預(yù)應(yīng)力梁橋預(yù)應(yīng)力損失檢測技術(shù)研究

摘要 預(yù)應(yīng)力梁橋具有重量輕、造價低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的橋梁結(jié)構(gòu)形式之一。但由于施工工藝、材料性能、外界環(huán)境等各方面因素影響，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營過程中產(chǎn)生了一定程度的預(yù)應(yīng)力損失，嚴(yán)重威脅橋梁使用安全，影響使用年限?；诖?，文章針對預(yù)應(yīng)力梁橋預(yù)應(yīng)力損失檢測技術(shù)展開綜合研究，論述了預(yù)應(yīng)力檢測指標(biāo)及評價標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了較為常用的預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)，并針對不同的檢測手段在原理、技術(shù)要點(diǎn)等方面的特點(diǎn)，進(jìn)行了現(xiàn)有檢測技術(shù)的對比分析，具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞 預(yù)應(yīng)力梁橋；預(yù)應(yīng)力損失；檢測技術(shù)；檢測方案

中圖分類號 TU757 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0108-03

0 引言

預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)隨著運(yùn)營年限的不斷增加，其預(yù)應(yīng)力損失逐漸增大，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)使用安全和使用年限，積極強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失檢測，及時、準(zhǔn)確地了解橋梁工作狀態(tài)，從而科學(xué)采取處治措施，保證橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)營。為此，該文針對預(yù)應(yīng)力橋梁預(yù)應(yīng)力損失檢測技術(shù)展開綜合研究，對提高預(yù)應(yīng)力損失檢測技術(shù)水平，保證橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)營有著重要意義[1]。

1 預(yù)應(yīng)力檢測指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)

預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用相對較晚，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對于有效預(yù)應(yīng)力與張拉控制應(yīng)力之間的關(guān)系并未給出具體說明。最新實(shí)施的《橋梁工程施工技術(shù)規(guī)程》以質(zhì)量檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為預(yù)應(yīng)力張拉控制的基本依據(jù)，即控制預(yù)應(yīng)力張拉完畢，預(yù)應(yīng)力筋錨下有效預(yù)應(yīng)力需滿足設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力基本要求，允許偏差應(yīng)小于±5%，同時相同斷面位置預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力不均勻度應(yīng)控制在±2%范圍內(nèi)[2-3]。以fpk=1 860 MPa、φ=15.2 mm的預(yù)應(yīng)力筋為例，其張拉完成后錨下有效預(yù)應(yīng)力控制要求如表1所示。

具體應(yīng)用時，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的張拉控制應(yīng)力具體是指錨下預(yù)應(yīng)力，它是在充分考慮錨夾具收縮及錨環(huán)口部位預(yù)應(yīng)力損失后得到的真實(shí)預(yù)應(yīng)力，與千斤頂讀數(shù)存在較大差異。因此，檢測評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)結(jié)合最新實(shí)施的《橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力檢測評價標(biāo)準(zhǔn)》所明確的錨下有效預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)施科學(xué)評定。

2 現(xiàn)有主要檢測技術(shù)

2.1 智能反拉檢測技術(shù)

反拉法工藝相對簡便，準(zhǔn)確度高，是現(xiàn)階段較為常用的預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)。后張法張拉作業(yè)時，利用反拉法對有效預(yù)應(yīng)力實(shí)施檢測，需在孔道壓漿前完成，以有效防止?jié){體與預(yù)應(yīng)力束相互干擾，避免對縱向受力情況造成的影響。反拉法主要包括單根張拉與整束張拉兩種類型[4]。

2.1.1 理論基礎(chǔ)

如圖1所示為反拉過程受力原理示意圖，選擇錨下結(jié)構(gòu)體系中的單個錨夾片及單根預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行分析。反拉作業(yè)時，拉力經(jīng)錨具逐步作用于夾片之上，將其固定于錨固位置，并同時承受預(yù)應(yīng)力筋傳遞的縱、橫向反力作用，而在檢測錨下預(yù)應(yīng)力時，只需錨具對夾片的橫向反力作用[5]。按照力學(xué)平衡理論，得出預(yù)應(yīng)力筋與夾片受力關(guān)系，即錨下應(yīng)力F3=反拉力F1+錨具對夾片橫向反力F2；反拉施工時，反拉力與位移變化主要分為3個階段，具體如圖2所示。

階段（1）：施加反拉力F1，并逐步增大，千斤頂與錨具間距離不斷縮小，位移增加速率顯著增大；此階段反拉力與位移斜率逐漸增大，如OA段所示。

階段（2）：該階段為錨夾具端部彈性增長階段，如AB段所示。隨著反拉力持續(xù)增加，千斤頂與錨夾具逐步緊貼，形成整體受力結(jié)構(gòu)，該狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生彈性變形，斜率不變；并且錨具對夾片橫向作用反力F2持續(xù)減小，但結(jié)構(gòu)整體仍處于受力平衡狀態(tài)。假設(shè)此階段預(yù)應(yīng)力筋外露長度為l1，則伸長量Δl1=F1l1/EA，斜率則為K=F1/Δl1=EA/l1。而當(dāng)F1逐漸增加至與錨下應(yīng)力F3相同時，F(xiàn)2減小為零，該條件下錨具與夾片分離，達(dá)到臨界狀態(tài)。

階段（3）：該階段曲線跨越臨界點(diǎn)B，處于BC段位置。假設(shè)預(yù)應(yīng)力筋錨下自由段長度增量為Δl2（Δl2gt;Δl1），則該狀態(tài)下隨著F1逐漸增大，曲線斜率越來越小，K=F1/Δl1=EA/l1+Δl2。

綜上所述，根據(jù)力學(xué)平衡關(guān)系，確定臨界點(diǎn)B處的反拉力為該預(yù)應(yīng)力筋錨下有效應(yīng)力。

2.1.2 反拉法檢測技術(shù)要點(diǎn)

現(xiàn)階段，反拉法是最為常用的預(yù)應(yīng)力檢測方法，實(shí)際應(yīng)用時，為有效確保檢測準(zhǔn)確性，需嚴(yán)格注意以下幾個方面：

（1）反拉法檢測會在一定程度上損傷預(yù)應(yīng)力筋，實(shí)際檢測時，如果采用反拉法對所有錨下預(yù)應(yīng)力筋實(shí)施檢測，勢必會嚴(yán)重影響橋梁整體力學(xué)特性，因此，常規(guī)檢測時，通常選擇其中一部分錨具中的單根預(yù)應(yīng)力筋實(shí)施檢測，最大限度地降低預(yù)應(yīng)力筋損傷，保證結(jié)構(gòu)承載性能。

（2）反拉力檢測主要通過力傳感器完成，其量程為被檢測對象錨下應(yīng)力反拉力的1.3～1.5倍，精確度應(yīng)大于滿量程的1.0%，位移傳感器量程、精確度分別為0～50 mm和0.02～0.05 mm。

（3）盡管反拉法應(yīng)用取得了顯著效果，但主要是針對建設(shè)中的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)及少數(shù)運(yùn)營中的無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而對于后張法注漿后及現(xiàn)役有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)檢測效果較差，因此，在對現(xiàn)役橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施預(yù)應(yīng)力檢測時，不可采用此方法[6-7]。

2.2 光纖光柵傳感器檢測技術(shù)

光纖傳感器檢測技術(shù)是一種建立在光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的新興技術(shù)手段，主要適用于體內(nèi)及體外結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力檢測。此技術(shù)中以光纖光柵傳感器檢測技術(shù)最為常用。

2.2.1 理論基礎(chǔ)

光纖是利用特定光學(xué)材料制成的光波導(dǎo)材料，當(dāng)外界溫度、濕度、應(yīng)力等各方面條件產(chǎn)生變化時，其內(nèi)部光波頻率、強(qiáng)度等相關(guān)指標(biāo)均會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致測量波長發(fā)生變化，以此推導(dǎo)出造成此波長變化的溫度、應(yīng)力等相關(guān)指標(biāo)。光纖Bragg光柵主要指的是單模摻鍺光纖通過光線照射成柵技術(shù)生成的新型光纖光柵，光纖成柵后折射率產(chǎn)生規(guī)律性分布紋理，并產(chǎn)生Bragg光柵效應(yīng)。其具體能量分配情況如圖3所示。

由于光纖Bragg光柵主要是利用芯區(qū)折射率變化，生成細(xì)小周期性調(diào)節(jié)成型，此類周期性干擾僅對會特定光譜產(chǎn)生影響，以此實(shí)現(xiàn)光波選擇的目的。因此，普通光源會完全穿透Bragg光柵不產(chǎn)生任何作用，僅有波長為λB的光源會在Bragg光柵內(nèi)部折射后回到原點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對光波的選擇。Bragg光柵在外界荷載作用下，反射波長計(jì)算公式如式（1）所示：

λB=2neff Λ （1）

式中，λB——Bragg反射波長；neff ——芯區(qū)折射率；Λ——光纖周期，通過調(diào)節(jié)兩相干紫外線夾角獲得。

2.2.2 光纖光柵傳感器檢測技術(shù)要點(diǎn)

光纖光柵傳感器所特有的性能優(yōu)勢，使其在橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力檢測中得到了較好的應(yīng)用，其檢測技術(shù)要點(diǎn)如下：

（1）光纖材料具有優(yōu)良的傳導(dǎo)性能，且傳導(dǎo)時擁有良好的防護(hù)措施，能顯著增強(qiáng)應(yīng)對惡劣環(huán)境的能力，可用于所有橋梁結(jié)構(gòu)檢測。

（2）準(zhǔn)確性高，以光反射波長位移為應(yīng)變換算指標(biāo)，檢測范圍較大。

（3）Bragg波長位移為絕對位移，可隨時獲得檢測數(shù)據(jù)，不需要檢測人員長期入駐現(xiàn)場，針對橋梁結(jié)構(gòu)長期預(yù)應(yīng)力監(jiān)測較為適用。

（4）抗剪性能相對較差，并且對溫度較為敏感，高溫條件下指標(biāo)修正難度較大，因此對于溫度較高環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力檢測不宜采用該技術(shù)。

2.3 超聲波檢測技術(shù)

超聲檢測法包括聲速檢測法和頻譜分析法2種類型，其中聲速檢測法應(yīng)用較為廣泛。

2.3.1 聲速測量法檢測錨下應(yīng)力的理論基礎(chǔ)

此方法主要是根據(jù)聲彈性理論，利用聲波在介質(zhì)中的變化造成的時間變化規(guī)律，得到結(jié)構(gòu)內(nèi)、外應(yīng)力變化情況，具體包括相位對比法、聲時測量法、臨界角測量法等。

相位對比法主要是通過對比反射波與相鄰?fù)l率波相位，進(jìn)而得到聲波傳輸時間。臨界角測量法則是根據(jù)折射角與縱、橫波變化情況，得到聲速變化規(guī)律，但因技術(shù)限制，折射角測量難以實(shí)現(xiàn)，因此目前此技術(shù)未得到有效應(yīng)用。聲時測量法主要是利用聲波發(fā)射器釋放聲波，以鋼絞線為聲波傳遞介質(zhì)，利用鋼絞線末端接收器測量出鋼絞線工作狀態(tài)下內(nèi)部聲波傳播時間，根據(jù)聲時—應(yīng)力變化曲線得到鋼絞線內(nèi)部實(shí)際應(yīng)力值。

2.3.2 超聲波檢測技術(shù)的要點(diǎn)

超聲波具有較強(qiáng)的穿透力，能夠在大厚度介質(zhì)中傳播，且具有優(yōu)良的方向性，能夠?qū)嵤┒ㄏ驒z測。

采用超聲波檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力的科學(xué)檢測，并能完成對鋼絞線內(nèi)預(yù)應(yīng)力檢測；同時，利用超聲檢測技術(shù)能夠全面獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布情況。此外，通過電磁轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的無接觸檢測，避免對結(jié)構(gòu)造成破壞，具有安全、高效等優(yōu)點(diǎn)。

3 現(xiàn)有檢測技術(shù)對比分析

現(xiàn)階段，常用的預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)對比情況如表2所示。

通過表2能夠看出：①從檢測的準(zhǔn)確性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等各個角度來看，雖然所有檢測技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，甚至有些檢測技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非接觸性檢測，達(dá)到真正的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，但所有研究均是在理想環(huán)境條件下展開的，而在實(shí)際檢測時，其準(zhǔn)確性往往無法保證，而且由于傳感器屬于精密性儀器，外界環(huán)境條件下極易產(chǎn)生破壞；②從本質(zhì)來看，反拉法是對鋼絞線的二次張拉，以此確定鋼絞線內(nèi)部實(shí)際預(yù)應(yīng)力。但錨固時難免會產(chǎn)生錨具變形、夾片收縮等狀況，影響檢測結(jié)果準(zhǔn)確性，通過設(shè)置在錨具上的傳感器，能夠?qū)Υ祟A(yù)應(yīng)力損失實(shí)施檢測，此方法對于錨下預(yù)應(yīng)力損失檢測較為可行；③通過在橋梁結(jié)構(gòu)表面或鋼絞線內(nèi)部設(shè)置應(yīng)變傳感器、磁通量感應(yīng)器，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失檢測，且能有效防止對結(jié)構(gòu)造成破壞。

4 結(jié)論

綜上所述，對預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施預(yù)應(yīng)力損失檢測，能夠及時、準(zhǔn)確地了解橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全性、可靠性。該文從受力特征、技術(shù)要點(diǎn)、準(zhǔn)確性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等不同角度，對現(xiàn)有檢測技術(shù)實(shí)施對比分析，具體結(jié)論如下：

（1）按照對橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度不同，主要包括無損檢測、局部有損檢測兩種類型。局部有損檢測主要包含反拉法、應(yīng)力釋放法；而無損檢測則是利用超聲波、電磁感應(yīng)等手段，在不破壞結(jié)構(gòu)完整性的前提下，實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)錨下應(yīng)力檢測。現(xiàn)階段，常用的無損檢測技術(shù)主要包括光纖光柵傳感器檢測法、超聲波檢測法、磁通量檢測法等。

（2）從檢測技術(shù)原理、準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等不同角度，對橋梁預(yù)應(yīng)力T梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失實(shí)施綜合分析，實(shí)際檢測時，應(yīng)根據(jù)張拉部位、結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)特征及T梁內(nèi)部構(gòu)造等各方面因素，科學(xué)選擇預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)，以有效提升檢測的準(zhǔn)確性和有效性，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性與可靠性。

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