鐵路空心薄壁橋墩現存預應力測試試驗研究

王春芬，高以健，鐘文森

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055;2.蘭州鐵路局 工務處，甘肅 蘭州 730000;3.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

預應力空心薄壁橋墩由預應力鋼絞線和鋼筋混凝土箱式塊件在現場拼裝而成，具有截面積小、截面模量大、自重輕等特點。空心薄壁橋墩在設計和施工階段時的預應力確定主要依據規范提供的理論公式。若計算值與現存預應力值之間偏差較大，預應力混凝土結構的現存預應力與結構的力學參數存在一定的關系，但目前還無法通過儀器直接測出結構的現存預應力值。通過間接試驗方法，研究現存預應力與上述力學參量之間的關系，找出一套簡便、實用、可靠的檢測方法，評估空心薄壁橋墩的現存預應力，解決橋梁的安全評估及技術改造過程中的關鍵問題，無論是對在役結構的性能評估還是今后進行加固設計、施工都具有重要的工程意義。

本文結合切槽法應力釋放法原理［1］，在有限元計算分析的基礎上，通過研究荷載、槽間距、槽長、開槽深度等條件變化下的混凝土工作應力變化規律，進行現存預應力測試過程中的影響參數分析，提出應力釋放所需的開槽深度、間距等計算參數。以在役鐵路空心薄壁橋墩為試驗對象，進行了橋墩內壁切槽及振動試驗驗證，為今后混凝土橋梁使用性能評估、維護以及加固提供了技術參考。

1 橋梁概況

比利溝大橋位于銀川市平羅縣境內，由7孔跨度31.7 m的預應力混凝土簡支梁組成，下部結構采用拼裝式預應力混凝土空心薄壁橋墩，T型橋臺。5#，6#橋墩為沉井基礎，其余均為明挖基礎，基底均置于基巖上。預應力混凝土梁的設計活載為中 －26級，墩、臺為中－22級。空心橋墩混凝土設計強度等級為400號，砌縫砂漿400號、厚度1.0 cm，橋墩每隔4～6 m設隔板1道，每階段設2道隔板。比利溝大橋概貌見圖1。在線路電氣化改造過程中，為判定長期服役后拼裝橋墩的現存預應力，通過有限元分析、空心墩內壁切槽試驗及振動測試等方法［2］，綜合判定目前橋墩的健康狀態。

圖1 鐵路比利溝大橋

2 切槽參數的有限元分析

依據局部應力解除法的力學原理，為了測試結構構件中某一點的工作應力，采用切割工具在測點上下分別開兩條橫槽，解除測試點處的約束，使之產生彈性恢復變形，從而導致構件的應力重新分布。當切槽達到一定深度時，可使測點處局部工作應力完全釋放。通過對測點應變釋放的量測，可以求出該點的工作應力［3-4］。

采用切槽法測量混凝土工作應力時，關注的是量測點上應力完全釋放所需的開槽寬度、深度、槽間距等參數。在切槽過程中，橋墩處于彈性工作狀態，可采用ANSYS有限元計算軟件，建立結構計算模型。計算時，空心薄壁墩混凝土單元取 Solid65，利用ANSYS在切槽過程中的單元“生死”功能模擬混凝土切割過程，混凝土泊松比vc=0.2，彈性模量取34 GPa。模型的外輪廓尺寸為3 000 mm×2 800 mm×1 000 mm，壁厚為200 mm，槽的切割寬度設為5 mm，模型的下表面施加位移約束，上表面施加的面荷載模擬結構重力作用及預應力作用效應，結構計算模型及切槽測試布置見圖2。

圖2 混凝土構件測點位置示意及網格劃分(單位:mm)

通過有限元模擬切槽過程，研究荷載、槽間距、槽長、開槽深度等條件變化下的混凝土工作應力變化規律，分析現存預應力測試過程中，影響參數變化對測試位置的應力影響。

為了解結構在承受不同壓應力時，切槽過程中混凝土測點的工作應力釋放規律，分別計算上表面壓應力作用 3 500 kPa，3 000 kPa，2 500 kPa 及2 000 kPa 時的應力變化。不同壓應力作用下，測點應力釋放計算結果見圖3。

圖3 不同壓應力條件下測點應力計算結果

由圖3可見，在切槽過程中，隨著施加在模型上表面的應力增大，應力釋放曲線逐漸變陡，應力釋放為零的切槽深度均分布在5.8 cm附近。

其次，為分析結構在不同切槽間距下測點的應力特點，取開槽間距分別為15 cm，20 cm，25 cm，30 cm，35 cm時進行比較。計算時，在模型的上表面施加相同的均布壓應力3 000 kPa，切槽寬取5 mm，槽長40 cm。不同切槽間距下測點處混凝土應力計算結果見圖4。

由圖4可見，切槽間距對應力釋放速度和應力釋放率影響較大。在切槽過程中，隨著槽間距的增大，應力釋放為零時的切槽深度逐步增大，減小槽間距可以加快應力釋放，但受應變片尺寸、混凝土骨料尺寸等影響，切槽間距不宜小于15 cm。

為了解在不同切槽長度時，測點處混凝土工作應力釋放的規律，分別計算切槽長度為40 cm，35 cm，30 cm，25 cm及15 cm時測點處的應力釋放過程。以施加在模型上表面的均布荷載采用3 000 kPa為例，槽寬取5 mm，槽間距取20 cm，不同槽長下混凝土應力釋放規律見圖5。

圖5 不同槽長下測點處的混凝土應力計算結果

在切槽過程中，隨著槽長的降低，在槽間距及模型上表面的壓應力保持不變的情況下，應力釋放為零點的切槽深度在6 cm左右。但當間距20 cm、槽長為15 cm時，應力未能完全釋放。因此，在采用切槽法進行混凝土應力釋放時，為保證測點位置的應力能夠完全釋放，切槽長度應大于切槽間距。

3 橋墩現存預應力的切槽法試驗

為判定空心薄壁橋墩的現存預應力，試驗時，首先采用鋼筋混凝土雷達在墩身內壁進行預應力鋼束定位，在豎向鋼束中間布置切槽測區。對測區打磨清理后，進行環氧打底及防潮處理。對切槽位置劃線定位后，粘貼混凝土應變片。在試驗開始后，使用混凝土切割機在測區上下邊緣切兩道橫槽，用應變儀記錄混凝土應力釋放所產生的應變值。根據有限元計算結果，選取4#墩和5#墩為對象進行切槽檢測，切槽寬度40 cm、間距取20 cm，切割深度取7 cm，見圖6。

圖6 4#墩和5#墩測區布置

比利溝大橋空心薄壁橋墩的豎向預應力筋為高強鋼絲束，采用后張法施工。單束預應力筋由16根φ5 mm的高強鋼絲組成。預應力筋抗拉極限強度為1 600 MPa，屈服強度1 280 MPa。施工時張拉力為32.6 t，伸長率為0.005 78，超張拉時張拉力為34.2 t，伸長率為0.006 07。鋼絲束彈性模量 Ep=2.05×105MPa，張拉應力 σcon=εEP=2.05×105×0.006 07=1 244.35 MPa。參照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)，4#墩和 5#墩切槽位置所在節段由結構自重及預應力影響而產生的壓應力計算值見表1。切槽試驗在夜間進行，應變測試采用DH3816靜態應變儀。墩身內壁切槽過程中，應變測試試驗結果見表2。

表1 4#墩和5#墩切槽節段的墩壁混凝土壓應力 MPa

根據《規范》［5］計算得到節段壓應力，采用有限元法得到應變測點處的計算應變值，與試驗結果對比分析得到結構校驗系數，計算結果見表3。參照《檢規》［6］對預應力混凝土梁鋼絲應力(應變)結構校驗系數通常值規定，結構荷載試驗條件下的通常值范圍為0.9～1.0。從試驗結果對比來看，橋墩預應力鋼束的現存預應力滿足設計要求。在現存預應力條件下，當橋上作用列車荷載時，通過荷載組合檢算，橋墩截面未出現拉應力，且最大壓應力小于檢定容許應力要求。

表2 4#墩和5#墩切槽法測點應變測試結果 ×10－6

表3 測點處混凝土應變分析結果

參照歷史測試記錄及現階段橋墩振動參數測試結果，為評定橋墩狀態，引入了橋墩健全度指數SI，SI=實測橋墩自振頻率/自振頻率基準值。

橋墩健全度評估準則［7］見表4。

表4 橋墩健全度評估準則

橋墩自振頻率基準值可采用橋墩建成初期或在健全狀態下的自振頻率初始測試值。如沒有初始測試值，則基于大量橋墩的自振頻率測試結果，用統計回歸的方法建立的公式來計算橋墩的自振頻率基準值。采用動測法進行橋梁動力參數測試，結合蘭州鐵路局橋檢隊的歷史檢測記錄(見表5)，橋墩健全度評估［7］結果見表6。從橋墩表觀檢測結果來看，橋墩墩身未發現明顯病害特征，振動測試得到的健全度指數 SI在0.95以上，判定等級為B，橋墩狀態健全。

表5 比利溝橋墩自振頻率歷史檢測記錄 Hz

表6 比利溝橋墩健全度評估結果(2010年9月) Hz

4 結論

根據應力釋放法原理，在有限元計算分析的基礎上，研究了應力、槽間距、槽長、開槽深度等條件變化下混凝土構件的工作應力變化規律，比利溝空心薄壁橋墩現存預應力的檢測及振動測試結果表明，切槽法實測應變結果與理論結果基本吻合，該方法可以在橋梁現存預應力評定中采用。

［1］王柏生.開槽法測試混凝土工作應力試驗研究［J］.浙江大學學報(工學版)，2010，44(9):1754-1759.

［2］楊新華.開槽法測試結構工作應力的有限元分析［J］.建筑結構，1998(4):50-52.

［3］楊勇，王燦，朱新實.既有橋梁結構現存應力測量與分析［J］.同濟大學學報，1999，27(2):198-202.

［4］王蘇，王春生，李淑媛.建筑結構現場檢測方法評析與展望［J］.沈陽建筑工程學院學報，2000，16(1):49-52.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號 鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社.2004.

［7］戰家旺.既有鐵路橋墩健全度評估和試驗方法研究［D］.北京:北京交通大學博士學位論文，2006.