應(yīng)力釋放法測試普通鋼筋應(yīng)力在連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力評(píng)估中的實(shí)測分析

黃光清

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067)

連續(xù)剛構(gòu)橋梁由于其跨越能力強(qiáng)、施工便利且具有良好的經(jīng)濟(jì)性，近幾十年來在國內(nèi)得到了大量建設(shè)。由于認(rèn)識(shí)不足，早期的設(shè)計(jì)普遍存在一定缺陷，導(dǎo)致很多運(yùn)營期的連續(xù)剛構(gòu)橋梁有效預(yù)應(yīng)力不足，箱梁產(chǎn)生橫向裂縫和斜向裂縫，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的下?lián)?。因此，?duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋梁，預(yù)應(yīng)力損失的檢測和評(píng)估是分析橋梁承載能力的關(guān)鍵。本文對(duì)某高速上兩座(四幅)連續(xù)剛構(gòu)橋普通鋼筋應(yīng)力測試檢測結(jié)果進(jìn)行分析、對(duì)比，及其與預(yù)應(yīng)力損失的相關(guān)性進(jìn)行探討，以供相似橋梁工程檢測參考。

1 工程背景

K4特大橋：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，由左右兩幅獨(dú)立橋跨組成，橋跨布置為98 m+180 m+98 m；單幅橋面全寬12 m，行車道11 m。

大橋主梁采用直腹板單箱單室、三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面。單幅箱梁底板寬6.5 m，頂板寬12.5 m，兩側(cè)懸臂長各3.0 m。主梁和薄壁墩身均采用C50混凝土，承臺(tái)采用C30混凝土。

K5大橋：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為77 m+140 m+77 m連續(xù)剛構(gòu)；橋梁分左右幅。單幅橋面全寬12 m，行車道11 m。

大橋主梁采用直腹板單箱單室、三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面。單幅箱梁底板寬6 m，頂板寬12 m，兩側(cè)懸臂長各3.0 m。梁和薄壁墩身采用C50混凝土，承臺(tái)采用C30混凝土。

兩橋設(shè)計(jì)荷載均為：公路I級(jí)。

檢測時(shí)這兩座橋梁尚未通車，從外觀檢測結(jié)果看，均存在箱梁開裂(主要為縱向開裂)、波紋管外露、混凝土表觀缺陷等病害，K4橋?qū)挾瘸蘖芽p比例較高，其他外觀檢測結(jié)果并無明顯差異。

依據(jù)工程測量規(guī)范對(duì)整個(gè)主橋橋面線形進(jìn)行了觀測，測量結(jié)果顯示：

兩次檢測期間(間隔9個(gè)月)，K4特大橋中跨橋面線形總體趨勢為中跨普遍下?lián)?，跨中最大，其中左幅?2.6 mm，右幅為87.8 mm。

K5大橋中跨橋面線形總體趨勢為中跨普遍下?lián)?，跨中最大，其中左幅?2.9 mm，右幅25.7 mm。上述下?lián)现蛋藘纱螠y試時(shí)的溫差影響、混凝土收縮徐變影響。

從線形測量結(jié)果看，K4特大橋9個(gè)月期間產(chǎn)生的異常下?lián)现得黠@異常，而K5大橋則基本正常。

2 連續(xù)剛構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力測試方法

對(duì)于大跨徑梁橋的有效預(yù)應(yīng)力檢測，一般有應(yīng)力釋放法，包括混凝土盲孔法、普通鋼筋應(yīng)力釋放法以及直接對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行靜動(dòng)力檢測等方法。

在連續(xù)剛構(gòu)橋梁中，由于混凝土材料的非勻質(zhì)性(特別對(duì)于缺陷橋梁而言更甚)，盲孔法測試混凝土應(yīng)力效果較差；對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行檢測則需要對(duì)截面進(jìn)行較大的破壞，這對(duì)于運(yùn)營橋梁往往是不可接受的。相較于前述兩種方法，對(duì)普通鋼筋的有效應(yīng)力進(jìn)行測試，一則相對(duì)箱梁截面開孔尺寸較小，二則鋼筋具有很好的勻質(zhì)性，測試精度相對(duì)較高。

我們知道，對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)而言，基于變形協(xié)調(diào)理論，普通鋼筋的應(yīng)變狀態(tài)與同位置處混凝土保持一致，故測試出普通鋼筋的應(yīng)變變化情況即可推斷出同位置混凝土應(yīng)變。根據(jù)某處混凝土的應(yīng)變狀態(tài)可反算或者驗(yàn)證連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力損失情況。

普通鋼筋應(yīng)力釋放測試如下圖所示，開孔后在鋼筋兩側(cè)粘貼應(yīng)變片，連接靜態(tài)應(yīng)變儀，調(diào)零后，距測點(diǎn)一定距離l采用切割機(jī)切斷，實(shí)測時(shí)一般距離l在10D以上(D：鋼筋直徑)，記錄鋼筋應(yīng)變變化情況及溫度變化情況。

圖1 普通鋼筋應(yīng)力釋放測試示意圖

3 測試截面及測點(diǎn)布置

測試截面：中跨L/4、跨中、3L/4截面。

測點(diǎn)布置：底板左、中、右均勻布置3個(gè)測點(diǎn)，均測試表層縱向鋼筋，均測試表層豎向鋼筋。測試時(shí)詳細(xì)記錄測點(diǎn)位置及開槽深度以便計(jì)算相應(yīng)理論值。

4 應(yīng)變測試結(jié)果

應(yīng)變測試結(jié)果見表1，表2。

表1 K4特大橋左右幅

表2 K5大橋左右幅

5 鋼筋應(yīng)變測試結(jié)果分析

對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)中的普通鋼筋，由于其應(yīng)力狀態(tài)受到很多因素的影響，除了結(jié)構(gòu)的受力外，還受到混凝土徐變和收縮的影響，因此必須在理論計(jì)算中考慮徐變和收縮的影響。由于連續(xù)剛構(gòu)在長期荷載作用下的徐變應(yīng)變和混凝土收縮引起的應(yīng)變很難精確計(jì)算出來，因此本處理論值主要根據(jù)該橋設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算。

5.1 預(yù)應(yīng)力損失估算

依據(jù)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)，先按照如下方法對(duì)結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行估算，后根據(jù)估算結(jié)果進(jìn)行鋼筋理論應(yīng)變計(jì)算，然后比較實(shí)測鋼筋應(yīng)變與理論應(yīng)變以校核預(yù)應(yīng)力損失估算值。

依據(jù)以上方法計(jì)算得到K4特大橋左幅橋預(yù)應(yīng)力損失7.8%、右幅橋預(yù)應(yīng)力損失8.3%。

K5大橋左幅預(yù)應(yīng)力損失2.8%、右幅橋預(yù)應(yīng)力損失5.4%。

5.2 測點(diǎn)理論值計(jì)算

(1)測點(diǎn)有效彈性模量計(jì)算

國內(nèi)外一些實(shí)驗(yàn)表明，在施加的壓力不超過混凝土強(qiáng)度的40%時(shí)，混凝土的彈性徐變變形與施加的壓力幾乎成正比，所以在不變的混凝土壓應(yīng)力fc作用下的徐變應(yīng)變?chǔ)與r可以表示為

(1)

式中：Ec：混凝土的彈性模量；Ct：混凝土的徐變系數(shù)；fc：作用在混凝土上的壓應(yīng)力。

由于線性假設(shè)，C與應(yīng)力大小無關(guān)，則混凝土的總應(yīng)變?chǔ)舤ol可表示為：

(2)

令Eeff表示考慮徐變影響的混凝土有效割線模量，即為

實(shí)測橋梁所受活載作用較小，可認(rèn)為軸向壓力基本不變，因此可按上述公式計(jì)算有效彈性模量。

(2)測點(diǎn)理論應(yīng)變計(jì)算

(3)混凝土徐變系數(shù)、收縮應(yīng)變

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄及相應(yīng)圖表計(jì)算。

5.3 校驗(yàn)系數(shù)(實(shí)測與理論值分析)

校驗(yàn)系數(shù)見表3，表4，表5。

表3 K4特大橋左幅鋼筋恒載應(yīng)力測試結(jié)果與理論值比較表

表4 K4特大橋右幅鋼筋恒載應(yīng)力測試結(jié)果與理論值比較表

表5 K5大橋左幅鋼筋恒載應(yīng)力測試結(jié)果與理論值比較表

表6 K5大橋右幅鋼筋恒載應(yīng)力測試結(jié)果與理論值比較表

5.4 結(jié)果分析

(1)K4特大橋的校驗(yàn)系數(shù)均明顯小于K5大橋，說明其預(yù)應(yīng)力損失量比估算值更大，實(shí)際上，由于橋梁主跨合攏時(shí)沒有及時(shí)測量橋面線形，第一次線形測量距橋梁合攏時(shí)間約8個(gè)月，第二次測量距第一次時(shí)間9個(gè)月，估算采用的中跨下?lián)现凳遣捎玫膬纱螛蛎婢€形測量的差值，而不是采用橋梁合攏時(shí)距第二次檢測時(shí)的值，因此造成預(yù)應(yīng)力損失估算值偏小。而K5大橋由于下?lián)现递^小，這種偏差也相對(duì)較小。

(2)K4特大橋中跨跨中的校驗(yàn)系數(shù)明顯小于L/4及3L/4截面的校驗(yàn)系數(shù)，說明其跨中的預(yù)應(yīng)力損失相對(duì)較大。K5大橋的中跨跨中校驗(yàn)系數(shù)明顯大于L/4及3L/4截面的校驗(yàn)系數(shù)，一則說明其預(yù)應(yīng)力損失較小，二則是由于施工單位對(duì)中跨的預(yù)應(yīng)力筋普遍進(jìn)行了一定程度的超張拉。

(3)從校驗(yàn)系數(shù)看，K5大橋明顯大于1.0，K4特大橋雖然基本小于1.0，但其數(shù)值仍然與下?lián)厦黠@的事實(shí)不符，這反映出理論計(jì)算值偏小，這是因?yàn)榘凑?4規(guī)范計(jì)算的混凝土收縮應(yīng)變在前期內(nèi)的理論值小于實(shí)際值。我們知道，混凝土的收縮應(yīng)變會(huì)在澆筑后1～2年時(shí)間內(nèi)完成大部分，而按照規(guī)范的計(jì)算，雖然收縮應(yīng)變的終值較大，但其前期計(jì)算值會(huì)小于實(shí)際發(fā)生的收縮應(yīng)變。

(4)基于以上推論及其他檢測結(jié)果，判定K4特大橋預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，而K5大橋則基本正常。事實(shí)是，K4特大橋開通運(yùn)營后，其主梁持續(xù)下?lián)希瑱M向裂縫和斜向裂縫大量開展，兩年后不得不花費(fèi)巨大的資金進(jìn)行加固且設(shè)置健康監(jiān)測系統(tǒng)，可謂教訓(xùn)深刻。而K5大橋則在后續(xù)運(yùn)營中則一直處于正常狀態(tài)。

6 結(jié) 論

(1)普通鋼筋應(yīng)力釋放方法可用于驗(yàn)證連續(xù)剛構(gòu)橋梁的預(yù)應(yīng)力損失狀況，但由于混凝土收縮徐變等因素造成其精確計(jì)算分析較為困難，條件允許時(shí)可采用多橋比對(duì)方法；

(2)由于受鋼筋彎曲、粘結(jié)等因素影響，測試結(jié)果中應(yīng)注意排除異常數(shù)據(jù)；

(3)連續(xù)剛構(gòu)橋梁橋面線形變化評(píng)定預(yù)應(yīng)力損失的關(guān)鍵參數(shù)，一定要注意在橋梁竣工時(shí)埋設(shè)永久測點(diǎn)并進(jìn)行首次觀測以便后期比對(duì)。