件的應(yīng)變進(jìn)行測量，根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)或取值確定混凝土的彈性模量，這樣計(jì)算出的應(yīng)力與實(shí)際偏差較大。將扁型千斤頂技術(shù)與切槽法相結(jié)合能求取結(jié)構(gòu)現(xiàn)存應(yīng)力所需參數(shù)，能直接測量出結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的實(shí)際應(yīng)力值。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

測量前需明確所測預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的受力筋(包括普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋束)分布，測量時(shí)應(yīng)避免切斷受力筋。在需測量應(yīng)力的方向選取標(biāo)距為d0的A、B兩點(diǎn)作為測點(diǎn)。用儀器在選定的2個(gè)測點(diǎn)間的中心處切出合適尺寸的細(xì)槽，并在細(xì)槽兩端用儀器對(duì)稱鉆取2個(gè)圓柱狀混凝土塊來抑制扁平細(xì)槽4個(gè)角發(fā)生應(yīng)力集中，使測點(diǎn)間的應(yīng)變不易受到扁平細(xì)槽的影響，同時(shí)加大應(yīng)變的釋放量，便于測量。切割形成的啞鈴狀槽孔引起試件局部應(yīng)力釋放，使用儀器對(duì)切割后測點(diǎn)間距離進(jìn)行測量，切割后A、B兩點(diǎn)間的距離記為d1。

槽孔切割完成后，將扁型千斤頂插入細(xì)槽中并施加壓力，恢復(fù)開槽孔位置的應(yīng)變。扁型千斤頂施加的壓力與測點(diǎn)間距離的關(guān)系如圖1所示。開槽孔后測點(diǎn)間應(yīng)變恢復(fù)至未開槽孔前的應(yīng)變值所需的扁型千斤頂?shù)牧χ蹬c測點(diǎn)間距離的變化之間存在線性關(guān)系。由此，可由式(1)計(jì)算出試件的現(xiàn)存應(yīng)力σ:

(1)

式中：σ— 現(xiàn)存應(yīng)力，Nmm2；

F— 扁型千斤頂施加的力，N；

B— 通過扁型千斤頂標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力變換特征系數(shù)，mm2；

A— 扁平細(xì)槽的受力面積，在實(shí)際操作時(shí)可近似認(rèn)為為扁型千斤頂?shù)氖軌好娣e，mm2；

k— 扁型千斤頂壓力與測點(diǎn)間距離線性關(guān)系的斜率，mm3N，；

Δd— 測點(diǎn)間距離的變化量，mm；

ΔP— 扁型千斤頂壓力變化量，Nmm2；

d0— 切割槽孔前測點(diǎn)間距離，mm；

d1— 切割槽孔后測點(diǎn)間距離，mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

切割啞鈴狀槽前后測點(diǎn)間的距離改變量十分微小，直接測量測點(diǎn)間距離變化難度大，成本高。本實(shí)驗(yàn)采用測量測點(diǎn)間切槽孔前后應(yīng)變變化的方法，在測點(diǎn)A、B點(diǎn)架設(shè)以兩點(diǎn)間距離d0為標(biāo)距的振弦應(yīng)變計(jì)測量架進(jìn)行應(yīng)變測量，具體圖示如圖2所示。根據(jù)圖(1)的實(shí)驗(yàn)原理可由距離與應(yīng)變間的關(guān)系及應(yīng)力應(yīng)變定律推出與應(yīng)變有關(guān)系的計(jì)算式(2)：

(2)

式中：Δε— 扁型千斤頂作用時(shí)測點(diǎn)間應(yīng)變變化量；

ε— 切割槽孔前后應(yīng)變變化。

圖2 測點(diǎn)及測量架示意圖

2 實(shí)驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用矩形截面試件，試件尺寸為70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm，試件尺寸與構(gòu)造詳圖如圖3所示。試件的混凝土采用齡期為28 d，特征抗壓強(qiáng)度為40 MPa的混凝土。

圖3 試件尺寸圖(單位：mm)

扁型千斤頂為厚度很小的液壓式千斤頂，主要材料采用Q235鋼。本實(shí)驗(yàn)采用的扁型千斤頂尺寸為70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm，示意圖如圖4所示。

圖4 扁型千斤頂示意圖(單位：mm)

在扁型千斤頂加壓過程中，其自身強(qiáng)度會(huì)抵抗一部分膨脹，扁型千斤頂加壓時(shí)受到的壓力要大于其施加給試件的作用力，因此需要對(duì)扁型千斤頂進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來確定兩者之間的關(guān)系系數(shù)。將扁型千斤頂放置于模擬現(xiàn)場的標(biāo)定專用支架內(nèi)，其上安裝30 t標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器，整套標(biāo)定裝置放置在試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行手動(dòng)油泵6級(jí)加壓，記錄壓力機(jī)力值與扁型千斤頂電流值。

2.3 試驗(yàn)加載及量測

將預(yù)應(yīng)力混凝土試件安裝在反力架中，依次安裝好傳感器、千斤頂及負(fù)荷測量儀，并加上鋼墊環(huán)保持力的傳遞。安裝過程中保證試件受壓面平整，受力均勻。在試件上表面沿軸線方向標(biāo)距為100.0 mm 的2點(diǎn)處安裝2個(gè)膨脹螺栓，并將裝有振弦應(yīng)變計(jì)的測量架安裝在膨脹螺栓上，隨后連通振弦讀數(shù)儀進(jìn)行讀數(shù)。安裝完畢后千斤頂開始加壓，為模擬橋的持久應(yīng)力不變的情況，試驗(yàn)中的加載一直保持預(yù)壓力在331.2 kN，記錄此時(shí)的應(yīng)變即為受力狀態(tài)下構(gòu)件的初始應(yīng)變。

用鏈鋸、取芯機(jī)分別在2個(gè)膨脹螺栓的中心位置對(duì)稱開出一個(gè)規(guī)格為70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm 的矩形細(xì)槽，并在細(xì)槽兩端取出2個(gè)直徑為27.0 mm，深度為80.0 mm的圓柱形芯進(jìn)行應(yīng)力釋放，細(xì)槽的尺寸與扁型千斤頂尺寸相符。取芯切槽后試件的示意圖見圖5。將扁型千斤頂放入試件上表面細(xì)槽內(nèi)，用手動(dòng)液壓泵對(duì)其分級(jí)加壓，當(dāng)應(yīng)變與初始應(yīng)變一致時(shí)停止加壓。扁型千斤頂按此步驟解壓加壓6次以提高實(shí)驗(yàn)精度。

實(shí)驗(yàn)中需要測量記錄的主要數(shù)據(jù)有：開槽孔前振弦應(yīng)變計(jì)讀數(shù)、開槽孔后應(yīng)變計(jì)讀數(shù)、分級(jí)加壓時(shí)扁型千斤頂油壓值以及對(duì)應(yīng)的振弦應(yīng)變計(jì)讀數(shù)。

圖5 取芯切槽后試件平面圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 扁型千斤頂標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)扁型千斤頂標(biāo)定數(shù)據(jù)作圖并進(jìn)行擬合(圖6)，得到壓力計(jì)力值與扁型千斤頂電流值的計(jì)算關(guān)系式：

y=4.889x-7.109

(3)

圖6 扁型千斤標(biāo)定擬合曲線

在預(yù)壓力達(dá)到并維持在331.2 kN時(shí)，試件測點(diǎn)間的應(yīng)變?yōu)?103.437 με(1με=10-6，表示微應(yīng)變)，切割出啞鈴狀槽孔后，測點(diǎn)間應(yīng)變變位-307.681 με。切割前后應(yīng)變的變化量ε為：

ε=-103.437-(-307.681)

=204.244 με

將扁型千斤頂放入試件表面細(xì)槽內(nèi)循環(huán)加載6次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪圖并進(jìn)行擬合(圖7)，得到扁型千斤頂油壓與測點(diǎn)應(yīng)變間的關(guān)系式：

y=0.026x+11.519

(4)

圖7 扁型千斤頂油壓與應(yīng)變擬合圖

由式(2)可計(jì)算出本次試驗(yàn)試件所測得的應(yīng)力為：

=3.708 MPa

本次試驗(yàn)中試件的截面積較小，因此縱向鋼筋的受力不能忽略。縱向鋼筋的分擔(dān)受力為：

F=2.1×105×103.437×10-6×π×42×4

=4.365 kN

試件截面上的理論應(yīng)力為：

綜合分析誤差主要是由于切割啞鈴狀槽時(shí)擾動(dòng)及加水冷卻鏈鋸，水對(duì)應(yīng)變的影響所導(dǎo)致的。

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了將扁型千斤頂技術(shù)與切槽法相結(jié)合形成的新型切槽法測量預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)存應(yīng)力的可能性。該測量過程操作較為簡便，測量得到的應(yīng)力值與理論值相比，誤差在實(shí)際工程允許的范圍內(nèi)，為實(shí)際工程的現(xiàn)存應(yīng)力測量提供了一種現(xiàn)實(shí)可靠的測量方法。后續(xù)需要對(duì)影響新型測量方法的各影響因素進(jìn)行研究以提高實(shí)驗(yàn)精度。

[1] 沈旭凱.開槽法測試混凝土工作應(yīng)力實(shí)驗(yàn)與研究[D].杭州：浙江大學(xué),2007：20-23.

[2] 楊勇,王燦,朱新實(shí).既有橋梁結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)存應(yīng)力測量與分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,27(2):198-202.

[3] 過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,1999：30-35.

Experimental Study on Existing Stress Measurement of the Pre-stress Concrete Beam by New Grooving Method

YANGYang1DENGNianchun1,2WUDongming2

(1. College of Civil and Architecture Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou Guangxi 545006, China; 2. Liuzhou OVM Machinery Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545005, China)

Prestressed concrete structures are widely used in modern construction, and the existing stress is important in the work performance evaluation of structure. So how to quickly and accurately measure the existing stress of the prestressed concrete structure is always a difficult problem. The new grooving method based on the traditional stress release method of concrete structure stress measurement can use the flat jack technology to eliminate the uncertainty of the elastic properties of the concrete, and make the measurement more convenient and accurate. The new grooving method is verified by experiments, and the experimental results show that the error can meet the project requirements.

stress release; existing stress; pre-stress concrete beam; the flat jack; cutting method

2015-03-12

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目“在役預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁持久應(yīng)力監(jiān)測與安全預(yù)警技術(shù)的研發(fā)”(20113182231010)

陽洋(1990 — )，女，湖南岳陽人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榛炷亮簯?yīng)力測量。

TU528

A

1673-1980(2015)05-0104-04