已服役20年預應力結構現存預應力的試驗研究

黃穎，房貞政

(1.福州大學 土木工程學院 福建福州350108;2.福建船政交通職業學院，福建 福州350007)

在役預應力混凝土梁安全性能評估中，預應力是其中最重要的一個指標，許多工程實例說明由于預應力水平不可預估的降低給結構帶來的危害是十分可怕的［1］。目前，規范［2］中對各項預應力損失的計算給出了明確的計算公式，但是各項預應力損失都是一個時間函數，而且都是相互影響的，再加上施工方法上的差異性，造成通過計算根本不能準確估計結構的預應力損失。所以，如何有效地進行預應力結構中有效預應力的量測對于實際工程是非常重要的［3］。

當前國內外的預應力混凝土結構試驗檢測分析方法包括電磁效應檢測法［4］、形狀記憶合金(SMA)技術［5］、聲發射技術［6］、SSRHT 法［7］等，這些方法都需要預埋一些儀器設備到工程結構中，這就造成在大量已建結構上這些方法的局限性，而且設備的維護成本較高，不易推廣。本文運用應力釋放法對已經服役20年的預應力空心板梁進行切槽法試驗。

1 應力釋放法基本原理及適用范圍

應力釋放法是目前常用的一種預應力混凝土應力的測試方法，其最早應用在測量結構構件的殘余應力上，之后用于測定鋼筋結構的工作應力［8-9］。其基本原理是利用機械加工進行割斷的方法使由約束產生的應力被釋放。經測量分割前后的位移和應變，再經換算即可得到此處的殘余應力。應力釋放法包括鉆孔法［10-12］、套孔法［13-14］、切槽法［15］。

鉆孔法的基本原理是通過測試鉆孔前后孔邊應變的變化，利用鉆取的芯樣推定混凝土的抗壓強度和彈性模量，得到混凝土的工作應力。現階段，鉆孔法的研究仍然集中在殘余應力測試中［16］，并基本上是在小孔下利用孔邊應力的釋放來測試殘余應力。該方法操作相對復雜，受干擾因素較多。

套孔法基本原理是將隔離體與母體的聯系解除即應力解除，通過測定應力解除前后隔離體某些部位的應變(如孔壁應變、表面應變、孔徑變形等)來推算原母體的應力。該方法目前主要應用于巖體應力的測試方面。

切槽法(環孔法)是應力釋放法測量殘余應力比較常用的一種方法。該方法就是在構件上進行切槽，由于切槽而形成殘余應力的釋放區，測定此部分的應變求出構件中的殘余應力。該方法相對操作簡單，數據測量方便，對結構破壞最小，在實際工程中較易推廣。

本文利用切槽法對一根已經服役20年的實橋梁單元進行應力釋放法試驗，就切槽深度、切槽間距展開研究，測試其現存預應力并與計算值進行比較，對準確評估橋梁承載能力提供一定的參考。

2 試驗模型介紹

本試驗模型取至福建省福州市鰲峰大橋(原福州閩江三橋)。該橋已建成通車20年，為適應當前交通的需求，將對鰲峰大橋的北引橋進行改造，其中北向東側的引橋需要拆除另建。需拆除的引橋為19 m×16 m的多跨連續預應力混凝土空心板梁。從該橋預應力空心板梁中截取2片單孔空心板單元，試驗前對構件的材料性質進行檢測，以此獲得該構件材料的強度及彈性模量，具體試驗梁單元參數及檢測值見表1。

表1 試驗梁參數Table 1 Test beam parameters

把這2片梁單元運送至福州大學結構試驗館進行試驗，研究服役20年后預應力混凝土梁的實際結構性能。雖然原橋梁屬于連續梁橋，從切割下來的單跨梁單元的設計圖紙可以看出，梁內鋼筋呈對稱布見圖1，試驗梁安裝就位如圖2所示。

圖1 試驗梁單元構件及截面示意圖Fig.1 Test beam unit and sectional diagram

圖2 試驗梁安裝就位示意圖Fig.2 Test beam installation diagram

在梁頂面1/3點處對稱施加9T的外荷載，此時梁底L/2截面處混凝土的工作應力是3.43 MPa，應力觀測點設置在梁底沿梁跨方向L/4、L/2及3L/4截面處，在這3處均勻布置6片應變片，同一截面應變片布置如圖3所示，每個斷面切割縫位置如圖4所示。每個截面分3個測區，最終的結果取3個測區的平均值。

圖3 梁底各截面應變片粘貼位置示意圖Fig.3 The strain gauges location diagram of cross section of beam bottom

圖4 梁底截面切割縫示意圖Fig.4 The cutting seam of beam bottom section

3 試驗結果分析

3.1 沿深度變化應力釋放情況分析

試驗中因為切割儀器為S1M-MH-150A的角向磨光機，切槽長約為20 cm，根據試驗前對構件進行有限元建模，采用單元生死法進行模擬分析，得知當測區切割總深度約40 mm時截面應力全面釋放，因此試驗切割總深度取60 mm，切割槽間距為150 mm。由于切割儀器的限制，切割槽為每隔10 mm一個工況，共計6個工況，分別得到切割過程中切割深度與混凝土殘余應力對應值，每個截面3個測區結果取平均值記錄于表2。

表2 各個截面應力釋放隨切槽深度的變化值Table 2 Variations of stress release with groove depth

根據表2的數據，定義混凝土殘余應力與混凝土初始工作應力比值為β，繪制β與切割深度h的關系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，1/4截面時切槽深度在34.7 mm時應力釋放為0，1/2截面時切槽深度在46.8 mm時應力釋放為0，3/4截面時切槽深度在38.7 mm時應力釋放為0，由此可以說明截面初始應力越大，應力釋放越慢，跨中截面應力釋放最慢，1/4截面和3/4截面初始應力基本一致，所以應力釋放情況基本一致。

圖5 應力釋放隨切槽深度的變化Fig.5 Variations of stress release with groove depth

3.2 切槽間距變化應力釋放情況分析

如圖3所示，考慮切割縫間距d變化應力釋放情況，由于實際使用的應變片長度為110 mm，為了避免切割中對連接線的擾動，切割縫取2種間距:150 mm、200 mm，得到應力釋放情況見表3，同理繪制β與切割深度h的關系曲線如圖6所示，從圖6中可以看出，切槽間距150 mm時切割深度為34.7 mm時應力釋放為0，切槽間距200 mm時深度為55.4 mm，應力得以完全釋放，可知切槽間距越大，應力釋放越慢。

表3 切槽間距不同應力釋放隨切槽深度的變化值Table 3 Variations of stress release with groove depth in different cutting gap space

圖6 切槽間距不同時應力釋放隨切槽深度的變化Fig.6 Variations of stress release with groove depth in different cutting gap space

4 現存預應力估計

4.1 試驗梁有效預應力計算公式推導

本試驗梁材料參數及力學參數見表1，先推導試驗梁的預應力計算公式如下，此推導公式適用于預應力混凝土簡支梁:

梁的自重在梁1/2處產生的彎矩為

自重在下緣產生的應力為

預加力在下緣產生的應力為

梁體下緣應力理論值為

下緣應力實測值為σ0，由σ0=σl可得，

則可以推算出預應力值:

4.2 試驗梁現存預應力估計

應力釋放法推算結構現存預應力的原理［17］是:對試驗梁底部進行逐層切割，獲得切割深度對應的測點縱向應力值，建立切割深度與測點縱向應力值之間的回歸方程，從而推算出未切割前測點的初始應力值，通過該應力就可以推算出構件現存預應力的大小。利用數理統計分析軟件LLSTAT對試驗數據進行回歸分析，建立3個截面切割深度與測點應力值的回歸方程列于表4，從表中數據可以看出，各個截面擬合函數曲線的相關系數都在0.98以上，擬合程度高，從建立的回歸方程可以計算出在梁底表面(也就是h=0時)未切割前的初始應力σ0列于表4。結合式(1)、(4)和(6)以及表1中各參數的取值，計算出試驗梁現存預應力值Ny。從設計圖紙可知，該梁單元內預應力鋼筋的設計張拉應力是1 600 MPa，張拉力為565 kN，定義現存預應力與設計預應力偏差值為△，從表4中可以看出，現存預應力與設計預應力存在較大偏差，L/2截面處偏差達到20.5%。

表4 各個截面切割深度與測點應力值(σ～h)回歸分析表Table 4 The regression analysis table of cutting depth and the measured stress value

5 結論

本文利用切槽法對在役預應力混凝土空心板梁進行試驗研究，得出如下結論:

1)對梁單元底部1/4、1/2、3/4 3個截面進行切槽法試驗，可知當切槽間距為150 mm時，1/4和3/4截面槽深達到35 mm左右應力完全釋放，1/2截面處槽深達到37 mm應力完成釋放，說明梁體初始應力越大，應力釋放時所需要的切割深度也越大。

2)應力釋放的速度與切槽間距有很大關系，對1/4截面的試驗表明，當切槽間距為150 mm時，要使應力釋放為零，切割深度為34.7 m;當切槽間距擴大為200 mm時，切縫深度達到55.4 mm時應力才能完全釋放，說明切槽間距越大切割時應力釋放的越慢。

3)相關系數R及方差σ可以反映出數據資料與所構造函數之間的密切程度，相關系數R越接近于1，方差σ越小，說明回歸關系越顯著。本文應用數理統計分析軟件LLSTAT處理分析試驗數據進行回歸分析，建立3個截面切割深度與測點應力值的擬合函數，相關系數均在0.98以上，說明構造函數是非常可靠的。

4)通過試驗數據的回歸分析，通過這個構造公式可以計算出未切割前混凝土表面的應力，利用這個應力結合相關計算公式就可以比較準確推測結構的現存預應力。通過本文的分析驗證了這種既有結構現存預應力檢測方法及分析方法的有效性和可行性，具有一定的工程實際意義。

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