鉆孔測試已服役預應力混凝土梁板現存應力評估模型★

許紅葉 楊維國 俞麗婷 鄒常進 柳 霆

(1.湖南高速鐵路職業技術學院，湖南衡陽 421002;2.湖南恒德檢測有限公司，湖南衡陽 421002)

1 概述

預應力混凝土結構在工程結構中應用非常廣泛，已服役預應力混凝土梁板現存應力的大小對于工程結構的可靠性評估具有重要意義。現存應力的獲得有兩種方法，理論法和試驗法，兩種方法各有優缺點。課題組依據現有的檢測規范，結合理論與實踐，計劃開展鉆孔測試預應力混凝土梁板現存應力的研究，雖然在評估過程中，結構可能會有損傷，但是應力釋放法在計算現存應力方向具有良好的工程學前景和研究價值。

2 評估因子的賦值規則

課題組經過前序分析研究，在應力釋放法解決現存應力評估方法的體系設計中確定了8個評估因子:1)彈性模量;2)鉆孔孔徑;3)應變片距鉆孔中心距離;4)材料密度(容重);5)收縮徐變;6)微損類型;7)振動;8)溫度。其中1)，2)，4)，5)，7)，8)為主因子，3)和 6)為副因子。

經過統計分析，我們可以確定8大評估因子的分級標準，具體見表1～表8。為了區分主副因子的重要性，即權重，我們取γ0為主副因子重要性系數，分三級取值，具體見表9。

2.1 彈性模量因子賦值規則(E)

彈性模量的計算一般采用本構關系，但是本構關系并非線性變化，變化規律是非線性的，無法用單一方程來表達。在實際計算中，一般是通過分段式簡化來完成，最常見的是兩段式。彈性模量有兩類，靜彈性模量和動彈性模量，課題組所研究的內容涉及的是靜彈性模量。當考慮預應力混凝土結構耐久性和抗凍性時，動彈性模量將成為評估因子，可以根據工程實際情況將靜彈性模量增大1.1倍～1.4倍，即可滿足需求，彈性模量的精確值通過試驗實測，特別要指出的，彈性模量的實測是一種破損試驗，對結構性能有一定損傷，見表1。

表1 彈性模量(主因子)賦值規則(α為計算標線與x軸夾角)

2.2 鉆孔孔徑因子賦值規則(K)

鉆孔孔徑一般有兩種，一種是常規芯樣，一種是小芯樣(直徑小于70 mm)。孔周圍圓順應力集中效應對現存應力的影響小，反之則大，見表2。

表2 鉆孔孔徑(主因子)賦值規則

2.3 應變片距鉆孔中心距離因子賦值規則(Y)

應用于預應力混凝土結構測試的應變片屬于大應變片，主要原因是預應力混凝土結構不是均勻材料組成的，鋼筋采用小應變片，測試時需要考慮應變片的適應性，選擇合適的應變片，可降低尺寸效應的影響。應變片距鉆孔中心距將直接影響測試結果，見表3。

表3 應變片距鉆孔中心距離(副因子)賦值規則

2.4 材料密度(容重)因子賦值規則(C)

材料密度，即體密度對于預應力是有重要影響的。以規范中規定的材料密度為標準，其他情形可以取相對值考慮，見表4。

表4 材料密度(容重)(主因子)賦值規則

2.5 收縮徐變因子賦值規則(S-X)

收縮和徐變的變化規律和影響因素基本上是相同的，因此，科研人員一般將二者合二為一考慮。但是由于其變化機理非常復雜，因此我們通常采用簡化法進行賦值計算，見表5。

表5 收縮徐變(主因子)賦值規則

2.6 微損類型因子賦值規則(W)

表6 微損類型(副因子)賦值規則

由于微損類型不同，比如試驗方法、開孔條件以及空洞大小、形狀的影響，可能產生的應力集中效應也會有所不同。因此，課題組計劃采用應力集中系數KT來考慮應力集中的影響，應力集中系數可以考慮利用經驗公式、試驗法和查工程表格獲得，建議以經驗公式法為主，其他方法輔助。考慮應力集中現象，需要考慮誤差影響，一般在10%～20%，建議粘貼應變片時不宜靠近鉆孔中心太近。鉆孔時最好避開鋼筋，以防鉆斷鋼筋，影響測試結果，賦值時需要同時考慮尺寸效應和圣維南原理影響，盡量使得應變測試結果真實有效，見表6。

2.7 振動因子賦值規則(Z)

動荷載對于數據的結果是有重要影響的，鉆機在工作時，會有動應變，如果動應變過大，則測試結果不可靠。因此，需要控制鉆機鉆速，減少對結構的擾動和應變的干擾，見表7。

表7 振動(主因子)賦值規則

2.8 溫度影響因子賦值規則(T)

溫度影響因子在現存應力的試驗和理論研究中具有重要意義。測試過程中盡可能降低其影響，可以考慮在氣溫變化幅度小的時段或引入溫度補償應變片，尤其是試驗設備，比如鉆機造成的應變，見表8。

表8 溫度(主因子)賦值規則

2.9 主副因子重要性系數賦值規則

主副因子的重要性是有所區別的，主因子之間也是如此。為了進行定量計算，需要將主副因子的重要性等級及賦值規則列表，以利于分析計算，主副因子重要性系數具體如表9所示，根據專家意見進行微調，見表9。

表9 主副因子重要性系數(γ0)賦值規則

3 評估模型的構建

3.1 層次分析模型

將主副8個因子，按照邏輯關系排列，采用層次分析法確定各自具體權重，其權重數值將隨著檢測數據庫和專家庫完善程度而浮動。

層次分析課題組采用yaahpV10.5版本進行建模分析。模型分為3層，決策層、中間層和備選層，具體如圖1所示。

圖1 主副因子權重確定圖

3.2 灰色系統模型

3.2.1 灰色定權聚類白化數

課題組經過對比分析，選擇灰色定權聚類。聚類白化數、聚類元素和聚類對象分類及編碼如表10所示。

3.2.2 白化權函數

判斷矩陣是灰色系統建模的關鍵，課題組計劃采用灰色定權聚類來進行分析。聚類指標(E，K，Y，C，S-X，W，Z，T)的灰類白化權函數如表11所示，按照升降序規律，對號入座即可。

表10 灰色定權聚類白化數分類及編碼

表11 8大評估因子白化權函數類別

3.2.3 灰色建模流程

將目標值、白化權函數、層次分析模型主副因子權重，按照標準格式Excel導入灰色系統建模軟件，經過計算，即可得到灰色定權聚類模型。

4 結語

已服役預應力混凝土梁板的現存應力評估是一個工程學難點，需要做精細化、定制化研究，本文通過對預設的評估因子賦值規律的研究，借助層次分析法、灰色理論構建了灰色系統分析模型，將復雜的工程學問題轉化為多種研究方法有機結合，方便易算的研究模型，為工程檢測技術人員提供了借鑒和應用支持。