預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道注漿質(zhì)量的頻率檢測(cè)法研究

竇雁輝，冉志紅，伍玉寶，卓郅穎

(云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院，云南昆明 650091)

預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道注漿質(zhì)量的頻率檢測(cè)法研究

竇雁輝，冉志紅，伍玉寶，卓郅穎

(云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院，云南昆明 650091)

基于Ansys模擬計(jì)算，分別對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在鋼絞線注漿和沒注漿兩種情況下，當(dāng)鋼絞線受到張拉力時(shí)對(duì)整個(gè)梁體的頻率影響進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在鋼絞線注漿之后一階頻率比無(wú)注漿狀態(tài)下有50%左右的變化量，之后隨著張拉力的增大，梁體的各階頻率仍成上升趨勢(shì)，但是改變量非常小。驗(yàn)證了Clough的受軸力作用的梁體頻率變化理論，提出了基于梁體頻率變化的注漿與否的無(wú)損檢測(cè)方法。

橋梁工程；預(yù)應(yīng)力混凝土梁；鋼絞線；頻率檢測(cè)法；管道注漿

0 引言

在我國(guó)的橋梁建設(shè)中，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、施工方便的特點(diǎn)在中國(guó)的橋梁建設(shè)中占有非常重要的地位，且數(shù)量極其龐大。在這類橋梁的承載力評(píng)定中，其上部結(jié)構(gòu)中預(yù)制梁體的質(zhì)量是最重要的部分，而在預(yù)應(yīng)力梁中，為了充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的特點(diǎn)，目前均采用張拉鋼絞線的方法來(lái)克服大跨度情況下混凝土自重引起的下緣拉應(yīng)力。在張拉鋼絞線之后，注漿密實(shí)度是評(píng)判預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土能否協(xié)同工作的重要指標(biāo)，但是目前注漿密實(shí)度的檢測(cè)尚沒有非常可靠的方法，本文從動(dòng)力分析的角度對(duì)注漿質(zhì)量的檢測(cè)進(jìn)行了研究。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁的自振頻率研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力和混凝土預(yù)制梁頻率關(guān)系的研究一直是許多學(xué)者感興趣的話題。根據(jù)Clough R W,Penzien J的理論，體系在軸向力作用下有效剛度減?。?］，因此振動(dòng)頻率亦下降，但是將預(yù)應(yīng)力看作混凝土的軸向受壓是不合適的，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土是鋼絞線和混凝土一起工作的兩種材料，不能單純看作兩端的軸力。1994年Saiidi M［2］等人制作了一根計(jì)算長(zhǎng)度3 660 mm，截面尺寸b× h=102 mm×127 mm的矩形試驗(yàn)梁，記錄了不同大小預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下梁的自振頻率，測(cè)試結(jié)果表明其頻率隨預(yù)應(yīng)力的增加而增加。2008年，華中科技大學(xué)李瑞鴿［3］博士在前人研究的基礎(chǔ)上，制作了一根b×h=120 mm×240 mm，計(jì)算長(zhǎng)度3 700 mm的矩形梁，采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，其試驗(yàn)結(jié)果依然是頻率隨著預(yù)應(yīng)力的增加而增加，但是她認(rèn)為前人將預(yù)應(yīng)力混凝土看作各向同性材料是不合適的，于是她將預(yù)應(yīng)力混凝土視為正交異性材料進(jìn)行了計(jì)算，但是正交異性材料的物理性能參數(shù)大多是經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，所以難免也有誤差。

2 Ansys模擬計(jì)算

本文采用的分析對(duì)象是實(shí)際工程中某連續(xù)梁橋的一片30 m的T梁，設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50，三束鋼絞線均采用9φs15.2低松弛fpk=1 860 MPa抗拉強(qiáng)度的鋼絞線，具體參數(shù)見表1。

表1 30 m T梁材料特性參數(shù)

T梁尺寸參數(shù)和鋼絞線位置坐標(biāo)采用的是2008版交通部上部結(jié)構(gòu)30mT梁通用圖。由于實(shí)際T梁是變截面的，而且是鋼絞線和混凝土共同工作，簡(jiǎn)化成結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中有限自由度的方法去計(jì)算非常麻煩，而且無(wú)法考慮空間效應(yīng)，所以采用大型通用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行模擬計(jì)算。

本計(jì)算模型主要研究鋼絞線與混凝土的關(guān)系，在模擬分析時(shí)采用solid65作為鋼筋混凝土實(shí)體單元。該單元是經(jīng)過(guò)非線性處理的，可以模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形和徐變。鋼絞線采用link10單元(見圖1)，它是一個(gè)軸向僅受拉或近受壓三維單元，當(dāng)使用受拉選項(xiàng)時(shí)，單元?jiǎng)偠葧?huì)在受壓時(shí)消失，其初應(yīng)變由給出△/L0，△為單元長(zhǎng)度L與零應(yīng)變L0的差值，負(fù)值表示其處于松弛狀態(tài)，所以在考慮預(yù)應(yīng)力時(shí)，需要給鋼絞線一個(gè)正值的初應(yīng)變。鋼絞線和混凝土耦合方向如圖2，模型耦合情況如圖3。

圖1 link10單元特性

圖2 鋼絞線和混凝土耦合方向

圖3 Ansys耦合模型

自由度在Ansys中耦合時(shí)，需要在劃分完單元后將鋼絞線的所有單元節(jié)點(diǎn)定義為一個(gè)集合，然后采用nnear(nod)函數(shù)自動(dòng)搜尋距離鋼絞線最近的混凝土節(jié)點(diǎn)來(lái)耦合。注漿與否主要體現(xiàn)在鋼絞線與混凝土之間是否有粘結(jié)力上，單束耦合數(shù)據(jù)如表2。

表2 邊界條件及單束鋼絞線耦合情況

鋼絞線的張拉控制強(qiáng)度為0.75 fpk=1 395 MPa，采用給鋼絞線初應(yīng)變的方法分級(jí)加載模擬計(jì)算預(yù)應(yīng)力作用下混凝土的模態(tài)，計(jì)算時(shí)候需要在打開［pstres,on］進(jìn)行靜力分析之后，再次打開［pstres,on］來(lái)進(jìn)行預(yù)加力作用下的模態(tài)分析。有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土頻率變化情況見表3。

表3 無(wú)粘結(jié)和有粘結(jié)前兩階頻率

通過(guò)表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，在預(yù)應(yīng)力作用下，梁的頻率并沒有明顯的提高，無(wú)粘結(jié)和有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力從0到100%其一階頻率增長(zhǎng)量分別為0.78%和0.34%，但是一階頻率從無(wú)粘結(jié)到有粘結(jié)變化量幾乎達(dá)到了50%，但是隨著階數(shù)的升高其變化量逐漸降低如圖4。

圖4 有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)頻率變化量

所以，通過(guò)測(cè)試一階頻率的變化來(lái)檢測(cè)是否注漿從理論上來(lái)講是可行的。由于鋼絞線的彈性模量大于混凝土，而且鋼絞線抗拉能力非常強(qiáng)，所以在注漿之后鋼絞線和混凝土粘結(jié)在一起，使梁體的剛度增加。但是，無(wú)注漿的鋼絞線與混凝土分離，只是在張拉的情況下微小的提高剛度。

3 Clough理論驗(yàn)證

為了進(jìn)一步說(shuō)明預(yù)應(yīng)力對(duì)混凝土影響的問(wèn)題，依據(jù)Clough的理論，受軸力作用下的梁的自由振動(dòng)微分方程如下：

通過(guò)邊界條件解得自振圓頻率為：

顯然在軸力N的作用下，頻率隨著軸力的增加而降低。為此擬在模型中約束為XY的一端施加等同于100%張拉的一集中壓力F=(1.757e+6N)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，加載示意圖見圖5。

圖5 軸力F加載示意圖

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算前五階頻率，無(wú)粘結(jié)和有粘結(jié)軸力作用下的頻率相對(duì)于100%張拉時(shí)頻率下降量的百分比的情況如圖6。

圖6 軸力作用下頻率變化量

從圖6可以看出有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)梁的前五階頻率在軸力作用下都有下降。在Clough版結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)里，受軸力影響的構(gòu)件頻率分析中，假設(shè)條件是軸力影響頻率的討論都是認(rèn)為軸向力的作用線平行于構(gòu)件未變形的原始軸線，并假定在結(jié)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)它的作用線方向和大小不變。實(shí)際情況下，鋼絞線是曲線，而且鋼絞線和混凝土注漿耦合在一起后，應(yīng)從材料的角度去分析，所以將預(yù)應(yīng)力梁簡(jiǎn)單地看作兩端軸向受壓來(lái)分析就忽略了鋼絞線和混凝土的耦合工作效果，這樣是不合適的。

4 注漿前后頻率計(jì)算方法

做預(yù)應(yīng)力混凝土梁的頻率分析計(jì)算時(shí)，由于鋼絞線和混凝土在注漿后是一個(gè)整體，而且預(yù)應(yīng)力的影響非常小，可以暫時(shí)忽略預(yù)應(yīng)力大小對(duì)頻率的影響效果，從材料的角度去分析，將梁的振動(dòng)微分方程中去掉軸力項(xiàng)，其頻率應(yīng)該按式(3)計(jì)算：

EcIc是鋼絞線和混凝土注漿之后耦合在一起的剛度，但是其混合剛度的EcIc計(jì)算目前仍沒有很好的計(jì)算理論和方法。

注漿前后頻率的變化量如式(4)：

EI為無(wú)注漿時(shí)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的剛度，無(wú)注漿時(shí)，鋼絞線對(duì)混凝土梁幾乎沒有剛度的提高(非常微弱)。

5 結(jié)論和展望

模擬計(jì)算的結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力可以使梁的自振頻率升高，但是變化量非常不明顯，幾乎可以忽略，所以計(jì)算預(yù)應(yīng)力梁的自振頻率時(shí)可以忽略其影響。但是從材料的角度來(lái)看，有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁存在明顯的剛度差異，實(shí)際狀態(tài)也就等同于波紋管內(nèi)是否注漿，注漿之后鋼絞線和混凝土可以看作一個(gè)整體，其剛度增加，所以通過(guò)值的獲取來(lái)判別預(yù)應(yīng)力梁是否注漿從理論上來(lái)講是可行的。但是，預(yù)應(yīng)力混凝土動(dòng)力性能的研究還有許多工作要做。

(1)由于實(shí)際制梁場(chǎng)中的梁的邊界條件與計(jì)算模型不符，所以本文對(duì)是否注漿的檢測(cè)仍停留在理論階段，還需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證其實(shí)際可行性。

(2)注漿狀態(tài)的鋼絞線，其拉應(yīng)力延鋼絞線方向引起的混凝土受壓情況對(duì)梁體頻率的影響尚不清楚。

(3)由于混凝土受壓不受拉，鋼絞線受拉不受壓，所以其注漿后的混合剛度的確定仍沒有可靠的計(jì)算理論和方法。

(4)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在振動(dòng)時(shí)鋼絞線和混凝土相互影響的情況還需要大量的研究。

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U443.35

A

1009-7716(2015)08-0216-03

2015-03-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(51208452)

竇雁輝(1987-)，男，河南鄭州人，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)闃蛄簱p傷檢測(cè)、施工監(jiān)控和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。