在役預應力結構有效預應力檢測方法研究

唐偉 張航

摘? 要：相對于普通鋼筋混凝土結構，預應力混凝土結構具有抗裂度高、自重小、跨越能力強等諸多優(yōu)點，因此被廣泛應用于橋梁工程和建筑工程中，但在預應力結構服役過程中，由于預應力筋的松弛、混凝土的收縮與徐變和錨具變形等因素將產生預應力的損失，從而降低預應力筋的有效預應力，最終影響預應力混凝土結構的安全性能。有效預應力的檢測一直以來受到工程界的高度重視，專家學者們對此開展了許多理論研究，也開發(fā)出許多檢測設備，文章針對結構內有效預應力的檢測方法展開綜述性研究，總結目前常用的有效預應力檢測方法及它們的原理、優(yōu)缺點和研究現(xiàn)狀，旨在更清晰地認識在役結構有效預應力的檢測，也為相關領域的研究人員提供參考依據。

關鍵詞：預應力混凝土結構;有效預應力;應力檢測

中圖分類號：U445.57? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0135-02

Abstract： Compared with ordinary reinforced concrete structures， prestressed concrete structures have many advantages such as high crack resistance， low self-weight， and strong spanning ability. Therefore， they are widely used in bridge engineering and construction engineering， but during the service process of prestressed structures， factors such as the relaxation of prestressed tendons， the shrinkage and creep of concrete， and the deformation of anchorage will cause the loss of prestress， thereby reducing the effective prestress of prestressed tendons， and ultimately affecting the safety performance of prestressed concrete structures. The detection of effective prestress has always been highly valued by the engineering community. Experts and scholars have carried out many theoretical studies on this and developed many detection equipment. This article conducts a review of the methods for detecting effective prestress in structures， and summarizes the commonly used methods. The effective prestress detection methods and their principles， advantages and disadvantages， and research status are aimed at a clearer understanding of the effective prestress detection of existing structures， and also provide a reference for researchers in related fields.

Keywords： prestressed concrete structure; effective prestressing; stress detection

引言

預應力混凝土結構，就是為了彌補混凝土材料抗拉強度較小而過早出現(xiàn)裂縫的弱點，在投入使用前事先人為施加一個預壓力的混凝土結構。該預壓力一般由張拉后的預應力筋提供，利用鋼筋的回縮力使混凝土結構先受壓力，當結構受到外部荷載時，荷載在結構受拉區(qū)產生的拉應力首先要抵消掉混凝土中的壓應力才能進一步使混凝土受拉，因此降低了截面應力的峰值，這就使截面較晚出現(xiàn)裂縫或不出現(xiàn)裂縫，從而保護結構內的鋼筋和預應力筋，改善了結構的耐久性能。相對于普通鋼筋混凝土結構，預應力混凝土結構由于預應力產生的反拱度使結構的下?lián)现禍p小，且降低了構件的截面尺寸，減小了結構自重，提升了結構的跨越能力。與純鋼結構相比，預應力混凝土結構不僅能節(jié)約大量鋼材，降低了工程造價，而且有著更好的耐火性能，不至于在高溫環(huán)境下強度完全喪失。有效預應力是在役預應力混凝土結構中預應力筋實際保有的預應力值，也是預應力筋張拉控制力扣除第一批應力損失和第二批應力損失后剩余的應力值，一般第一批預應力損失在張拉完成時就可以通過材料參數、錨具類別等大致算出，但是第二批預應力損失是在結構服役過程中由預應力筋的松弛、混凝土的收縮徐變等因素產生的，它隨結構服役的時間增加而增加，無法通過理論進行精確計算。有效預應力過小輕則引起結構下?lián)蠂乐?，影響結構的正常使用，重則導致橋梁的垮塌，危害人們的生命財產安全，因此，在役結構的有效預應力檢測是結構安全使用的關鍵因素。

1 有效預應力無損檢測研究現(xiàn)狀

無損檢測是指在不損害或不影響被檢測對象使用性能、不傷害被檢測對象內部組織的前提下，利用材料內部結構異?；蛉毕荽嬖谝鸬臒?、聲、光、電、磁等反應的變化，以物理或化學方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術和設備器材，對試件內部及表面的結構、性質、狀態(tài)及缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進行檢查和測試的方法[1]。對于結構內預應力筋的檢測，無損檢測技術可分為電磁效應法、聲發(fā)射技術、超聲波檢測技術、形狀記憶合金技術、拉脫法、振動法和智能鋼絞線檢測法等。

1.1 電磁效應法

電磁效應檢測法是以電場變化為原則來探究物體的工作狀態(tài)，美國學者Ghorbanpoor AI[2]于1998年首次將電磁效應法用于在役預應力結構的預應力筋檢測，其基本原理是利用預應力筋的應力損失導致其磁通量的變化，進而使其周圍感應電場的改變，通過檢測此感應電場可得到預應力筋的應力變化，該方法可以通過遠程控制電腦連接現(xiàn)場的感應電場檢測設備，實時監(jiān)測在役結構中預應力筋的應力狀態(tài)。張立永[3]基于磁彈效應原理，利用磁彈傳感器針對云南省昭通市新建牛欄江特大橋進行現(xiàn)場預應力張拉階段試驗鋼束有效預應力測試，驗證了此方法的有效性和可行性。

1.2 聲發(fā)射技術

聲發(fā)射檢測技術是通過現(xiàn)代儀器接收和分析由結構局部損傷或變形等原因引起應變能釋放產生的應力波的無損檢測技術，1997年，Ahlborn[4]首次將聲發(fā)射技術用于預應力筋的檢測，該研究通過長期記錄2片預應力混凝土梁在荷載作用下預應力筋的應力損失和應力波的頻率，得到了預應力筋的應力損失值和應力波頻率值隨時間變化的曲線，說明了聲發(fā)射技術檢測預應力筋應力方法的可行性，為結構內預應力筋的檢測開辟了一條新途徑。但聲發(fā)射波的抗噪性能差、傳播距離有限，因此不適用于尺寸較大構件的檢測。

1.3 超聲波檢測技術

由于超聲波容易激發(fā)、穿透力強、操作簡單等優(yōu)點，超聲波檢測因此適用于多個領域的檢測。利用超聲波檢測混凝土結構內預應力筋的應力狀態(tài)是通過研究預應力筋內應力的大小與超聲波波長的關系，再通過分析檢測得到的超聲波波長來探究預應力筋應力的大小。同聲發(fā)射技術一樣，超聲波信號容易受環(huán)境的影響，因此也較少使用。

1.4 形狀記憶合金技術

該技術利用部分金屬具有的形狀記憶效應來反映物體的受力情況，1998年Maji等人采用形狀記憶合金技術反映力筋的受力性能，并利用鎳一鈦合金的智能特性對預應力進行補償[5]，但該方法不適用于在役結構中沒有使用形狀記憶合金的預應力筋。

1.5 拉脫法

拉脫法是對預應力結構外露部分的預應力筋進行反拉，通過分析張拉過程中預應力筋的荷載-應變曲線來反映預應力筋的應力大小，由于對預應力筋張拉工藝簡單以及原理清晰明了，無需繁瑣的理論推導計算，因此拉脫法是目前工程中比較常用的方法。但此方法只適用于無粘結預應力混凝土結構，對于灌漿后的有粘結預應力結構來說，端部張拉很難使結構內部預應力筋產生應變，因此拉脫法不再適用。

1.6 振動法

振動法的基本原理是激勵結構內的預應力筋使其產生振動信號，通過分析振動信號的振動頻率來探究預應力筋的應力狀態(tài)。該方法由于錨具的不同會使預應力筋產生的振動信號產生差異，因此應用范圍不是很廣。

1.7 智能鋼絞線法

該方法是在預應力鋼絞線加工制作過程中嵌入光纖/光纖光柵傳感器，利用光纖/光纖光柵傳感器應變的敏感性來檢測鋼絞線的應力狀態(tài)[6]，雖然此方法對預應力筋的應力檢測比較精確，但不適用于沒有使用智能鋼絞線的在役結構。

2 有效預應力有損檢測研究現(xiàn)狀

有損檢測在檢測時會對構件產生輕微損傷，通過分析損傷后構件的受力狀態(tài)反推損傷前構件原本的受力狀態(tài)，從而評估構件的工作性能。預應力筋的有損檢測技術有應力釋放法、開裂力矩法、橫張增量法等。

2.1 應力釋放法

是指對預應力筋事先進行人為的局部損傷，通過分析由設備檢測到的損傷部位附近應力或應變數據，從而獲知預應力筋的工作應力狀態(tài)，應力釋放法可根據在預應力筋上的損傷形式又可細分為剝層法、套孔法、鉆孔法、盲孔法、開槽法和SSRHT檢測法。此類方法在力學理論推導上較為復雜，因此較多出現(xiàn)在學術研究中，而在實際工程應用中較少。

2.2 開裂力矩法

該方法的原理是結構內預應力筋的應力大小與結構的開裂彎矩有關，通過測量結構的開裂荷載則可評估預應力筋應力的大小，2012年GP Osborn[7]基于此原理開展了有效預應力測試實驗，并將測到的應力與美國公路橋梁設計規(guī)范（AASHTO LRFD）中計算出的應力對比，結果誤差在10%以內，說明該方法的可行性。但該方法對結構的損傷較大，因此也無法廣泛地應用于實際工程中，后續(xù)的相關研究也較少。

2.3 橫張增量法

該方法是基于靜力學原理，推導預應力筋橫向力內部張力的關系，通過測量橫向力大小來考察預應力筋的有效應力[8]。李世安[9]等利用此方法對華東地區(qū)某橋梁進行了有效預應力檢測，得到良好的結果。但該方法比較適合于檢測預應力結構中的體外預應力筋應力大小，而對結構內部有粘結和無粘結預應力筋則無法測量。

3 有效預應力檢測方法總結

總的來說，有損檢測方法由于會對結構帶來損害等原因而逐漸被無損檢測方法代替，同時，由于現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展，對結構的實時在線監(jiān)測為了解結構的運營情況帶來方便?；诖艔椃z測結構的有效預應力具有抗干擾能力強、檢測精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，或可成為有效預應力檢測的主要方法。

參考文獻：

[1]雷毅，丁剛，鮑華，等.無損檢測技術問答[M].北京：中國石化出版社，2013：1.

[2]Ghorbanpoor AI. Magnetic-based NDE of steel in prestressed and post-tensioned concrete bridges[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， 1998.

[3]張立永.基于磁彈法的連續(xù)剛構橋預應力無損檢測技術研究[D].重慶交通大學，2015.

[4]Ahlborn T M， Shield C K， French C W. Full-scale testing of prestressed concrete bridge girders[J]. Experimental Techniques， 1997，21（1）：33-35.

[5]曾有藝.預應力摩阻損失及其對預應力混凝土連續(xù)剛構橋受力性能影響的研究[D].長沙理工大學，2009.

[6]董海.大跨度預應力混凝土結構應力狀態(tài)監(jiān)測與安全評估[D].大連理工大學，2013.

[7]G P，Osborn， S， M. ASCE， Pual J. Barr， Residuall Prestress Forces and Shear Capacith of Salvaged Prestressed Concre[J].American Society of Civil Engineering，2012.

[8]郭琦，賀拴海.基于橫張增量法的混凝土橋梁有效預應力檢評技術研究[C]//中國公路學會橋梁和結構工程分會全國橋梁學術會議.2010.

[9]李世安，賀拴海，宋一凡.在役PC梁橋現(xiàn)存應力測試與研究[J].武漢理工大學學報，2012，34（02）：96-100.