基于盲孔法的鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測識別技術(shù)

張志國，吳冀橋，張彩亮，許 琪，陳葉鑫，王澤遠(yuǎn)

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.武漢江騰鐵路工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430063；4.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

近年來,預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于橋梁、巖土等工程領(lǐng)域,有效預(yù)應(yīng)力大小是衡量在役預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工作性能的重要指標(biāo)。鋼絞線作為鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中預(yù)應(yīng)力的主要載體,準(zhǔn)確識別其有效預(yù)應(yīng)力是在役鐵路橋梁安全性評判的重要內(nèi)容,可降低結(jié)構(gòu)因預(yù)應(yīng)力失效而造成的梁體開裂甚至坍塌事故風(fēng)險[1]。另外,國內(nèi)諸如大秦鐵路、朔黃鐵路等面臨重載改造,鐵路橋梁中預(yù)應(yīng)力鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力大小的識別對改造工程也有重要參考作用[2]。劉永前等[3]對朔黃鐵路等重載鐵路常用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁梁端斜裂縫的產(chǎn)生機理進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗研究,發(fā)現(xiàn)梁端最大主拉應(yīng)力及剪應(yīng)力隨梁體預(yù)應(yīng)力損失的增大而增加,尤其在梁端截面中性軸附近位置處的最大剪應(yīng)力增幅極為明顯,是梁端斜裂縫產(chǎn)生的重要因素。薛繼連[4]通過對朔黃鐵路39座橋涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位試驗,以及對更換下來的32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁進(jìn)行靜載開裂試驗,分析不同跨度及截面高度橋梁在大軸重載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并提出采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁體來提高其抗裂性能。目前,國內(nèi)外識別鋼絞線有效應(yīng)力的方法眾多,按照檢測方法特性可分為直接檢測和間接檢測,直接檢測法是利用檢測儀器直接拾取鋼絞線的位移、電磁、聲、波等物理信號,通過這些物理信號和鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力建立起對應(yīng)關(guān)系,由此直接得到鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的大小,常見的直接檢測方法有拉脫法、橫張增量法、振動法、波動法、電磁檢測法、超聲導(dǎo)波法、切割法等,這類方法存在較苛刻的使用條件,精度受測試過程影響較大、理論基礎(chǔ)尚不完善,有的方法還會對結(jié)構(gòu)造成較大二次損傷等問題,導(dǎo)致難以在既有預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力檢測中得以廣泛推廣。間接檢測方法常見于預(yù)應(yīng)力混凝土梁的有效預(yù)應(yīng)力識別,建立有效預(yù)應(yīng)力和梁體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性之間的關(guān)系,通過一定手段檢測混凝土梁的性能再反算出鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力大小,常見的間接檢測方法有:局部應(yīng)力釋放法、消壓彎矩法、動力測試法、等效質(zhì)量法等[5]。由于混凝土材料本身的復(fù)雜性能特征,以及其性能還會隨時間產(chǎn)生徐變和劣化,加之預(yù)應(yīng)力多束配置的相互影響,通過性能檢測再間接反推預(yù)應(yīng)力的方法本身存在著先天不足,不可避免地會造成較大離散性和系統(tǒng)誤差,實際測試精度如何保證尚需進(jìn)一步展開研究。另外,間接法還需要施加較大的載荷試驗,這在實際工程中,尤其對已存病害的橋梁實施具有較大的安全風(fēng)險隱患,甚至是無法實現(xiàn)的。

綜上所述,盡管針對鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力已經(jīng)探索了很多不同的檢測方法,但尚未形成一種公認(rèn)的有效方法。鑒于當(dāng)前國內(nèi)外還沒有一種簡單有效、普適性強、精準(zhǔn)可靠的鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測方法,本文在已有研究基礎(chǔ)上,提出采用盲孔法識別鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的方法,以期在檢測精度和對梁體局部破損之間尋找平衡點,建立一種新型的局部損傷檢測方法。這種局部損傷不至于對橋梁性能造成影響,而且可根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行修補恢復(fù)。

盲孔法屬于局部應(yīng)力釋放法中的一種,目前國內(nèi)外對應(yīng)力釋放法已有系列研究。1934年,Mathar[6]首次提出通過測量構(gòu)件鉆孔后孔邊應(yīng)變來確定金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力,后由Soete等[7]發(fā)展完善而形成較系統(tǒng)的理論方法。經(jīng)過多年發(fā)展,逐漸形成了盲孔法、鉆孔法、環(huán)孔法、剝層法、開槽法等多種對金屬構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力釋放及殘余應(yīng)力識別的方法。Mainjot等[8]提出采用積分法來檢測不均勻殘余應(yīng)力場的殘余應(yīng)力,擴大了盲孔法檢測金屬殘余應(yīng)力的適用范圍。

盲孔法從早期的檢測金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力發(fā)展到現(xiàn)在的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件檢測。1999年,楊勇等[9]提出了使用應(yīng)力釋放法計算預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失值的思路,并運用該法對某預(yù)應(yīng)力T形剛構(gòu)橋進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力檢測。2003年,戴福隆等[10]提出用云紋干涉法測量位移信息代替應(yīng)變片測量應(yīng)變信息來確定鉆孔法的孔周殘余應(yīng)力,得到了鉆孔釋放的位移與殘余應(yīng)力的關(guān)系。2009年,劉玲晶[11]對一片3 m長預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了環(huán)孔法試驗研究,分析了鋼束位置對測點應(yīng)力釋放值的影響,并給出了估算現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的經(jīng)驗公式。2010年,英國學(xué)者Schajer[12]分析總結(jié)了鉆孔法這些年取得的進(jìn)展,并指出在有著先進(jìn)溫度控制、振動隔絕的實驗室中利用光纖技術(shù)測量鉆孔表面微量位移將成為有效預(yù)應(yīng)力檢測未來的發(fā)展方向。2012年,周晶[13]使用有限元軟件對預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁進(jìn)行建模,在箱梁跨中底板進(jìn)行鉆孔,分析了改變孔深、孔徑時孔周邊的應(yīng)力分布情況以及對應(yīng)力集中系數(shù)的影響。2014年,劉志勇[14]以既有鐵路簡支T梁為研究對象,采用開槽法、消壓彎矩法以及結(jié)合理論計算對試驗梁的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了識別,證實了開槽法在實際工程中具有一定可行性。2015年,Bl?dorn等[15]提出盲孔法鉆孔時若沒有適當(dāng)控制時,可能在孔壁中引入額外的應(yīng)力,繼而影響盲孔法測量的準(zhǔn)確性。2018年,毛碩[16]通過對一片預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行ANSYS有限元建模模擬和現(xiàn)場試驗相互印證的方法得出,開槽法試驗應(yīng)力釋放至零的切割深度與兩條平行槽間距之比為0.32～0.34,且數(shù)值模擬了相同尺寸的環(huán)孔、方孔、平行槽的應(yīng)力釋放為零的開槽深度,發(fā)現(xiàn)開槽深度與開槽的方式基本無關(guān)。2019年,Lee等[17]提出一種基于應(yīng)力釋放法(SRM)和數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)相結(jié)合的混凝土結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力估算方法。與應(yīng)變計的逐點測量相比,DIC獲得的全場位移數(shù)據(jù)量更大,估算結(jié)果精度更高。2020年,馬騰[18]對聯(lián)合加載應(yīng)力釋放過程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)通過施加一定大小的荷載消壓,可以減小開槽法應(yīng)力釋放的深度,工程上可以利用這一點減小開槽法檢測有效預(yù)應(yīng)力時對梁體的損傷。

本文在金屬構(gòu)件及混凝土應(yīng)力釋放法現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,提出在鋼絞線上鉆盲孔來識別鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的方法,通過ANSYS有限元軟件對預(yù)應(yīng)力混凝土常用七絲鋼絞線鉆孔過程進(jìn)行仿真計算來探索鋼絞線鋼絲鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放規(guī)律,并對影響應(yīng)力釋放過程的鉆孔參數(shù)進(jìn)行影響規(guī)律分析,以獲取合適的鉆孔參數(shù),來指導(dǎo)鋼絞線實際鉆孔試驗,并驗證鉆孔應(yīng)力釋放規(guī)律的正確性及鉆孔參數(shù)的合理性;同時,據(jù)試驗結(jié)果建立鉆孔后孔邊應(yīng)變釋放量與鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系,并對其誤差及其適用性進(jìn)行分析。

1 基本假定與盲孔法基本原理

基于盲孔法識別預(yù)應(yīng)力鋼絞線,主要遵循以下基本假定:

(1)線彈性假定。鋼絞線在鉆孔過程中除鉆孔位置外,其周邊材料仍處于彈性受力狀態(tài),各根鋼絲均處于彈性工作階段。

(2)均勻性假定。鋼絞線張拉后,遠(yuǎn)離邊界條件的區(qū)域,外圍鋼絲的應(yīng)力狀態(tài)基本相同。

(3)單向應(yīng)力狀態(tài)假定。鋼絞線鋼絲受拉后近似處于沿軸向單向受拉應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力釋放過程中假定各鋼絲之間接觸面摩擦系數(shù)保持不變。

本文盲孔法是借鑒在混凝土表面開槽、鉆孔等應(yīng)力釋放識別法以及鋼板表面鉆孔反算殘余應(yīng)力方法基礎(chǔ)上,考慮鋼絞線本身結(jié)構(gòu)組成及受力特征,把張拉后鋼絞線各組成鋼絲近似看作處于軸向受拉的單向應(yīng)力狀態(tài),通過采用專用合金鉆頭在鋼絲直徑上鉆某一深度、一定直徑的盲孔后,測得孔邊釋放應(yīng)變,由此反算出鋼絲有效應(yīng)力,進(jìn)而得到整根鋼絞線有效應(yīng)力的一種方法。該法的核心是建立鉆孔釋放應(yīng)變和鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系,具體實施時,可以將仿真模擬和試驗驗證相結(jié)合,建立反映二者之間關(guān)系的擬合公式,然后隨工程應(yīng)用數(shù)據(jù)積累不斷完善。

2 鋼絞線鉆孔精細(xì)化分析模型

本文采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計算,模型采用8節(jié)點Solid185實體單元建立,將鋼絞線縱軸線方向設(shè)為z軸,將鉆孔方向設(shè)為y軸,x軸垂直于z-y軸所構(gòu)成的平面,見圖1。鋼絞線兩端邊界條件為一端固定,一端張拉。七絲鋼絞線的建模參數(shù)取自規(guī)范GB/T 5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》[19]與GB/T 5223—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》[20],采用1860級鋼絲和鋼絞線,具體數(shù)值見表1。

圖1 鋼絞線鉆孔有限元模型

表1 1×7鋼絞線幾何及力學(xué)參數(shù)

本研究主要探討鋼絞線在線彈性階段張拉鉆孔應(yīng)力釋放規(guī)律,鋼絞線鋼絲采用彈性本構(gòu)模型建模,由于模型是基于鋼絞線單根鋼絲的精細(xì)化建模,故模型彈性模量應(yīng)以單根鋼絲的為準(zhǔn),本文取鋼絲彈性模量E=2.05×105MPa。模型長度經(jīng)過多組仿真結(jié)果對比,綜合考慮計算精度和計算效率,選取60 mm長度建模。鋼絞線之間的接觸關(guān)系采用面面接觸,通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[21],接觸單元選擇Targe170和Conta174,建立外圍鋼絲之間、外圍鋼絲與中心鋼絲之間共計12對接觸對,接觸面之間的摩擦系數(shù)取0.15,考慮標(biāo)準(zhǔn)接觸行為,采用系統(tǒng)默認(rèn)的增廣Lagrange乘子法進(jìn)行接觸計算。單元網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格,對于要進(jìn)行鉆孔的鋼絲,鉆孔區(qū)域周圍網(wǎng)格尺寸采用0.1 mm,孔邊應(yīng)力釋放區(qū)網(wǎng)格尺寸采用0.2 mm,遠(yuǎn)離應(yīng)力釋放區(qū)網(wǎng)格尺寸采用1 mm,對于不需進(jìn)行鉆孔的中心直鋼絲和外圍其他5根螺旋鋼絲,網(wǎng)格尺寸均采用1 mm,網(wǎng)格劃分采用體掃略和體映射相結(jié)合方式,見圖2。

圖2 七絲鋼絞線鉆孔后網(wǎng)格劃分

模型的仿真計算過程為先張拉,后鉆孔。最大張拉力按工程施工常用張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fpk=1 395 MPa進(jìn)行施加,鉆孔參數(shù)由鉆孔半徑和鉆孔深度確定,將鉆孔半徑分別取0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm五種規(guī)格,鉆孔深度分別取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm五種情況,共形成25組不同孔徑、鉆孔深度的組合工況,為方便實際操作僅考慮在外絲外表面進(jìn)行鉆孔,用符號RaHb表示各組合工況參數(shù),含義為Ra代表鉆孔半徑和半徑大小,Hb代表鉆孔深度和深度數(shù)值。

3 仿真結(jié)果及參數(shù)影響分析

3.1 鋼絞線鉆孔應(yīng)力釋放仿真計算結(jié)果

為便于描述仿真試驗結(jié)果,作如下定義:將鋼絲節(jié)點距離鉆孔左右邊緣的z向(鋼絞線軸向)距離定義為孔邊距;將鉆孔前后,鋼絲表面孔左右兩邊節(jié)點處的z向應(yīng)力差值定義為這一節(jié)點的應(yīng)力釋放量;某一節(jié)點應(yīng)力釋放量與鉆孔前應(yīng)力的比值被稱為該節(jié)點的應(yīng)力釋放率。

以鋼絞線R0.5H1.5工況模型為例展示仿真結(jié)果,鉆孔前后,鋼絞線的z向應(yīng)力云圖見圖3。

圖3 鉆孔前后鋼絞線z向應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖3(a)、圖3(b)顯示了鋼絞線受拉后的應(yīng)力云圖,由于存在邊界條件、鋼絞線各絲間復(fù)雜接觸關(guān)系的影響,從整體上看,圖3(a)中鋼絞線應(yīng)力分布關(guān)系比較復(fù)雜,似乎缺少規(guī)律性。但在距離邊界較遠(yuǎn)的模型跨中附近,應(yīng)力云圖表現(xiàn)出明顯規(guī)律性,從跨中截面z向應(yīng)力云圖可以看出,中心鋼絲的應(yīng)力比外圍鋼絲應(yīng)力大,且外圍鋼絲截面應(yīng)力分布并非均勻,而是分層分布,靠近中心鋼絲的內(nèi)層應(yīng)力比遠(yuǎn)離中心鋼絲的外層應(yīng)力大,這一規(guī)律與鋼絞線各根鋼絲間復(fù)雜的扭絞接觸關(guān)系相符合。

圖3(c)、圖3(d)顯示了鋼鉸線鉆孔后的應(yīng)力云圖。鋼絞線鉆孔后,被鉆孔鋼絲孔邊附近出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象。沿鋼絞線軸線方向,孔邊拉應(yīng)力釋放為零甚至變?yōu)閴簯?yīng)力,隨孔邊距的增加,應(yīng)力釋放量逐漸減小。沿鉆孔上下邊緣,孔邊產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),應(yīng)力集中系數(shù)最大值為2.982,應(yīng)力集中效應(yīng)在遠(yuǎn)離鉆孔上下邊緣時逐漸削弱。沿鉆孔深度方向,在孔深范圍內(nèi)鋼絲內(nèi)部應(yīng)力分布與表面分布規(guī)律相同,未鉆通部分由于截面削弱應(yīng)力增加。

通過ANSYS路徑命令,提取出鉆孔前后孔左右邊緣鋼絲表面沿軸線方向5 mm范圍內(nèi)節(jié)點的z向應(yīng)力值,二者相減得到此工況下孔邊節(jié)點應(yīng)力釋放量,進(jìn)而求得孔邊節(jié)點應(yīng)力釋放率,將數(shù)據(jù)繪制成曲線,見圖4。

圖4 工況R0.5H1.5時鋼絞線孔邊應(yīng)力釋放規(guī)律

從圖4可以看出,應(yīng)力釋放量曲線與應(yīng)力釋放率曲線隨孔邊距的變化趨勢相同。隨著孔邊距增加,應(yīng)力釋放量(率)逐漸下降,且下降趨勢由陡峭趨于平緩。從數(shù)值上看,在孔邊距為0 mm節(jié)點處,鉆孔后的應(yīng)力釋放量為1 321.9 MPa,應(yīng)力釋放率為98.52%;在孔邊距5 mm節(jié)點處,鉆孔后的應(yīng)力釋放量為30.4 MPa,應(yīng)力釋放率為2.25%?？走吘喑^5 mm后,孔邊節(jié)點應(yīng)力幾乎不受鉆孔影響,由此表明鉆孔應(yīng)力釋放過程發(fā)生在孔邊小范圍內(nèi),遠(yuǎn)離孔邊的鋼絲節(jié)點應(yīng)力幾乎不受鉆孔影響。

3.2 影響鉆孔應(yīng)力釋放的參數(shù)分析

對鉆孔半徑分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm,鉆孔深度分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm,共25種不同工況模型進(jìn)行鉆孔仿真計算,提取出各種工況下鉆孔左右邊緣5 mm范圍內(nèi)的應(yīng)力釋放量繪制成曲線。

圖5為在不同鉆孔半徑下,鉆孔深度對鋼絞線孔邊應(yīng)力釋放值的影響。

圖5 鉆孔深度對孔邊應(yīng)力釋放量的影響

從圖5可以看出,在同一尺寸鉆孔半徑工況下,孔邊同一位置處鋼絲應(yīng)力釋放量均隨鉆孔深度的增加而增加,最終趨近收斂,曲線收斂速度隨鉆孔半徑的增大而減緩。引入深徑比(孔深與孔徑之比)來表達(dá)應(yīng)力釋放曲線的收斂情況,對上述5種不同孔徑工況,若相鄰兩條應(yīng)力釋放曲線上各點的應(yīng)力釋放率差值的平均值k<1.5%,則認(rèn)為在該鉆孔深度下應(yīng)力釋放曲線已經(jīng)收斂,該工況在此鉆孔深徑比下已完成孔邊應(yīng)力釋放,k的表達(dá)式為

( 1 )

經(jīng)計算可得,當(dāng)鉆孔半徑為0.5 mm時,工況R0.5H1.5與R0.5H2.0之間的k=1.3%,孔邊應(yīng)力完成釋放的深徑比在3.0左右;當(dāng)鉆孔半徑為0.75 mm時,工況R0.75H1.5與R0.75H2.0之間的k=0.9%,孔邊應(yīng)力完成釋放的深徑比在2.0左右;當(dāng)鉆孔半徑為1.0 mm時,工況R1.0H2.0與R1.0H2.5之間的k=0.7%,孔邊應(yīng)力完成釋放的深徑比在2.0左右;當(dāng)鉆孔半徑為1.25 mm時,工況R1.25H2.5與R1.25H3.0之間的k=0.4%,孔邊應(yīng)力完成釋放的深徑比在2.0左右;當(dāng)鉆孔半徑為1.5 mm時,在鉆孔深度小于等于3.0 mm時,工況R1.5Hb各條相鄰兩曲線之間的k最小值為1.8%,計算范圍內(nèi)孔邊應(yīng)力釋放曲線未達(dá)到收斂。

從上述計算結(jié)果可以看出,在進(jìn)行盲孔法鉆孔試驗時,在孔徑取為0.50、0.75、1.00、1.25 mm時,理論上控制深徑比在2.0～3.0之間,即可實現(xiàn)鉆孔孔邊應(yīng)力的穩(wěn)定釋放。從中不難得出,當(dāng)所選取鉆孔的孔徑越大,為完成孔邊應(yīng)力釋放所必需的鉆孔孔深也要隨之增大,對鋼絲截面造成的削弱也就越嚴(yán)重,所以在實際進(jìn)行鉆孔釋放時,選取鉆孔孔徑越小越有利。

圖6為在不同鉆孔深度下,鉆孔半徑對鋼絞線孔邊應(yīng)力釋放值的影響。由圖6可以看出,在孔邊距一定的條件下,鋼絞線鋼絲應(yīng)力釋放量隨鉆孔半徑的增大而增大,且鉆孔越深,鉆孔半徑對應(yīng)力釋放量的影響越大。越靠近孔邊位置,鉆孔鋼絲應(yīng)力釋放量越大,曲線變化越陡,在一定范圍內(nèi)漸趨平緩。在孔深一定時,隨孔徑增加,應(yīng)力釋放曲線沒有出現(xiàn)收斂態(tài)勢,但在孔邊距超過2 mm后曲線逐漸趨于平緩,所以通過選定鉆孔半徑再進(jìn)行合理孔深確定更具合理性。

圖6 鉆孔半徑對孔邊應(yīng)力釋放量的影響

根據(jù)上述仿真結(jié)果,可以得到預(yù)應(yīng)力混凝土梁常用公稱直徑為15.2 mm七絲鋼絞線在利用盲孔法進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力識別時的鉆孔參數(shù)。為使鋼絞線孔邊應(yīng)力完成穩(wěn)定釋放,且盡量減小鋼絲截面受損面積的原則,同時鉆孔操作易于實現(xiàn)的要求,取基準(zhǔn)鉆孔半徑0.5 mm,最大鉆孔深度可取2.0～3.0 mm,選取外側(cè)鋼絲進(jìn)行鉆孔釋放試驗。

試驗時通過應(yīng)變片測量測點鉆孔前后的應(yīng)變變化,為使測量結(jié)果精度更高,應(yīng)變片的粘貼位置應(yīng)選擇應(yīng)變釋放量值明顯,曲線收斂,且應(yīng)變變化較為平緩的區(qū)域。對于試驗鉆孔參數(shù)的選擇,結(jié)合模擬分析結(jié)果將應(yīng)變片粘貼在孔邊距為2 mm處比較合適。

4 盲孔法識別鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力試驗驗證

4.1 試驗概況

為驗證仿真計算得出的鋼絞線鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放規(guī)律的正確性,以及進(jìn)一步探索鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力與孔邊應(yīng)力釋放量之間的關(guān)系。試驗采取的鉆孔參數(shù)基于仿真計算結(jié)果,為進(jìn)行數(shù)據(jù)比較,試驗時取基準(zhǔn)鉆孔半徑為0.50 mm,對照鉆孔半徑為0.75 mm共兩種鉆孔規(guī)格,鉆孔深度取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm五種,測點為鉆孔鋼絲上距鉆孔邊緣2 mm處位置以及相鄰鋼絲與鉆孔位置同一截面處。本次試驗鋼絞線采用天津大強鋼鐵有限公司生產(chǎn)的1×7-φ15.2-1860級鋼絞線,其樣品實測參數(shù)見表2。

表2 試驗用鋼絞線參數(shù)

本試驗采用應(yīng)變片測量鉆孔前后的應(yīng)變變化,為方便描述,用應(yīng)變釋放量代替仿真計算中應(yīng)力釋放量進(jìn)行討論分析。具體試驗流程為:

①試驗鋼絞線的截取。截取(105±5)cm長度鋼絞線若干用于張拉鉆孔試驗;②應(yīng)變片粘貼。每根試件粘貼三枚應(yīng)變片,具體見圖7;③鋼絞線張拉及鉆孔。利用夾具將試件固定在萬能試驗機上,通過萬能試驗機的電控系統(tǒng)設(shè)置張拉參數(shù)進(jìn)行鋼絞線張拉持荷,待達(dá)到預(yù)定張拉應(yīng)力后對鋼絞線鉆孔。

本試驗共設(shè)置10組不同工況下的鋼絞線進(jìn)行鉆孔,每組工況試驗兩次,具體包括:外絲鉆孔半徑0.5 mm工況8組,編號1～8。每組鉆孔深度1.0～3.0 mm,初始張拉力分別為0、0.2σcon、0.4σcon、0.6σcon、0.7σcon、0.8σcon、0.9σcon、1.0σcon;外絲鉆孔半徑0.75 mm工況2組,編號9、10。每組鉆孔深度1.0～3.0 mm,初始張拉力分別為0、1.0σcon。其中,1和9組試驗為無應(yīng)力下的鋼絞線鉆孔,其目的在于得到鋼絞線鉆孔時產(chǎn)生的加工應(yīng)變;2～8組為鉆孔半徑0.5 mm時分別施加0.2σcon、0.4σcon、0.6σcon、0.7σcon、0.8σcon、0.9σcon、1.0σcon張拉應(yīng)力時的鋼絞線鉆孔試驗,其目的在于建立鋼絞線鉆孔后孔邊應(yīng)變釋放量和有效預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系;10組為鉆孔半徑為0.75 mm時張拉力為1.0σcon的鋼絞線鉆孔試驗,通過和8組試驗數(shù)據(jù)對比驗證鋼絞線孔邊應(yīng)變釋放量受鉆孔半徑的影響規(guī)律。

4.2 盲孔法試驗結(jié)果

4.2.1 無應(yīng)力下鋼絞線鉆孔試驗結(jié)果

對1組和9組試件進(jìn)行無應(yīng)力下鉆孔試驗。得出鉆孔時鉆頭擠壓作用以及鋼絞線內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放對待測點位應(yīng)變的影響,對測量結(jié)果取平均值,得到不同鉆孔半徑、鉆孔深度下的鋼絞線無應(yīng)力鉆孔加工應(yīng)變,見表3。

表3 鉆孔加工應(yīng)變量

從表3可以看出,隨鉆孔深度和鉆孔半徑的增加,鉆孔加工應(yīng)變持續(xù)增大,為更精確測得鋼絲鉆孔后的應(yīng)變釋放量,將下文鉆孔后所測數(shù)據(jù)均扣除相應(yīng)鉆孔加工應(yīng)變量后列出。

4.2.2 有應(yīng)力下鋼絞線鉆孔試驗結(jié)果

將鋼絞線在萬能試驗機上張拉到預(yù)定荷載,然后對已標(biāo)記的點位進(jìn)行鉆孔,鉆孔前后通道1和2測得的應(yīng)變釋放量的平均值作為該試件平均應(yīng)變釋放量,將各組兩次試驗得到的平均應(yīng)變釋放量取均值得到該組工況下的鋼絞線鉆孔孔邊應(yīng)變釋放量平均值,各組工況下應(yīng)變釋放量平均值隨鉆孔深度的變化曲線,見圖8。

圖8 不同工況應(yīng)變釋放量隨鉆孔深度的變化

由圖8可以看出,鉆孔半徑為0.5 mm的試件,隨張拉力和鉆孔深度的增加,孔邊應(yīng)變釋放量均呈現(xiàn)增大趨勢,且當(dāng)鉆孔深度超過2.0 mm時曲線開始收斂,隨張拉力逐漸增大,鉆孔加工應(yīng)變等因素的干擾愈發(fā)微弱,曲線的變化趨勢更為一致。

鉆孔半徑為0.75 mm試件的孔邊應(yīng)變釋放量要遠(yuǎn)大于同等張拉力下鉆孔半徑為0.5 mm的試件,且在鉆孔深度由1.0 mm變化到3.0 mm的過程中,應(yīng)變釋放量持續(xù)增大,沒有收斂態(tài)勢。曲線所顯示出的鋼絞線鉆孔孔邊應(yīng)變釋放規(guī)律與仿真計算所得基本一致,但又有所區(qū)別。仿真計算得出,鉆孔深徑比在2.0～3.0時,應(yīng)力釋放曲線已達(dá)收斂,然而經(jīng)過試驗,發(fā)現(xiàn)鉆孔半徑0.5 mm孔邊應(yīng)變收斂深徑比在4.0～5.0,收斂速度明顯慢于仿真計算值,經(jīng)過分析,發(fā)現(xiàn)實際鉆孔的形狀為上粗下細(xì)的子彈頭狀,有別于仿真模擬的圓柱狀,從而使二者收斂速度產(chǎn)生差異,見圖9。

圖9 鉆孔形狀(單位:mm)

通過改變模型中鉆孔形狀,使其成為尾部為半徑0.5 mm半球的子彈頭狀,再次進(jìn)行仿真計算分析驗證。與圓柱狀小孔相比,子彈頭狀小孔內(nèi)部邊緣更趨光滑連續(xù),仿真計算結(jié)果表明,在同等鉆孔深度下,后者孔型情況鋼絞線鋼絲同一位置處鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放率更低,應(yīng)力釋放量收斂速度更為緩慢,收斂深徑比更大,且與鉆孔試驗結(jié)果更接近,表明上述修正后的孔型具有合理性,可信度也更高,二者收斂深徑比對比結(jié)果見表4。

表4 兩種孔型鉆孔應(yīng)力釋放量收斂深徑比對比

另外,通過分析每組試驗通道3的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在鉆孔過程中相鄰鋼絲與鉆孔鋼絲間的接觸摩擦力對鉆孔鋼絲鉆孔后的應(yīng)力重分布過程起了限制作用,削弱了鋼絲鉆孔后的拉伸效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致相鄰鋼絲在二者相互作用下應(yīng)變增加,且隨張拉力、鉆孔深度、鉆孔半徑的增加,相鄰鋼絲的應(yīng)變增幅逐漸變大。以鉆孔半徑0.5 mm,鉆孔深度2.5 mm,初始張拉應(yīng)力 1 395 MPa 張拉鉆孔工況為例,張拉至預(yù)定張拉力后3通道應(yīng)變讀數(shù)(με)為2 311.0,鉆孔后3通道應(yīng)變讀數(shù)(με)為2 504.0,鉆孔后相鄰鋼絲應(yīng)變與鉆孔前應(yīng)變之比為1.084。以上分析表明,鉆孔鋼絲應(yīng)力釋放后,由于相鄰鋼絲間接觸擠壓及其摩擦作用,相鄰鋼絲應(yīng)變出現(xiàn)增加,根據(jù)本文試驗結(jié)果最大增長比率在5%～8%范圍內(nèi)。由于本文有效預(yù)應(yīng)力識別擬合公式是以試驗結(jié)果為基礎(chǔ),實際上已計入這個應(yīng)力重分布的影響,而且其對應(yīng)力釋放量影響較小,對鋼絞線有效應(yīng)力識別效果不會造成影響。

4.2.3 鉆孔應(yīng)變釋放量與鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力關(guān)系

前面分析得出鋼絞線鋼絲鉆孔后孔邊應(yīng)變釋放量是隨孔深的增加逐漸增加直至收斂,通過鉆孔半徑0.5 mm試驗數(shù)據(jù)及曲線圖可以看出,當(dāng)鉆孔深度超過2 mm時,應(yīng)變釋放量曲線開始收斂;當(dāng)鉆孔深度達(dá)到2.5 mm時,應(yīng)變釋放量基本不再隨孔深變化。這一規(guī)律為尋找鋼絞線盲孔法試驗時鉆孔應(yīng)變釋放量與有效預(yù)應(yīng)力之間的定量關(guān)系提供了前提條件。下面基于試驗得到的鉆孔半徑0.5 mm,鉆孔深度2.5 mm工況下的實測數(shù)據(jù)對鉆孔應(yīng)變釋放量與有效預(yù)應(yīng)力之間進(jìn)行最小二乘法曲線擬合。每組試驗做2次,每次試驗得到通道1和2兩組數(shù)據(jù),在某一初始應(yīng)力下按上述工況鉆孔獲取的數(shù)據(jù)共4組。擬合曲線見圖10。

圖10 鉆孔應(yīng)變釋放量與有效預(yù)應(yīng)力擬合曲線

擬合函數(shù)為二次函數(shù)曲線,其方程為

( 2 )

式中:Tc為鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力計算值;εrs為測點處的應(yīng)變釋放量實測值。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2=0.974 1,表明擬合程度較好。

為減小偶然誤差,取同一試件上通道1和2的應(yīng)變釋放量的平均值計算鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力值。為檢驗擬合公式計算出的有效預(yù)應(yīng)力和實際有效預(yù)應(yīng)力之間的誤差情況,現(xiàn)將實測數(shù)據(jù)代入式( 2 )得到對應(yīng)有效預(yù)應(yīng)力計算值,可求出有效預(yù)應(yīng)力計算值Tc與真實值T之間的相對誤差K為

(3)

圖11所示有效預(yù)應(yīng)力計算值Tc與真實值T之間近似呈線性關(guān)系變化。經(jīng)誤差分析得到,有效預(yù)應(yīng)力的擬合計算值和真實值之間的相對誤差最大值僅為8.82%,且超過85%的數(shù)據(jù)相對誤差在7%以內(nèi)。以上數(shù)據(jù)證明利用擬合公式識別該類鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力具有一定的可信度,可以作為該類鋼絞線盲孔法識別有效預(yù)應(yīng)力的經(jīng)驗公式使用。

圖11 有效預(yù)應(yīng)力真實值與計算值關(guān)系曲線

5 結(jié)論

本文針對既有預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力識別這一技術(shù)難題,在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,提出了鋼絞線鋼絲盲孔法進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力識別計算的基本方法,通過理論仿真分析,結(jié)合試驗結(jié)果驗證和分析,主要得出以下結(jié)論:

(1)鋼絞線鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放量及應(yīng)力釋放率隨孔邊距的增大逐漸下降,且下降趨勢由陡峭趨于平緩,對于鉆孔半徑0.5 mm工況,鉆孔對鋼絲應(yīng)力的影響區(qū)域約為孔邊距5 mm范圍內(nèi),超過這一范圍幾乎沒有影響。

(2)通過對鉆孔半徑以及鉆孔深度進(jìn)行參數(shù)影響規(guī)律分析,發(fā)現(xiàn)鋼絞線鋼絲鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放量隨鉆孔半徑及鉆孔深度的增加而增加。當(dāng)鉆孔半徑一定時,對圓柱小孔理論上鉆孔深徑比達(dá)到2.0～3.0時孔邊應(yīng)力釋放曲線趨于收斂。

(3)通過對鋼絞線進(jìn)行大量鉆孔試驗驗證了仿真計算規(guī)律的可靠性,并通過測試結(jié)果與仿真模擬存在的差異,深入分析了圓柱形小孔和子彈頭狀小孔兩種不同鉆孔形狀差異對釋放收斂變化的影響,得出后者孔型時收斂深徑比取值更大,進(jìn)一步為仿真模型修正和實際檢測數(shù)據(jù)處理提供了參考依據(jù)。

(4)通過對鉆孔半徑為0.5 mm,鉆孔深度為 2.5 mm 工況的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到了盲孔法試驗檢測時,鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力與孔邊2 mm測點處應(yīng)變釋放量之間的函數(shù)關(guān)系,并考慮鉆孔偏差修正,經(jīng)誤差分析得出,盲孔法識別鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的擬合計算值與真實值之間相對誤差最大值為8.82%,且超過85%的數(shù)據(jù)相對誤差在7%以內(nèi)。由此可以證明盲孔法識別計算鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力具有可行性。

盲孔法測試識別既有橋梁鋼絞線鋼絲應(yīng)力作為一種新型的直接測試方法,最近已有檢測單位參考國外相關(guān)研究在實際工程中開展了探索性應(yīng)用,但目前還未檢索到公開文獻(xiàn)進(jìn)行實際工程檢測的相關(guān)報道。作為一種新型測試方法,仍有很多工作值得繼續(xù)深入研究。根據(jù)本文的研究,在采用盲孔法進(jìn)行實際梁體有效預(yù)應(yīng)力檢測時,應(yīng)避開梁體控制截面,且選取靠近外側(cè)的管道進(jìn)行測試,測試時需要對測試點附近很小范圍混凝土及壓漿漿體進(jìn)行局部鑿除,且要避免造成對預(yù)應(yīng)力筋的損傷,測試后再按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行混凝土修補。該法的不足是屬于一種局部破損的檢測方法,但是根據(jù)計算模擬分析有限的小盲孔對整根鋼絞線力學(xué)性能的影響微乎其微;其優(yōu)點是一種直接測試方法,具有更高的檢測精度和檢測效率,可在一定條件下進(jìn)行使用。由于鋼絞線硬度較高,需要專用高強合金鉆頭才能順利施鉆,專用自動化鉆孔設(shè)備也需要進(jìn)一步研發(fā)。目前本文僅通過模擬試驗進(jìn)行了相關(guān)驗證,尚未進(jìn)行現(xiàn)場實際橋梁試驗,今后將通過實際橋梁檢測試驗進(jìn)一步完善鋼絞線鋼絲盲孔應(yīng)力釋放法的理論模型,積累數(shù)據(jù),形成系統(tǒng)的檢測分析方法,為在役預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁有效預(yù)應(yīng)力識別提供一種可行的直接檢測方法。