體內(nèi)預(yù)應(yīng)力檢測方法初探

周 瀟

(武漢市城市路橋收費管理中心，湖北武漢430050)

體內(nèi)預(yù)應(yīng)力檢測方法初探

周 瀟

(武漢市城市路橋收費管理中心，湖北武漢430050)

預(yù)應(yīng)力鋼束是大型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其應(yīng)力狀態(tài)決定著結(jié)構(gòu)的整體性能，但如何對體內(nèi)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行檢測確是當(dāng)前工程界面對的難題。文章在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上介紹了三種具有可操作性的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力檢測方法，并通過案例對三種檢測方法進(jìn)行對比分析，提出相對可靠的檢測方法，可為其它類似體內(nèi)預(yù)應(yīng)力檢測提供參考。

混凝土結(jié)構(gòu)； 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力； 檢測； 動力測試； 消壓荷載； 應(yīng)力釋放

預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)中一種重要的結(jié)構(gòu)形式，預(yù)應(yīng)力鋼束又是大型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其應(yīng)力狀態(tài)決定著結(jié)構(gòu)的整體性能。然而，預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力分布及其變化會直接影響橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的變化，若不能及時準(zhǔn)確地了解和掌握其應(yīng)力狀態(tài)和變化規(guī)律，就難以正確評估結(jié)構(gòu)的整體性能。因此，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的實際測試，對于精確掌握預(yù)應(yīng)力水平、確保橋梁施工質(zhì)量、保證結(jié)構(gòu)整體安全性和可靠性具有重要意義。

1 當(dāng)前主要體內(nèi)預(yù)應(yīng)力檢測方法

1.1 動力測試法

動力測試法的思路是：首先對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行動測試驗，得到預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的動力性能指標(biāo)，然后推導(dǎo)得出結(jié)構(gòu)物的預(yù)應(yīng)力損失量。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體特性能夠在其自振頻率中反映出來，一旦施加后，預(yù)應(yīng)力就作為結(jié)構(gòu)內(nèi)力而存在，因此其力值的大小也是一種結(jié)構(gòu)的整體特性，則能推知結(jié)構(gòu)的自振頻率與其預(yù)應(yīng)力之間應(yīng)該存在一定的相互關(guān)系，進(jìn)而從結(jié)構(gòu)損傷識別的方法理論，可知預(yù)應(yīng)力的損失會使結(jié)構(gòu)動力性能產(chǎn)生變化。

1.2 消壓荷載試驗法

采用在裂縫兩側(cè)貼應(yīng)變片和布置導(dǎo)桿引伸儀來確定現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力荷載-應(yīng)變、荷載-裂縫寬度關(guān)系曲線均呈雙線性，將兩條直線延長相交，交點所對應(yīng)的荷載即消壓荷載。

1.3 應(yīng)力釋放法

所謂的應(yīng)力釋放法，就是通過測量構(gòu)件分割前后的位移及應(yīng)變參數(shù)，換算成應(yīng)力值，進(jìn)而推導(dǎo)構(gòu)件整體工作性能的一種方法。采用適當(dāng)?shù)臋C具，適量地切割處于初始約束應(yīng)力作用下的構(gòu)件，人為地將構(gòu)件中的局部約束應(yīng)力釋放出來，根據(jù)事先布置于局部測點處測試元件應(yīng)變的變化量，根據(jù)相應(yīng)的材料學(xué)知識就可以推知所測構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。經(jīng)過國內(nèi)外工程人員幾十年的研究工作，工程界在動力測試方面取得了一定的成就，但這種檢測方法依然存在很多不足之處：首先，在當(dāng)前的測試條件下得到現(xiàn)場測試頻率中，一階頻率的準(zhǔn)確性較高，但結(jié)果的二階或三階頻率測試的誤差過大；其次，作為一種各向異性材料，混凝土并非是勻質(zhì)的，這就說明按照材料力學(xué)觀點認(rèn)為開裂前材料剛度不發(fā)生變化的做法是不準(zhǔn)確的；再次，目前動測法的對象限于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，而不包括部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

2 案例分析

2.1 基本情況

所用試驗梁為預(yù)應(yīng)力簡支T梁，試驗梁全長24 m，凈跨23.8 m，梁中心距1.8 m，梁高2.1 m，跨中腹板厚0.14 m，搖軸支座，圓端形混凝土墩，橋高10 m左右。沿跨長變截面設(shè)計，兩片梁中間設(shè)置有橫隔板。橋梁所用混凝土的標(biāo)號為C40，彈性模量為3.25×105MPa，預(yù)應(yīng)力筋采用直徑為5 mm的碳素鋼絲，每股7根，每根鋼束中有6股，鋼絲束截面有6束基本鋼絲束組成，每隔一定距離放置鋼制襯管，保證基本束間有一定空隙以利水泥漿流入。所采用的預(yù)應(yīng)力筋直徑為5 mm，鋼絲的極限強度σp為1 666 MPa。

2.2 動力測試法

根據(jù)簡支梁的受力特點，通過動力試驗擬測取跨中截面的動撓度，橫向、豎向振幅，橋梁的橫向、豎向振動加速度，第一階自振頻率等動力特性。

本次試驗測得的梁的豎向自振頻率為3.25 Hz，所對應(yīng)的有效預(yù)應(yīng)力為49.82×105N。

2.3 消壓荷載試驗法

通過靜載試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩次循環(huán)加載找出跨中附近部位兩側(cè)處具有代表性的主要裂縫，再通過三個循環(huán)的加載測得每條裂縫處的荷載應(yīng)變曲線圖，通過曲線圖的雙線性性質(zhì)，找到消壓荷載(圖1)，利用簡化彈性計算方法得到裂縫處截面的有效預(yù)應(yīng)力值，根據(jù)兩條裂縫截面處有效預(yù)應(yīng)力值比例內(nèi)插，得跨中截面處有效預(yù)應(yīng)力值為59.70×105N。

2.4 應(yīng)力釋放法

試驗工作原理是依據(jù)局部應(yīng)力解除法的力學(xué)原理，步驟為在所選擇檢測截面周圍開槽，槽深要滿足要求，所開槽附近部位的約束隨著槽深的增加會逐漸削弱，約束消失接著就會產(chǎn)生彈性進(jìn)而慢慢恢復(fù)變形，變形恢復(fù)后就會發(fā)生應(yīng)力重分布，當(dāng)開槽的深度到某一數(shù)值時，此時槽周圍測點的狀態(tài)是工作應(yīng)力為零，應(yīng)力被完全釋放出來了，通過對測點應(yīng)力釋放前后應(yīng)變的測定，利用力學(xué)公式得到所求應(yīng)力，進(jìn)而進(jìn)行計算求出構(gòu)件的有效預(yù)應(yīng)力值(圖2)。由試驗所得跨中截面處的有效預(yù)應(yīng)力值為Pe=51.73×105N。

圖1 消壓加載示意

圖2 應(yīng)力釋放開槽示意

3 結(jié)論

通過收集閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，主要總結(jié)了三種主要的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力檢測方法。但是，此三種方法均屬于有損試驗方法，且在使用過程中存在一定的局限。

(1)工程界對混凝土工作應(yīng)力的測試工作一般采用預(yù)應(yīng)力釋放法中的環(huán)孔法來測定，該法與實際結(jié)果較為接近，但最主要的難點在于確定孔深。人們普遍認(rèn)為當(dāng)孔深達(dá)到 0.7 倍孔徑時測區(qū)的應(yīng)力就能得以完全釋放，但現(xiàn)實中用于測試的電阻應(yīng)變片的標(biāo)記都比較大，這就要求孔深較大，從而對構(gòu)件造成的破壞也較大；另外，在混凝土切割過程中彈性模量、骨料大小、切割距離、切割速度等因素都會影響到應(yīng)力的釋放，對測試結(jié)果造成干擾；

(2)橫張位移增量法為實現(xiàn)鋼束有效預(yù)應(yīng)力檢測的可操作性，只能選擇表面鋼束進(jìn)行測試，否則沒有操作空間；為架設(shè)張力測試儀，需對梁體進(jìn)行較大面積的開槽處理，對梁體造成損傷；張力測試儀主要使用鋼材制造，十分笨重，移動以及拆卸非常不方便；

(3)消壓荷載試驗法要實現(xiàn)梁體消壓需要進(jìn)行大量程循環(huán)加載，對于在役橋梁而言現(xiàn)場實施困難，且試驗過程中會對橋梁造成較大損傷，在實際應(yīng)用中并不合適。

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[定稿日期]2017-06-21

周瀟(1982～)，男，碩士研究生，工程師，從事橋梁檢測養(yǎng)護(hù)管理工作。