已服役20年預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的試驗(yàn)研究

黃穎，房貞政

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院 福建福州350108;2.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州350007)

在役預(yù)應(yīng)力混凝土梁安全性能評(píng)估中，預(yù)應(yīng)力是其中最重要的一個(gè)指標(biāo)，許多工程實(shí)例說明由于預(yù)應(yīng)力水平不可預(yù)估的降低給結(jié)構(gòu)帶來的危害是十分可怕的［1］。目前，規(guī)范［2］中對(duì)各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算給出了明確的計(jì)算公式，但是各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失都是一個(gè)時(shí)間函數(shù)，而且都是相互影響的，再加上施工方法上的差異性，造成通過計(jì)算根本不能準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失。所以，如何有效地進(jìn)行預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中有效預(yù)應(yīng)力的量測對(duì)于實(shí)際工程是非常重要的［3］。

當(dāng)前國內(nèi)外的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測分析方法包括電磁效應(yīng)檢測法［4］、形狀記憶合金(SMA)技術(shù)［5］、聲發(fā)射技術(shù)［6］、SSRHT 法［7］等，這些方法都需要預(yù)埋一些儀器設(shè)備到工程結(jié)構(gòu)中，這就造成在大量已建結(jié)構(gòu)上這些方法的局限性，而且設(shè)備的維護(hù)成本較高，不易推廣。本文運(yùn)用應(yīng)力釋放法對(duì)已經(jīng)服役20年的預(yù)應(yīng)力空心板梁進(jìn)行切槽法試驗(yàn)。

1 應(yīng)力釋放法基本原理及適用范圍

應(yīng)力釋放法是目前常用的一種預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)力的測試方法，其最早應(yīng)用在測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的殘余應(yīng)力上，之后用于測定鋼筋結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力［8-9］。其基本原理是利用機(jī)械加工進(jìn)行割斷的方法使由約束產(chǎn)生的應(yīng)力被釋放。經(jīng)測量分割前后的位移和應(yīng)變，再經(jīng)換算即可得到此處的殘余應(yīng)力。應(yīng)力釋放法包括鉆孔法［10-12］、套孔法［13-14］、切槽法［15］。

鉆孔法的基本原理是通過測試鉆孔前后孔邊應(yīng)變的變化，利用鉆取的芯樣推定混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，得到混凝土的工作應(yīng)力?，F(xiàn)階段，鉆孔法的研究仍然集中在殘余應(yīng)力測試中［16］，并基本上是在小孔下利用孔邊應(yīng)力的釋放來測試殘余應(yīng)力。該方法操作相對(duì)復(fù)雜，受干擾因素較多。

套孔法基本原理是將隔離體與母體的聯(lián)系解除即應(yīng)力解除，通過測定應(yīng)力解除前后隔離體某些部位的應(yīng)變(如孔壁應(yīng)變、表面應(yīng)變、孔徑變形等)來推算原母體的應(yīng)力。該方法目前主要應(yīng)用于巖體應(yīng)力的測試方面。

切槽法(環(huán)孔法)是應(yīng)力釋放法測量殘余應(yīng)力比較常用的一種方法。該方法就是在構(gòu)件上進(jìn)行切槽，由于切槽而形成殘余應(yīng)力的釋放區(qū)，測定此部分的應(yīng)變求出構(gòu)件中的殘余應(yīng)力。該方法相對(duì)操作簡單，數(shù)據(jù)測量方便，對(duì)結(jié)構(gòu)破壞最小，在實(shí)際工程中較易推廣。

本文利用切槽法對(duì)一根已經(jīng)服役20年的實(shí)橋梁單元進(jìn)行應(yīng)力釋放法試驗(yàn)，就切槽深度、切槽間距展開研究，測試其現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力并與計(jì)算值進(jìn)行比較，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估橋梁承載能力提供一定的參考。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒榻B

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿≈粮＝ㄊ「Ｖ菔婿椃宕髽?原福州閩江三橋)。該橋已建成通車20年，為適應(yīng)當(dāng)前交通的需求，將對(duì)鰲峰大橋的北引橋進(jìn)行改造，其中北向東側(cè)的引橋需要拆除另建。需拆除的引橋?yàn)?9 m×16 m的多跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。從該橋預(yù)應(yīng)力空心板梁中截取2片單孔空心板單元，試驗(yàn)前對(duì)構(gòu)件的材料性質(zhì)進(jìn)行檢測，以此獲得該構(gòu)件材料的強(qiáng)度及彈性模量，具體試驗(yàn)梁單元參數(shù)及檢測值見表1。

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)Table 1 Test beam parameters

把這2片梁單元運(yùn)送至福州大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)館進(jìn)行試驗(yàn)，研究服役20年后預(yù)應(yīng)力混凝土梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)性能。雖然原橋梁屬于連續(xù)梁橋，從切割下來的單跨梁單元的設(shè)計(jì)圖紙可以看出，梁內(nèi)鋼筋呈對(duì)稱布見圖1，試驗(yàn)梁安裝就位如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)梁單元構(gòu)件及截面示意圖Fig.1 Test beam unit and sectional diagram

圖2 試驗(yàn)梁安裝就位示意圖Fig.2 Test beam installation diagram

在梁頂面1/3點(diǎn)處對(duì)稱施加9T的外荷載，此時(shí)梁底L/2截面處混凝土的工作應(yīng)力是3.43 MPa，應(yīng)力觀測點(diǎn)設(shè)置在梁底沿梁跨方向L/4、L/2及3L/4截面處，在這3處均勻布置6片應(yīng)變片，同一截面應(yīng)變片布置如圖3所示，每個(gè)斷面切割縫位置如圖4所示。每個(gè)截面分3個(gè)測區(qū)，最終的結(jié)果取3個(gè)測區(qū)的平均值。

圖3 梁底各截面應(yīng)變片粘貼位置示意圖Fig.3 The strain gauges location diagram of cross section of beam bottom

圖4 梁底截面切割縫示意圖Fig.4 The cutting seam of beam bottom section

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 沿深度變化應(yīng)力釋放情況分析

試驗(yàn)中因?yàn)榍懈顑x器為S1M-MH-150A的角向磨光機(jī)，切槽長約為20 cm，根據(jù)試驗(yàn)前對(duì)構(gòu)件進(jìn)行有限元建模，采用單元生死法進(jìn)行模擬分析，得知當(dāng)測區(qū)切割總深度約40 mm時(shí)截面應(yīng)力全面釋放，因此試驗(yàn)切割總深度取60 mm，切割槽間距為150 mm。由于切割儀器的限制，切割槽為每隔10 mm一個(gè)工況，共計(jì)6個(gè)工況，分別得到切割過程中切割深度與混凝土殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)值，每個(gè)截面3個(gè)測區(qū)結(jié)果取平均值記錄于表2。

表2 各個(gè)截面應(yīng)力釋放隨切槽深度的變化值Table 2 Variations of stress release with groove depth

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，定義混凝土殘余應(yīng)力與混凝土初始工作應(yīng)力比值為β，繪制β與切割深度h的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，1/4截面時(shí)切槽深度在34.7 mm時(shí)應(yīng)力釋放為0，1/2截面時(shí)切槽深度在46.8 mm時(shí)應(yīng)力釋放為0，3/4截面時(shí)切槽深度在38.7 mm時(shí)應(yīng)力釋放為0，由此可以說明截面初始應(yīng)力越大，應(yīng)力釋放越慢，跨中截面應(yīng)力釋放最慢，1/4截面和3/4截面初始應(yīng)力基本一致，所以應(yīng)力釋放情況基本一致。

圖5 應(yīng)力釋放隨切槽深度的變化Fig.5 Variations of stress release with groove depth

3.2 切槽間距變化應(yīng)力釋放情況分析

如圖3所示，考慮切割縫間距d變化應(yīng)力釋放情況，由于實(shí)際使用的應(yīng)變片長度為110 mm，為了避免切割中對(duì)連接線的擾動(dòng)，切割縫取2種間距:150 mm、200 mm，得到應(yīng)力釋放情況見表3，同理繪制β與切割深度h的關(guān)系曲線如圖6所示，從圖6中可以看出，切槽間距150 mm時(shí)切割深度為34.7 mm時(shí)應(yīng)力釋放為0，切槽間距200 mm時(shí)深度為55.4 mm，應(yīng)力得以完全釋放，可知切槽間距越大，應(yīng)力釋放越慢。

表3 切槽間距不同應(yīng)力釋放隨切槽深度的變化值Table 3 Variations of stress release with groove depth in different cutting gap space

圖6 切槽間距不同時(shí)應(yīng)力釋放隨切槽深度的變化Fig.6 Variations of stress release with groove depth in different cutting gap space

4 現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力估計(jì)

4.1 試驗(yàn)梁有效預(yù)應(yīng)力計(jì)算公式推導(dǎo)

本試驗(yàn)梁材料參數(shù)及力學(xué)參數(shù)見表1，先推導(dǎo)試驗(yàn)梁的預(yù)應(yīng)力計(jì)算公式如下，此推導(dǎo)公式適用于預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁:

梁的自重在梁1/2處產(chǎn)生的彎矩為

自重在下緣產(chǎn)生的應(yīng)力為

預(yù)加力在下緣產(chǎn)生的應(yīng)力為

梁體下緣應(yīng)力理論值為

下緣應(yīng)力實(shí)測值為σ0，由σ0=σl可得，

則可以推算出預(yù)應(yīng)力值:

4.2 試驗(yàn)梁現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力估計(jì)

應(yīng)力釋放法推算結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的原理［17］是:對(duì)試驗(yàn)梁底部進(jìn)行逐層切割，獲得切割深度對(duì)應(yīng)的測點(diǎn)縱向應(yīng)力值，建立切割深度與測點(diǎn)縱向應(yīng)力值之間的回歸方程，從而推算出未切割前測點(diǎn)的初始應(yīng)力值，通過該應(yīng)力就可以推算出構(gòu)件現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的大小。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件LLSTAT對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立3個(gè)截面切割深度與測點(diǎn)應(yīng)力值的回歸方程列于表4，從表中數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)截面擬合函數(shù)曲線的相關(guān)系數(shù)都在0.98以上，擬合程度高，從建立的回歸方程可以計(jì)算出在梁底表面(也就是h=0時(shí))未切割前的初始應(yīng)力σ0列于表4。結(jié)合式(1)、(4)和(6)以及表1中各參數(shù)的取值，計(jì)算出試驗(yàn)梁現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力值Ny。從設(shè)計(jì)圖紙可知，該梁單元內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋的設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力是1 600 MPa，張拉力為565 kN，定義現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力偏差值為△，從表4中可以看出，現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力存在較大偏差，L/2截面處偏差達(dá)到20.5%。

表4 各個(gè)截面切割深度與測點(diǎn)應(yīng)力值(σ～h)回歸分析表Table 4 The regression analysis table of cutting depth and the measured stress value

5 結(jié)論

本文利用切槽法對(duì)在役預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論:

1)對(duì)梁單元底部1/4、1/2、3/4 3個(gè)截面進(jìn)行切槽法試驗(yàn)，可知當(dāng)切槽間距為150 mm時(shí)，1/4和3/4截面槽深達(dá)到35 mm左右應(yīng)力完全釋放，1/2截面處槽深達(dá)到37 mm應(yīng)力完成釋放，說明梁體初始應(yīng)力越大，應(yīng)力釋放時(shí)所需要的切割深度也越大。

2)應(yīng)力釋放的速度與切槽間距有很大關(guān)系，對(duì)1/4截面的試驗(yàn)表明，當(dāng)切槽間距為150 mm時(shí)，要使應(yīng)力釋放為零，切割深度為34.7 m;當(dāng)切槽間距擴(kuò)大為200 mm時(shí)，切縫深度達(dá)到55.4 mm時(shí)應(yīng)力才能完全釋放，說明切槽間距越大切割時(shí)應(yīng)力釋放的越慢。

3)相關(guān)系數(shù)R及方差σ可以反映出數(shù)據(jù)資料與所構(gòu)造函數(shù)之間的密切程度，相關(guān)系數(shù)R越接近于1，方差σ越小，說明回歸關(guān)系越顯著。本文應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件LLSTAT處理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立3個(gè)截面切割深度與測點(diǎn)應(yīng)力值的擬合函數(shù)，相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，說明構(gòu)造函數(shù)是非?？煽康?。

4)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，通過這個(gè)構(gòu)造公式可以計(jì)算出未切割前混凝土表面的應(yīng)力，利用這個(gè)應(yīng)力結(jié)合相關(guān)計(jì)算公式就可以比較準(zhǔn)確推測結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力。通過本文的分析驗(yàn)證了這種既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力檢測方法及分析方法的有效性和可行性，具有一定的工程實(shí)際意義。

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