反拉法錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測方法研究

夏靜，袁建偉

（長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

反拉法錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測方法研究

夏靜，袁建偉

（長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

以反拉法作為預(yù)應(yīng)力檢測方法，闡明了反拉法檢測鋼絞線錨下預(yù)應(yīng)力的工作機(jī)理，通過單根鋼絞線的張拉荷載與鋼絞線伸長量的力-位移曲線的拐點(diǎn)獲得錨下預(yù)應(yīng)力值，并運(yùn)用錨下預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對張拉過程中數(shù)據(jù)的采集，繪制力-位移曲線，分析了現(xiàn)場實(shí)測曲線與理想曲線差異的產(chǎn)生原因；提出利用最小二乘法將實(shí)測曲線中第二、第四階段曲線進(jìn)行線性回歸，取這兩階段直線的交點(diǎn)作為拐點(diǎn)的分析方法，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用該方法分析出拐點(diǎn)來判斷鋼絞線的錨下預(yù)應(yīng)力，檢測誤差在4%以內(nèi)，滿足工程檢測誤差要求，可運(yùn)用于實(shí)際工程中。

橋梁；預(yù)應(yīng)力；錨下預(yù)應(yīng)力檢測；反拉法；最小二乘法

預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉質(zhì)量是橋梁安全運(yùn)營的重要保障，如錨下預(yù)應(yīng)力過大，將導(dǎo)致梁體過大變形；如錨下預(yù)應(yīng)力過小，易導(dǎo)致梁體下?lián)?、垮塌，危及工程安全。大量在役橋梁調(diào)查和檢測結(jié)果表明，相當(dāng)部分的橋梁質(zhì)量隱患來源于預(yù)應(yīng)力張拉施工的質(zhì)量控制不力。因此，對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行錨下預(yù)應(yīng)力檢測非常必要。

鑒于反拉法原理簡單可靠，且相對于別的檢測方法容易實(shí)施，目前工程中大多采用反拉法實(shí)現(xiàn)錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測。該文以反拉法作為檢測方法，以單根鋼絞線的實(shí)測力-位移曲線的第二、第四階段曲線的交點(diǎn)作為拐點(diǎn)進(jìn)行錨下預(yù)應(yīng)力檢測。

1 錨下預(yù)應(yīng)力檢測原理

1.1 反拉法檢測原理及理想曲線分析

反拉法又稱拉脫法，主要是通過對未進(jìn)行管道灌漿的預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行二次張拉來確定鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力值。檢測過程中，鋼絞線可視為彈性體。在受力拉伸過程中，可通過分析施加的反拉荷載與鋼絞線拉伸量的關(guān)系（即力-位移曲線）判斷錨下有效預(yù)應(yīng)力值。

鋼絞線張拉后，夾片夾持鋼絞線，取夾片與鋼絞線的一段進(jìn)行受力分析（如圖1所示）。

圖1 鋼絞線在夾片處的受力示意圖

如圖1所示，夾片夾持鋼絞線，錨具固定夾片，夾片承受錨具傳遞的水平方向的力F2，夾片與鋼絞線的受力平衡關(guān)系式為：

式中：F0為鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力；F1為千斤頂施加的反向張拉力；F2為錨具對夾片的水平反力。

如圖2所示，理想狀態(tài)下，反拉法檢測錨下有效預(yù)應(yīng)力的曲線分為2個(gè)階段。

圖2 理想的力-位移曲線

第一階段：施加反拉力時(shí)，鋼絞線外露段受力拉伸，鋼絞線視為彈性體，其材料應(yīng)力應(yīng)變特性滿足：

式中：ΔL 為外露段L 對應(yīng)的伸長量；L 為外露段鋼絞線工具錨與千斤頂工作錨之間的長度；E為鋼絞線的彈性模量；A為鋼絞線的截面面積。

式（2）、式（3）中，E、A、L恒定不變，故F1／ΔL可視為恒定值，其值為力-位移曲線中OA段的斜率，在反拉力F1持續(xù)增加時(shí)，F(xiàn)2不斷減小。

第二階段：當(dāng)反向拉力F1持續(xù)增加至與鋼絞線的錨下預(yù)應(yīng)力F0相等時(shí)，夾片被拉脫，內(nèi)外鋼絞線同時(shí)受力。此時(shí)，由式（3）可知F1／ΔL的值變小，但還是恒定值，故力-位移曲線的斜率發(fā)生突變，如圖

2中AB段。此時(shí)，拐點(diǎn)A所對應(yīng)的反拉荷載即為鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力值。

1.2 實(shí)測曲線分析

在實(shí)際情況下，由于張拉過程中錨具會(huì)發(fā)生變形，使夾片楔卡在錨具中，錨具與夾片往往存在作用力Ff。此時(shí)，取夾片處的鋼絞線進(jìn)行力的平衡分析（如圖3所示）。

圖3 實(shí)際情況下鋼絞線在夾片處的受力示意圖

對外露段鋼絞線施加反拉力，當(dāng)反拉力F1與鋼絞線的錨下預(yù)應(yīng)力F0相等時(shí)，夾片并不會(huì)被拉脫，還需繼續(xù)施加反拉力。如圖3所示，當(dāng)反拉力F1= F0+Ff時(shí)夾片才會(huì)被拉脫，力-位移曲線大致分為4個(gè)階段（如圖4所示）。

圖4 實(shí)際情況下力-位移曲線

第一階段：各儀器設(shè)備間存在空隙，空隙被壓實(shí)緊密的過程中反拉力較小，但伸長量有較大變化，此時(shí)曲線圖中表現(xiàn)的伸長量并非鋼絞線的實(shí)際伸長量，其中包含被壓緊的設(shè)備間的空隙。該過程中曲線斜率較小，且逐漸變大，即圖4中OA段。

第二階段：隨著反拉的進(jìn)行，設(shè)備間的空隙被壓實(shí)，外露段鋼絞線受力并發(fā)生彈性伸長，力-位移曲線的斜率為F1／ΔL=EA／L，其值不變。因此，圖4中AB段表現(xiàn)為穩(wěn)定不變。

第三階段：隨著反拉力持續(xù)增加，當(dāng)F1=F0+ Ff時(shí)夾片與錨具脫空，夾片與錨具間的作用力Ff瞬間消失，鋼絞線內(nèi)力重新調(diào)整，即圖4中BC段。

第四階段：鋼絞線內(nèi)力重新調(diào)整完成后，鋼絞線外露段與自由段共同受力。此時(shí)，力-位移曲線的斜率F1／ΔL=EA／L1（L1為鋼絞線外露段與自由段的總長度），曲線的斜率發(fā)生突變，即圖4中CD段。

1.3 理想曲線與實(shí)際曲線對比分析

實(shí)際情況與理想狀態(tài)下的力-位移曲線存在一定差異，主要是因?yàn)閷?shí)際情況下考慮了錨具法向變形后錨具與夾片之間的作用力。在施加反拉力的過程中，反拉力必須克服錨具與夾片間的作用力才能將夾片拉脫。因此，實(shí)際情況下力-位移曲線會(huì)出現(xiàn)圖4所示BC段曲線。而在理想狀態(tài)下，從力-位移曲線可知錨下有效預(yù)應(yīng)力的值為曲線中的拐點(diǎn)，即兩階段直線的交點(diǎn)。

2 錨下預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

根據(jù)理想與實(shí)際情況下力-位移曲線產(chǎn)生差異的原因，擬按理想狀態(tài)下的取值方法來分析實(shí)際情況下的力-位移曲線，即取實(shí)測力-位移曲線中第二、第四階段直線的交點(diǎn)作為實(shí)際情況下鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力值。下面通過對從莞（從化—東莞）高速公路某預(yù)制梁場預(yù)制梁的現(xiàn)場試驗(yàn)檢驗(yàn)該方法的準(zhǔn)確性?？紤]到實(shí)際檢測過程中數(shù)據(jù)采集會(huì)受到現(xiàn)場環(huán)境、儀器設(shè)備等因素的影響，實(shí)測力-位移曲線中第二、第四階段曲線上所有的點(diǎn)往往不在一條直線上，利用最小二乘法將這兩階段曲線進(jìn)行線性回歸，取兩直線的交點(diǎn)作為鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力值。

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)對象為預(yù)制小箱梁，小箱梁采用C50砼一次澆筑，長25 m，已經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。預(yù)應(yīng)力鋼絞線未進(jìn)行張拉，預(yù)應(yīng)力孔道未壓漿。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，直徑為15.2 mm，公稱面積為140 mm2，彈性模量為1.95×105MPa，共7股。小箱梁如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)小箱梁示意圖

2.2 試驗(yàn)過程

在進(jìn)行反拉測試前，如圖6所示，先將被檢鋼絞線的一端錨固，將穿心式壓力傳感器置于工作錨與工具錨之間，在鋼絞線的另外一端進(jìn)行反向張拉，將鋼絞線張拉到一定值，待壓力傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)穿心式壓力傳感器的讀數(shù)，之后千斤頂對鋼絞線進(jìn)行二次張拉。反拉過程結(jié)束后，利用最小二乘法線性回歸實(shí)測力-位移曲線的第二、第四階

段曲線，以兩線交點(diǎn)作為拐點(diǎn)判斷鋼絞線的錨下預(yù)應(yīng)力，并將該分析結(jié)果與壓力傳感器的讀數(shù)進(jìn)行對比，分析上述錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測方法的準(zhǔn)確性。

圖6 試驗(yàn)裝置安裝簡圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在進(jìn)行反拉檢測試驗(yàn)過程中，千斤頂支撐在工具錨上，反力由梁體提供，由于砼彈性模量較大，試驗(yàn)過程中不考慮砼回彈引起的誤差。反拉檢測過程中系統(tǒng)所測伸長量即為外露段鋼絞線的伸長量。

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，對外露段鋼絞線進(jìn)行預(yù)拉，將設(shè)備間的空隙壓緊，這樣試驗(yàn)采集的位移量就是外露段鋼絞線的實(shí)際伸長量。對單根鋼絞線進(jìn)行試驗(yàn)的實(shí)測力-位移曲線如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)實(shí)測曲線

圖7 中除第一階段表現(xiàn)不明顯外，其他階段與圖4中的情況基本一致。另外，在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，夾片被拉脫后，由于有管道摩阻，自由段共同受力的有效鋼絞線長度并不是自由段鋼絞線的全部長度，而是在逐漸克服管道摩阻過程中自由段受力的有效鋼絞線長度慢慢轉(zhuǎn)換成內(nèi)外全部鋼絞線共同受力。因此，在圖7中夾片被拉脫后的曲線斜率逐漸減小，當(dāng)內(nèi)外全部鋼絞線共同受力時(shí)，曲線斜率才穩(wěn)定不變。在運(yùn)用最小二乘法對圖7中第四階段曲線進(jìn)行線性回歸時(shí)，要從B點(diǎn)之后所采集到的點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，這樣才能保證現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

限于篇幅，僅列出5組數(shù)據(jù)（驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，預(yù)應(yīng)力管道為每孔5束）進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。從中可見，兩者之間的誤差在4%以內(nèi)，滿足工程檢測誤差要求，說明上述檢測方法可行。

3 結(jié)論

（1）對于張拉完畢并未進(jìn)行預(yù)應(yīng)力孔道灌漿的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，可采用反拉檢測法測得鋼絞線的力-位移曲線來判斷鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力值。

表1 現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

（2）在現(xiàn)場進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，由于有管道摩阻，實(shí)測力-位移曲線中第四階段的曲線斜率會(huì)先逐漸變小，然后趨于穩(wěn)定，在運(yùn)用最小二乘法對該階段曲線進(jìn)行線性回歸時(shí)，應(yīng)從穩(wěn)定后的曲線開始分析，這樣才能保證驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）通過最小二乘法線性回歸實(shí)測力-位移曲線的第二、第四階段曲線，取兩線交點(diǎn)作為鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力值的方法的檢測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間的誤差在4%以內(nèi)，滿足工程檢測誤差要求，可運(yùn)用于實(shí)際工程。

［1］ 高建軍.基于有效預(yù)應(yīng)力檢測的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁評價(jià)方法［D］.西安：長安大學(xué)，2007.

［2］ 孫愛芳.基于有效預(yù)應(yīng)力檢測的橋梁安全性評價(jià)方法［D］.西安：長安大學(xué)，2010.

［3］ 喻國強(qiáng).預(yù)應(yīng)力混凝土橋有效預(yù)應(yīng)力測試技術(shù)應(yīng)用［D］.西安：長安大學(xué)，2010.

［4］ 王繼成，向富中.橋梁預(yù)應(yīng)力及索力張拉技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［5］ 李周沛，歐陽娜.錨下預(yù)應(yīng)力智能反拉系統(tǒng)檢測研究［J］.公路與汽運(yùn)，2015（5）.

［6］ 付丹.預(yù)應(yīng)力錨索工作應(yīng)力的檢測方法研究［D］.北京：清華大學(xué)，2010.

［7］ 陸學(xué)村，廖建春.橋梁有效預(yù)應(yīng)力檢測及施工工藝控制分析［J］.山西建筑，2012，38（35）.

［8］ 付丹，郭紅仙，程曉輝，等.預(yù)應(yīng)力錨索工作應(yīng)力的檢測方法：拉脫法的檢測機(jī)制和試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（8）.

［9］ 成劍波，姚晨，張峰，等.反拉法檢測預(yù)應(yīng)力鋼絞線工作應(yīng)力的模型試驗(yàn)研究［J］.公路與汽運(yùn)，2015（3）.

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1671-2668（2016）06-0210-03

2016-03-10