PC構(gòu)件承載力快速評(píng)定方法試驗(yàn)研究?

王華，劉雪鋒，彭建新，張建仁

（1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550000；2.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州貴陽(yáng) 550000；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

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PC構(gòu)件承載力快速評(píng)定方法試驗(yàn)研究?

王華1，劉雪鋒2，彭建新3，張建仁3

（1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550000；2.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州貴陽(yáng) 550000；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

摘要：基于動(dòng)彈性模量理論快速評(píng)定試驗(yàn)梁PC構(gòu)件承載力，并與荷載試驗(yàn)承載力評(píng)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，試驗(yàn)梁加載過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)彈性模量測(cè)試，各階段的彈性模量均未出現(xiàn)明顯下降，說(shuō)明砼結(jié)構(gòu)仍處于彈性范疇，具有較大的承載力冗余，承載力滿足要求；與現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)對(duì)比，基于動(dòng)彈性模量理論能準(zhǔn)確、快速地評(píng)定試驗(yàn)梁PC構(gòu)件的承載力。

關(guān)鍵詞：橋梁；PC構(gòu)件；動(dòng)彈性模量；承載力荷載試驗(yàn)

砼材料是典型的應(yīng)變率敏感性材料，不同應(yīng)變率下其強(qiáng)度、延性和破壞模式明顯改變。結(jié)構(gòu)材料的彈性模量是結(jié)構(gòu)受力特性的一個(gè)重要參數(shù)，反映砼所受應(yīng)力與產(chǎn)生應(yīng)變之間的關(guān)系，并體現(xiàn)砼結(jié)構(gòu)截面的剛度，是與橋梁結(jié)構(gòu)撓度變形相關(guān)的重要指標(biāo)，也是研究裂縫開展和溫度應(yīng)力的必要參數(shù)之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砼靜態(tài)彈性模量作了大量研究，但在砼動(dòng)態(tài)彈性模量研究，尤其是基于動(dòng)態(tài)彈性模量快速評(píng)定結(jié)構(gòu)承載力上的研究甚少。為此，該文基于動(dòng)彈性模量理論快速評(píng)定試驗(yàn)梁PC構(gòu)件承載力，并與荷載試驗(yàn)承載力評(píng)定進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證其合理性。

1　試驗(yàn)方法

1.1材料

試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路Ⅰ級(jí)，采用40 m標(biāo)準(zhǔn)中跨中梁T梁通用圖紙進(jìn)行澆筑，中梁結(jié)構(gòu)斷面見圖1，現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)準(zhǔn)備。

圖1　中梁結(jié)構(gòu)斷面示意圖（單位：cm）

1.2荷載試驗(yàn)檢測(cè)方法

1.2.1檢測(cè)項(xiàng)目

（1）撓度測(cè)試。在試驗(yàn)梁的支座、1/4L截面、跨中截面、3/4L截面設(shè)置撓度測(cè)點(diǎn)（見圖2），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，采用精密光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試。

圖2　撓度測(cè)試截面（單位：cm）

（2）應(yīng)變測(cè)試。試驗(yàn)梁應(yīng)變測(cè)試截面共設(shè)2個(gè)，即跨中最大正彎矩截面J1、3/4L截面正彎矩截面J2（見圖3）。

圖3　應(yīng)變測(cè)試截面（單位：cm）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及單梁的受力特點(diǎn)，在J1、J2截面布置應(yīng)變片，測(cè)試在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力增量，以分析判斷主體結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）控制部位的受力狀態(tài)。測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

1.2.2試驗(yàn)效率

靜力試驗(yàn)荷載按照控制內(nèi)力、應(yīng)力或變位等效原則確定，靜力荷載試驗(yàn)效率宜為0.95～1.05。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜力試驗(yàn)，在最大正彎矩工況下，J1截面理論計(jì)算內(nèi)力為4 091.65 k N·m，試驗(yàn)計(jì)算內(nèi)力為4 407.86 k N·m，靜力試驗(yàn)荷載效率為1.08。

圖4　應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)荷載采用鋼絞線進(jìn)行堆載，布置見圖5。

圖5　鋼絞線堆載布置（單位：cm）

2　承載力快速評(píng)定方法

2.1檢測(cè)原理

砼的彈性模量決定結(jié)構(gòu)的變形特性，并與強(qiáng)度、耐久性有著非常密切的關(guān)系。準(zhǔn)確、快速地測(cè)試結(jié)構(gòu)的彈性模量，對(duì)控制結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)耐久性具有重要意義。

采用動(dòng)彈性模量分析法，分析結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下彈性模量是否發(fā)生突變及非彈性變化，并觀察動(dòng)彈性模量隨加載的變化趨勢(shì)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)荷載的要求。

動(dòng)彈性模量采用沖擊彈性波作為測(cè)試媒介，通過(guò)測(cè)試彈性波的波速，計(jì)算材料的動(dòng)切線彈性模量、推算相應(yīng)的靜切線彈性模量，進(jìn)而根據(jù)靜彈性模量與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系推算砼的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力水平。其核心在于精確測(cè)試砼材料的彈性模量Ec。

砼的彈性模量Ec不僅影響結(jié)構(gòu)的變形，而且是反映砼質(zhì)量、耐久性的重要指標(biāo)。它可反映材料的剛性特性，在結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算中是重要的參數(shù)。特別是對(duì)于高強(qiáng)度砼，簡(jiǎn)單地采用抗壓強(qiáng)度反推彈性模量的方法往往存在較大的誤差。砼材料的老化往往先從彈性模量的降低開始，而新建結(jié)構(gòu)的施工不良也會(huì)在彈性模量方面有所顯現(xiàn)。

對(duì)于一維均質(zhì)彈性體，其彈性模量E與彈性波P波波速vP1的關(guān)系可表示為：

當(dāng)測(cè)試對(duì)象為二維或三維時(shí)，P波速度有一定變化。對(duì)于二維彈性體：

式中：μ為砼的動(dòng)泊松比。

對(duì)于三維彈性體：

而對(duì)于表面波（瑞利波），其關(guān)系可表示為：

一般來(lái)說(shuō)，砼的動(dòng)泊松比μ為0.2～0.25，其不同波速間的比較見表1。

表1　砼彈性模量測(cè)試結(jié)果

這里得到的是材料在小應(yīng)變條件下的動(dòng)切線彈性模量Ed，而非彈性模量Ec。對(duì)于鋼材這樣的均質(zhì)彈性材料，Ed與E非常接近。而對(duì)于砼這樣的非線性材料，Ed與Ec之間存在一定差異。具體體現(xiàn)在：1）應(yīng)力水平的影響。如前所述，砼材料的應(yīng)力水平越高，切線彈性模量越低。2）粘性的影響。在低應(yīng)力水平條件下（如試塊），Ed與Ec的差異主要體現(xiàn)在粘性的影響上。

由于測(cè)試對(duì)象（構(gòu)件或試件）和測(cè)試位置的不同，形成了多種測(cè)試方法，主要有基于反射特性的測(cè)試方法（如沖擊回波法）和基于透過(guò)特性的測(cè)試方法（如單面?zhèn)鞑シê碗p面透過(guò)法）。

2.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

根據(jù)構(gòu)件加載方式及受力形式，選取跨中處腹板均勻設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)每級(jí)加載工況下對(duì)應(yīng)不同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行彈性模量測(cè)試，每個(gè)測(cè)點(diǎn)每級(jí)加載工況下分別測(cè)量3次，取平均值進(jìn)行計(jì)算分析。測(cè)點(diǎn)編號(hào)從腹板頂部到馬蹄處依次為1～3。

3　評(píng)定結(jié)果分析

3.1荷載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

3.1.1撓度檢測(cè)

試驗(yàn)荷載作用下，單梁撓度實(shí)測(cè)結(jié)果見表2，滿載實(shí)測(cè)值與計(jì)算滿載值的比較見圖6，主要測(cè)點(diǎn)撓度值與荷載的關(guān)系見圖7。

表2　撓度檢測(cè)結(jié)果

圖6　滿載實(shí)測(cè)撓度值與計(jì)算值的比較

圖7　F2測(cè)點(diǎn)撓度值與荷載的關(guān)系曲線

從表2、圖6、圖7可看出：試驗(yàn)加載下，右2-4號(hào)梁實(shí)測(cè)單梁最大彈性撓度為14.38 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為0.72～0.76。卸載后整體上撓度恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余撓度均在20%以內(nèi)。說(shuō)明在試驗(yàn)荷載下單梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。

3.1.2應(yīng)變檢測(cè)

試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)試截面的實(shí)測(cè)應(yīng)變及與計(jì)算應(yīng)變的比較見表3～4，主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值與荷載的關(guān)系見圖8。

表3　J1截面應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

表4　J2截面應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

圖8　J1截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值沿梁高度的分布

從表3、表4、圖8可看出：試驗(yàn)加載下，試驗(yàn)梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.51～0.66，卸載后整體上恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變?cè)?0%范圍內(nèi)。說(shuō)明在試驗(yàn)荷載作用下單梁結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度滿足要求。

3.2快速評(píng)定方法結(jié)果分析

各測(cè)點(diǎn)不同加載等級(jí)下的彈性波波速及彈性模量測(cè)試結(jié)果見表5，彈性模量與加載的關(guān)系見圖9，彈性模量變化率與試驗(yàn)荷載的關(guān)系見圖10。

表5　彈性模量測(cè)試結(jié)果

從圖9及10可知：1）加載前，腹板下部砼動(dòng)彈性模量高于腹板上部。其原因可能為腹板下部結(jié)構(gòu)鋼筋布置較多，鋼筋砼換算彈性模量較大。2）對(duì)比1～2級(jí)加載，腹板上部砼彈性模量變化率大于腹板下部。其原因可能為加載前腹板上部砼彈性模量基數(shù)較小，在荷載作用下變化較明顯。3）各測(cè)線的彈性模量均在35～37 GPa，未出現(xiàn)上低下高的趨勢(shì)，表明砼較均勻。4）1級(jí)加載后，各測(cè)線的彈性模量均有所提高，平均提高約2.7%。其原因在于加載后，砼由單向受力變?yōu)殡p向受力，應(yīng)力狀態(tài)有所改善，相應(yīng)地其彈性模量、強(qiáng)度有所提高。5）各測(cè)試階段的彈性模量均未出現(xiàn)明顯下降，說(shuō)明砼結(jié)構(gòu)仍處于彈性范疇，具有較大的承載力冗余，承載力滿足要求。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)梁體的觀察，各部位均未出現(xiàn)裂縫和其他損傷，與推算結(jié)果相符。6）2級(jí)加載后，平均彈性模量幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明在滿載荷載下，梁體呈現(xiàn)良好的線彈性狀態(tài)，承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。

圖9　彈性模量與加載的關(guān)系

圖10　彈性模量變化率與試驗(yàn)荷載的關(guān)系

4　結(jié)論

該文基于動(dòng)彈性模量理論快速評(píng)定試驗(yàn)梁PC構(gòu)件承載力，并與荷載試驗(yàn)承載力評(píng)定進(jìn)行對(duì)比研究，得出結(jié)論如下：

（1）試驗(yàn)梁加載過(guò)程中，各階段的彈性模量均未出現(xiàn)明顯下降，說(shuō)明砼結(jié)構(gòu)仍處于彈性范疇，具有較大的承載力冗余，承載力滿足要求。

（2）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行承載力荷載試驗(yàn)，主要控制測(cè)點(diǎn)滿載時(shí)各工況下的撓度校驗(yàn)系數(shù)和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均滿足要求，結(jié)構(gòu)呈良好的線彈性狀態(tài)，表明單梁承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。

（3）與現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)對(duì)比，基于動(dòng)彈性模量理論能準(zhǔn)確、快速評(píng)定試驗(yàn)梁PC構(gòu)件的承載力。

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式中：ρ為材料的密度，對(duì)于砼，ρ一般約為2 400 kg/m3。

中圖分類號(hào)：U448.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0187-04

基金項(xiàng)目：?國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51008037，51178060）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（12JJ6050）；貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2016-121-038）

收稿日期：2016-02-20