混凝土應(yīng)力釋放法研究綜述

馮朝勇，劉大洋，禹 鵬

（1.重慶北碚區(qū)交通局，重慶 400700；2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

0 前言

目前，國內(nèi)的橋梁事業(yè)正從一個建設(shè)高潮逐步過渡到檢測和加固維修高潮。由于修建年代久遠(yuǎn)，施工質(zhì)量問題，以及目前公路運(yùn)輸中超載現(xiàn)象嚴(yán)重等原因造成大量的現(xiàn)役橋梁需要進(jìn)行檢測和加固維修。據(jù)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，我國橋梁總數(shù)的40%已經(jīng)處于老齡期，而且隨著時(shí)間的推移，其數(shù)量將不斷增長[1]。因此，掌握這些橋梁的真實(shí)受力狀態(tài)，對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營具有重要作用。目前對于混凝土的工作應(yīng)力的量測方法較多，主要有在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋應(yīng)變傳感器，或在結(jié)構(gòu)表面粘貼應(yīng)變片，通過應(yīng)變儀輸出結(jié)果。但是在橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的實(shí)際應(yīng)力的量測方面研究較少，下面將介紹混凝土應(yīng)力釋放法在量測混凝土實(shí)際應(yīng)力中的應(yīng)用，準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估和加固設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1 混凝土應(yīng)力釋放法發(fā)展介紹

最初應(yīng)力釋放法主要用于量測鋼筋的殘余應(yīng)力。其基本原理是利用機(jī)械對構(gòu)件所測應(yīng)力區(qū)進(jìn)行切割或鉆孔，使原來受力的部位變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)，該部位的應(yīng)力被釋放，量測應(yīng)力釋放前后的應(yīng)變變化，再經(jīng)換算可得到該部位的實(shí)際應(yīng)力。該方法后來發(fā)展到量測鋼筋和混凝土的實(shí)際應(yīng)力，在量測混凝土的實(shí)際應(yīng)力這一方面研究較晚。2004年長安大學(xué)對在役混凝土橋梁混凝土應(yīng)力釋放法的鋼筋應(yīng)力釋放法進(jìn)行了研究，選用矩形梁試件，預(yù)應(yīng)力作用在中心截面。2008年浙江大學(xué)林湘祁碩士在以開槽法釋放混凝土工作應(yīng)力的基礎(chǔ)上，通過對3根不同骨料粒徑的鋼筋混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了由切割機(jī)的切割作用對混凝土產(chǎn)生的擾動應(yīng)變的各個因素[2]。目前混凝土應(yīng)力釋放法主要有剝層法、套孔法、鉆孔法、盲孔法和開槽法。

2 混凝土應(yīng)力釋放法

2.1 剝層法

剝層法是量測在應(yīng)力釋放過程中混凝土所產(chǎn)生的應(yīng)變值。通過應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系，可獲得測試點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力。即在測試點(diǎn)沿X軸方向貼應(yīng)變片，用專門的機(jī)具取出貼有應(yīng)變片的混凝土保護(hù)層，使取出的混凝土塊中的應(yīng)力得以釋放。量測方法及測點(diǎn)示意如圖1。

圖1 測點(diǎn)及橫斷面尺寸示意圖

該方法以混凝土保護(hù)層為工作對象[3]，屬于半無損檢測范疇。但是這種方法在橋梁檢測中由于實(shí)際操作時(shí)影響因素較多，測試精度難以保證，故實(shí)際采用得比較少。

2.2 套孔法

套孔法的基本原理是將隔離體與母體的聯(lián)系解除即應(yīng)力解除，通過測定應(yīng)力解除前后隔離體某些部位的應(yīng)變來推算原母體的應(yīng)力。套孔法是發(fā)展時(shí)間最長，技術(shù)比較成熟的一種地應(yīng)力測試法。目前主要應(yīng)用于巖體應(yīng)力的測試方面，該方法就是使測點(diǎn)巖體完全脫離應(yīng)力作用，因而也稱套孔應(yīng)力解除法。套孔解除法量測步驟如下。

首先從巖體表面，一般是從地下巷道、隧道、恫室或者其它開挖體的表面向巖體內(nèi)部打大孔，直至需要量測巖體應(yīng)力的部位。大孔鉆完后需將孔底磨平，并打出錐形孔，以利于下一步鉆同心小孔，清洗鉆頭和使探頭順利進(jìn)入小孔。其次，從大孔底打同心小孔，供安裝探頭，小孔直徑由所選用的探頭直徑?jīng)Q定，小孔深度一般為孔徑的10倍左右，從而保證小孔中央部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。再次，用一套專用裝置將量測探頭，如孔壁應(yīng)變計(jì)、孔徑變形計(jì)等安裝到小孔中央部位。最后，用第一步打大孔的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔，從而使小孔周圍巖芯實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除。由于應(yīng)力解除引起的小孔變形或應(yīng)變由包裹測試探頭在內(nèi)的量測系統(tǒng)測定，根據(jù)測得的小孔變形或應(yīng)變通過有關(guān)公式求出小孔周圍的原巖應(yīng)力狀態(tài)。套孔應(yīng)力解除法示意如圖2。

圖2 套孔應(yīng)力解除法示意圖

2.3 鉆孔法

該方法由德國學(xué)者J.Mathar1934年提出，在殘余應(yīng)力測試的機(jī)械測定法中以鉆孔—電測法為主，這就是最早的鉆孔法，又稱Mathar-Soet。到現(xiàn)階段為止，鉆孔法的研究仍然集中在殘余應(yīng)力測試中，并基本上是在小孔下利用孔邊應(yīng)力的釋放來測試殘余應(yīng)力。

鉆孔法量測工作應(yīng)力的原理來源于彈性力學(xué)，如圖3所示的矩形薄板或長柱，在承受軸向拉力時(shí)，根據(jù)圣維南原理，認(rèn)為在板或柱的中心截面上截面的應(yīng)力為均勻分布，在板中間區(qū)域應(yīng)力為q。如果在板中心位置O處鉆一個小孔，在孔邊應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，此時(shí)截面應(yīng)力分布見圖3。鉆孔后孔邊區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，孔邊A，C處區(qū)域的應(yīng)力釋放，孔邊B，D處區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)應(yīng)力集中。在孔邊A，C處量測應(yīng)變變化，乘上材料的彈性模量，所得結(jié)果在理論上就應(yīng)該是構(gòu)件工作應(yīng)力。但在孔邊B，D處區(qū)域量測應(yīng)變變化，可以得到3倍的工作應(yīng)變值，即該處的應(yīng)力從q變化至3q，測試的靈敏度提高。

圖3 鉆孔法應(yīng)力分布示意圖

2.4 盲孔法

套孔法的基本原理：當(dāng)構(gòu)件內(nèi)存在殘余應(yīng)力場和彈性應(yīng)變場，在應(yīng)力場內(nèi)任意處鉆一盲孔，該處的應(yīng)力即被釋放，原應(yīng)力場失去平衡，這時(shí)盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，并使原應(yīng)力場達(dá)到新的平衡，形成新的應(yīng)力場和應(yīng)變場，測出釋放應(yīng)變，即可利用相應(yīng)公式計(jì)算出初始測試點(diǎn)的應(yīng)力。盲孔法是由鉆孔法發(fā)展而來的，因此其計(jì)算式大致是在環(huán)孔分析方法的基礎(chǔ)上做些修正。套孔法的應(yīng)變計(jì)粘貼方式如圖4。

圖4 盲孔法應(yīng)變計(jì)粘貼示意圖

由圖示應(yīng)變計(jì)測得的釋放應(yīng)變，其應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中，ε1、ε2、ε3分別為相應(yīng)各應(yīng)變計(jì)鉆孔后測得的釋放應(yīng)變；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)；σ1、σ2為主應(yīng)力。

通孔應(yīng)變釋放系數(shù)可由Kirsch理論得到

式中，E，v分別為被測材料的泊松比和彈性模量；d、r1、r2分別為孔徑和盲孔中心到應(yīng)變計(jì)近孔端、遠(yuǎn)孔端距離。

盲孔法是量測殘余應(yīng)力的一種較成熟的方法，近年來科學(xué)工作者對其作了大量研究工作，從量測原理到實(shí)際操作中的各種工藝因素、誤差來源等進(jìn)行了深入的研究，使其日益完善。

2.5 開槽法

2.5.1 圓弧形開槽法

圓弧形開槽法也稱環(huán)孔法，其工作原理是依據(jù)局部應(yīng)力解除法的力學(xué)原理。將構(gòu)件完全截?cái)嘁源藖頊y試結(jié)構(gòu)構(gòu)件中某一點(diǎn)的工作應(yīng)力是沒有必要的，實(shí)際上只需要在測試點(diǎn)附近開一定深度的槽，解除測試點(diǎn)周圍的約束使之產(chǎn)生彈性恢復(fù)變形，從而使構(gòu)件的應(yīng)力重新分布，當(dāng)槽深達(dá)到一定深度時(shí)，即可使測點(diǎn)處局部工作應(yīng)力完全釋放，通過對測點(diǎn)應(yīng)變釋放梁的測定，就可以求出該點(diǎn)的工作應(yīng)力。環(huán)孔法測試混凝土工作應(yīng)力如圖5所示。

圖5 環(huán)孔法測試混凝土工作應(yīng)力示意圖

2.5.1.1 對于單向工作應(yīng)力狀態(tài)，只需沿工作應(yīng)力方向貼一片電阻應(yīng)變計(jì)作為測點(diǎn)，然后在應(yīng)變計(jì)周圍開槽，當(dāng)槽達(dá)到一定深度時(shí)，即可完全解除測點(diǎn)處的工作應(yīng)力，量測應(yīng)變釋放值ε，由下式計(jì)算出測點(diǎn)處的工作應(yīng)力：

2.5.1.2 對于平面工作應(yīng)力狀態(tài)，可以在測點(diǎn)處用電阻應(yīng)變花取代單向應(yīng)變計(jì)，然后在應(yīng)變花四周開一個圓形環(huán)槽，當(dāng)槽深達(dá)到一定深度時(shí)，即可完全解除測點(diǎn)處的工作應(yīng)力，量測應(yīng)變釋放值ε1、ε2、ε3，根據(jù)彈性力學(xué)理論計(jì)算出測點(diǎn)處的主應(yīng)力大小和方向。設(shè)在直角坐標(biāo)系中，構(gòu)件測點(diǎn)處的主應(yīng)力為σ1和σ2，開槽后沿與成夾角α方向的釋放應(yīng)變ε（α）以可用下式表示：

式中，系數(shù)K（α）、K（90-α）為α呈周期性變化的參變量，可用三角級數(shù)描述。

圓弧形開槽法測試混凝土工作應(yīng)力，原理比較簡單。最主要的問題在于確定環(huán)孔的深度。一般認(rèn)為，鉆孔深度為0.7d時(shí)，此時(shí)測區(qū)的應(yīng)力降為零，測讀電阻應(yīng)變片的數(shù)值變化，并估計(jì)材料的泊松比和彈性模量，可計(jì)算出測區(qū)原主應(yīng)力的數(shù)值及方向。但是，由于測試混凝土應(yīng)力的電阻應(yīng)變片標(biāo)距比較大，因此，孔徑d也就比較大，鉆孔深度就變得比較深，在這個情況下，這種方法一般只適用體積較大的混凝土構(gòu)件的測定。但是在實(shí)際工程中，圓弧形開槽法切割混凝土很難操作，由于應(yīng)變片要通過電源線連接到應(yīng)變測試儀上，在切割環(huán)孔時(shí)，切割機(jī)會不可避免地碰到電源線，導(dǎo)致應(yīng)變數(shù)據(jù)采集困難。除非在澆注混凝土?xí)r事先將環(huán)形孔預(yù)制好，否則很難切割成環(huán)孔。

劉永淼等對環(huán)孔法檢測混凝土實(shí)際應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到3.3cm時(shí)，內(nèi)芯表明的應(yīng)力可以完全釋放，由于鉆孔時(shí)冷卻水、溫度變化的影響，以及鉆孔時(shí)對測點(diǎn)的擾動，內(nèi)芯存在一定不能釋放的應(yīng)力，并且該值高達(dá)10%～30%[4]。

2.5.2 直線形開槽法

由于圓弧形開槽法的種種缺陷，使其始終無法在工程中得以運(yùn)用。浙江大學(xué)王柏生[5]教授對開槽法進(jìn)行研究，通過有限元計(jì)算表明，開方形槽甚至橫槽，與環(huán)孔法結(jié)論是一致的，且發(fā)現(xiàn)在單向應(yīng)力的情況下，采用切割兩條橫槽的效果與矩形切割槽的效果基本一致，因此可以采用只切割兩條橫槽的方式，這樣可以大大減少工作量，并且可以減小切割混凝土?xí)r引起的擾動誤差。此方法應(yīng)變片及混凝土槽如圖6所示。

圖6 直線形開槽法測試混凝土工作應(yīng)力示意圖

線型開槽法是在圓弧形開槽法基礎(chǔ)上的改進(jìn)和創(chuàng)新，它使開槽法由理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，真正地運(yùn)用到實(shí)踐中。在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中，通常工程界在現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力檢測方面主要關(guān)系的仍然是縱向應(yīng)力，即鋼絞線張拉產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力值，這是一個單向應(yīng)力問題，由上面的理論可知：僅需切割兩條橫縫，即可得到測試區(qū)混凝土的應(yīng)力。這種方法對結(jié)構(gòu)的損傷、破壞程度低，進(jìn)一步提高了試驗(yàn)及工程的可行性。

3 結(jié)論

混凝土應(yīng)力釋放法作為量測混凝土實(shí)際應(yīng)力的一種方法，目前，該方法在工程中的應(yīng)用不成熟，需要繼續(xù)開展大量的研究。

3.1 研究表明盲孔法量測殘余應(yīng)力套用Kirsh公式進(jìn)行計(jì)算是可行的，但是A，B系數(shù)需由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。這就使得盲孔法測試工作應(yīng)力這種方法變得比較煩雜，并且標(biāo)定時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件和材料也不可能完全與現(xiàn)場測試的一致，這也給測試工作帶來誤差。國內(nèi)外學(xué)者開始研究把這種方法運(yùn)用到混凝土結(jié)構(gòu)中，目前的研究結(jié)果表明，效果并不理想。

3.2 鉆孔法的推導(dǎo)公式是針對矩形薄板或長柱在承受均勻拉力及小孔的條件下推導(dǎo)出來的，對鋼筋混凝土梁和板這種由非均質(zhì)材料組成結(jié)構(gòu)是否仍然適用，還有待于實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。

3.3 相比套孔法、鉆孔法、盲孔法等方法，開槽法的實(shí)用性更好，研究也更加深入，但方法仍不十分成熟。

在切割混凝土?xí)r切割機(jī)的震動對應(yīng)變測試會產(chǎn)生擾動，而擾動的影響是多方面的，很多影響因素目前仍不清楚；由于混凝土材料的非均勻性，導(dǎo)致切割引起的應(yīng)力釋放與變形并不成協(xié)調(diào)關(guān)系，即釋放的應(yīng)力值與變形本身存在差異；由于切割深度與切割槽間距成正比，研究表明，要減少切割擾動，必須提高切割間距。因此，這種方法在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)用還需要進(jìn)一步的研究。

[1]潘松林，張紅陽.公路橋梁檢測概述[J].城市道橋與防洪，2003，（5）：5-8.

[2]林湘祁.混凝土工作壓力測試的若干問題研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[3]楊勇，王燦，等.既有橋梁結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)存應(yīng)力測量與分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，37（2）：198-202.

[4]占毅，劉永淼.環(huán)孔法測試混凝土工作應(yīng)力試驗(yàn)研究[A].董石麟.第四屆海峽兩岸結(jié)構(gòu)與巖土工程學(xué)術(shù)研討會論文集 [C].杭州：浙江大學(xué)出版社，2007.425-430.

[5]王柏生，沈旭凱，等.開槽法測試混凝土工作應(yīng)力試驗(yàn)研究 [J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，44（9）：1754-1758.