混凝土應力釋放法研究綜述

馮朝勇，劉大洋，禹 鵬

（1.重慶北碚區(qū)交通局，重慶 400700；2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

0 前言

目前，國內(nèi)的橋梁事業(yè)正從一個建設高潮逐步過渡到檢測和加固維修高潮。由于修建年代久遠，施工質(zhì)量問題，以及目前公路運輸中超載現(xiàn)象嚴重等原因造成大量的現(xiàn)役橋梁需要進行檢測和加固維修。據(jù)報告統(tǒng)計，我國橋梁總數(shù)的40%已經(jīng)處于老齡期，而且隨著時間的推移，其數(shù)量將不斷增長[1]。因此，掌握這些橋梁的真實受力狀態(tài)，對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營具有重要作用。目前對于混凝土的工作應力的量測方法較多，主要有在結(jié)構(gòu)中預埋應變傳感器，或在結(jié)構(gòu)表面粘貼應變片，通過應變儀輸出結(jié)果。但是在橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的實際應力的量測方面研究較少，下面將介紹混凝土應力釋放法在量測混凝土實際應力中的應用，準確掌握結(jié)構(gòu)的真實應力狀態(tài)，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估和加固設計提供重要依據(jù)。

1 混凝土應力釋放法發(fā)展介紹

最初應力釋放法主要用于量測鋼筋的殘余應力。其基本原理是利用機械對構(gòu)件所測應力區(qū)進行切割或鉆孔，使原來受力的部位變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)，該部位的應力被釋放，量測應力釋放前后的應變變化，再經(jīng)換算可得到該部位的實際應力。該方法后來發(fā)展到量測鋼筋和混凝土的實際應力，在量測混凝土的實際應力這一方面研究較晚。2004年長安大學對在役混凝土橋梁混凝土應力釋放法的鋼筋應力釋放法進行了研究，選用矩形梁試件，預應力作用在中心截面。2008年浙江大學林湘祁碩士在以開槽法釋放混凝土工作應力的基礎上，通過對3根不同骨料粒徑的鋼筋混凝土柱進行了試驗研究，分析了由切割機的切割作用對混凝土產(chǎn)生的擾動應變的各個因素[2]。目前混凝土應力釋放法主要有剝層法、套孔法、鉆孔法、盲孔法和開槽法。

2 混凝土應力釋放法

2.1 剝層法

剝層法是量測在應力釋放過程中混凝土所產(chǎn)生的應變值。通過應變與應力的關系，可獲得測試點的實際應力。即在測試點沿X軸方向貼應變片，用專門的機具取出貼有應變片的混凝土保護層，使取出的混凝土塊中的應力得以釋放。量測方法及測點示意如圖1。

圖1 測點及橫斷面尺寸示意圖

該方法以混凝土保護層為工作對象[3]，屬于半無損檢測范疇。但是這種方法在橋梁檢測中由于實際操作時影響因素較多，測試精度難以保證，故實際采用得比較少。

2.2 套孔法

套孔法的基本原理是將隔離體與母體的聯(lián)系解除即應力解除，通過測定應力解除前后隔離體某些部位的應變來推算原母體的應力。套孔法是發(fā)展時間最長，技術(shù)比較成熟的一種地應力測試法。目前主要應用于巖體應力的測試方面，該方法就是使測點巖體完全脫離應力作用，因而也稱套孔應力解除法。套孔解除法量測步驟如下。

首先從巖體表面，一般是從地下巷道、隧道、恫室或者其它開挖體的表面向巖體內(nèi)部打大孔，直至需要量測巖體應力的部位。大孔鉆完后需將孔底磨平，并打出錐形孔，以利于下一步鉆同心小孔，清洗鉆頭和使探頭順利進入小孔。其次，從大孔底打同心小孔，供安裝探頭，小孔直徑由所選用的探頭直徑?jīng)Q定，小孔深度一般為孔徑的10倍左右，從而保證小孔中央部位處于平面應變狀態(tài)。再次，用一套專用裝置將量測探頭，如孔壁應變計、孔徑變形計等安裝到小孔中央部位。最后，用第一步打大孔的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔，從而使小孔周圍巖芯實現(xiàn)應力解除。由于應力解除引起的小孔變形或應變由包裹測試探頭在內(nèi)的量測系統(tǒng)測定，根據(jù)測得的小孔變形或應變通過有關公式求出小孔周圍的原巖應力狀態(tài)。套孔應力解除法示意如圖2。

圖2 套孔應力解除法示意圖

2.3 鉆孔法

該方法由德國學者J.Mathar1934年提出，在殘余應力測試的機械測定法中以鉆孔—電測法為主，這就是最早的鉆孔法，又稱Mathar-Soet。到現(xiàn)階段為止，鉆孔法的研究仍然集中在殘余應力測試中，并基本上是在小孔下利用孔邊應力的釋放來測試殘余應力。

鉆孔法量測工作應力的原理來源于彈性力學，如圖3所示的矩形薄板或長柱，在承受軸向拉力時，根據(jù)圣維南原理，認為在板或柱的中心截面上截面的應力為均勻分布，在板中間區(qū)域應力為q。如果在板中心位置O處鉆一個小孔，在孔邊應力狀態(tài)將發(fā)生變化，此時截面應力分布見圖3。鉆孔后孔邊區(qū)域應力狀態(tài)發(fā)生變化，孔邊A，C處區(qū)域的應力釋放，孔邊B，D處區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)應力集中。在孔邊A，C處量測應變變化，乘上材料的彈性模量，所得結(jié)果在理論上就應該是構(gòu)件工作應力。但在孔邊B，D處區(qū)域量測應變變化，可以得到3倍的工作應變值，即該處的應力從q變化至3q，測試的靈敏度提高。

圖3 鉆孔法應力分布示意圖

2.4 盲孔法

套孔法的基本原理：當構(gòu)件內(nèi)存在殘余應力場和彈性應變場，在應力場內(nèi)任意處鉆一盲孔，該處的應力即被釋放，原應力場失去平衡，這時盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應變，并使原應力場達到新的平衡，形成新的應力場和應變場，測出釋放應變，即可利用相應公式計算出初始測試點的應力。盲孔法是由鉆孔法發(fā)展而來的，因此其計算式大致是在環(huán)孔分析方法的基礎上做些修正。套孔法的應變計粘貼方式如圖4。

圖4 盲孔法應變計粘貼示意圖

由圖示應變計測得的釋放應變，其應力計算公式為：

式中，ε1、ε2、ε3分別為相應各應變計鉆孔后測得的釋放應變；A、B為應變釋放系數(shù)；σ1、σ2為主應力。

通孔應變釋放系數(shù)可由Kirsch理論得到

式中，E，v分別為被測材料的泊松比和彈性模量；d、r1、r2分別為孔徑和盲孔中心到應變計近孔端、遠孔端距離。

盲孔法是量測殘余應力的一種較成熟的方法，近年來科學工作者對其作了大量研究工作，從量測原理到實際操作中的各種工藝因素、誤差來源等進行了深入的研究，使其日益完善。

2.5 開槽法

2.5.1 圓弧形開槽法

圓弧形開槽法也稱環(huán)孔法，其工作原理是依據(jù)局部應力解除法的力學原理。將構(gòu)件完全截斷以此來測試結(jié)構(gòu)構(gòu)件中某一點的工作應力是沒有必要的，實際上只需要在測試點附近開一定深度的槽，解除測試點周圍的約束使之產(chǎn)生彈性恢復變形，從而使構(gòu)件的應力重新分布，當槽深達到一定深度時，即可使測點處局部工作應力完全釋放，通過對測點應變釋放梁的測定，就可以求出該點的工作應力。環(huán)孔法測試混凝土工作應力如圖5所示。

圖5 環(huán)孔法測試混凝土工作應力示意圖

2.5.1.1 對于單向工作應力狀態(tài)，只需沿工作應力方向貼一片電阻應變計作為測點，然后在應變計周圍開槽，當槽達到一定深度時，即可完全解除測點處的工作應力，量測應變釋放值ε，由下式計算出測點處的工作應力：

2.5.1.2 對于平面工作應力狀態(tài)，可以在測點處用電阻應變花取代單向應變計，然后在應變花四周開一個圓形環(huán)槽，當槽深達到一定深度時，即可完全解除測點處的工作應力，量測應變釋放值ε1、ε2、ε3，根據(jù)彈性力學理論計算出測點處的主應力大小和方向。設在直角坐標系中，構(gòu)件測點處的主應力為σ1和σ2，開槽后沿與成夾角α方向的釋放應變ε（α）以可用下式表示：

式中，系數(shù)K（α）、K（90-α）為α呈周期性變化的參變量，可用三角級數(shù)描述。

圓弧形開槽法測試混凝土工作應力，原理比較簡單。最主要的問題在于確定環(huán)孔的深度。一般認為，鉆孔深度為0.7d時，此時測區(qū)的應力降為零，測讀電阻應變片的數(shù)值變化，并估計材料的泊松比和彈性模量，可計算出測區(qū)原主應力的數(shù)值及方向。但是，由于測試混凝土應力的電阻應變片標距比較大，因此，孔徑d也就比較大，鉆孔深度就變得比較深，在這個情況下，這種方法一般只適用體積較大的混凝土構(gòu)件的測定。但是在實際工程中，圓弧形開槽法切割混凝土很難操作，由于應變片要通過電源線連接到應變測試儀上，在切割環(huán)孔時，切割機會不可避免地碰到電源線，導致應變數(shù)據(jù)采集困難。除非在澆注混凝土時事先將環(huán)形孔預制好，否則很難切割成環(huán)孔。

劉永淼等對環(huán)孔法檢測混凝土實際應力進行了試驗研究，結(jié)果表明，當鉆孔深度達到3.3cm時，內(nèi)芯表明的應力可以完全釋放，由于鉆孔時冷卻水、溫度變化的影響，以及鉆孔時對測點的擾動，內(nèi)芯存在一定不能釋放的應力，并且該值高達10%～30%[4]。

2.5.2 直線形開槽法

由于圓弧形開槽法的種種缺陷，使其始終無法在工程中得以運用。浙江大學王柏生[5]教授對開槽法進行研究，通過有限元計算表明，開方形槽甚至橫槽，與環(huán)孔法結(jié)論是一致的，且發(fā)現(xiàn)在單向應力的情況下，采用切割兩條橫槽的效果與矩形切割槽的效果基本一致，因此可以采用只切割兩條橫槽的方式，這樣可以大大減少工作量，并且可以減小切割混凝土時引起的擾動誤差。此方法應變片及混凝土槽如圖6所示。

圖6 直線形開槽法測試混凝土工作應力示意圖

線型開槽法是在圓弧形開槽法基礎上的改進和創(chuàng)新，它使開槽法由理論變?yōu)楝F(xiàn)實，真正地運用到實踐中。在預應力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中，通常工程界在現(xiàn)存預應力檢測方面主要關系的仍然是縱向應力，即鋼絞線張拉產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)預應力值，這是一個單向應力問題，由上面的理論可知：僅需切割兩條橫縫，即可得到測試區(qū)混凝土的應力。這種方法對結(jié)構(gòu)的損傷、破壞程度低，進一步提高了試驗及工程的可行性。

3 結(jié)論

混凝土應力釋放法作為量測混凝土實際應力的一種方法，目前，該方法在工程中的應用不成熟，需要繼續(xù)開展大量的研究。

3.1 研究表明盲孔法量測殘余應力套用Kirsh公式進行計算是可行的，但是A，B系數(shù)需由實驗標定。這就使得盲孔法測試工作應力這種方法變得比較煩雜，并且標定時的實驗條件和材料也不可能完全與現(xiàn)場測試的一致，這也給測試工作帶來誤差。國內(nèi)外學者開始研究把這種方法運用到混凝土結(jié)構(gòu)中，目前的研究結(jié)果表明，效果并不理想。

3.2 鉆孔法的推導公式是針對矩形薄板或長柱在承受均勻拉力及小孔的條件下推導出來的，對鋼筋混凝土梁和板這種由非均質(zhì)材料組成結(jié)構(gòu)是否仍然適用，還有待于實驗去驗證。

3.3 相比套孔法、鉆孔法、盲孔法等方法，開槽法的實用性更好，研究也更加深入，但方法仍不十分成熟。

在切割混凝土時切割機的震動對應變測試會產(chǎn)生擾動，而擾動的影響是多方面的，很多影響因素目前仍不清楚；由于混凝土材料的非均勻性，導致切割引起的應力釋放與變形并不成協(xié)調(diào)關系，即釋放的應力值與變形本身存在差異；由于切割深度與切割槽間距成正比，研究表明，要減少切割擾動，必須提高切割間距。因此，這種方法在實際工程結(jié)構(gòu)的運用還需要進一步的研究。

[1]潘松林，張紅陽.公路橋梁檢測概述[J].城市道橋與防洪，2003，（5）：5-8.

[2]林湘祁.混凝土工作壓力測試的若干問題研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[3]楊勇，王燦，等.既有橋梁結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)存應力測量與分析[J].同濟大學學報，1999，37（2）：198-202.

[4]占毅，劉永淼.環(huán)孔法測試混凝土工作應力試驗研究[A].董石麟.第四屆海峽兩岸結(jié)構(gòu)與巖土工程學術(shù)研討會論文集 [C].杭州：浙江大學出版社，2007.425-430.

[5]王柏生，沈旭凱，等.開槽法測試混凝土工作應力試驗研究 [J].浙江大學學報：工學版，2010，44（9）：1754-1758.