基于靜載試驗的梁板預應力張拉質(zhì)量檢測分析評估

唐 艷，劉德坤

（湖南聯(lián)智科技股份有限公司，湖南 長沙 410019）

壓漿前的檢測方法比較明確，檢測結果大家都能夠認可。但是壓漿后的檢測手段需要進一步探討，不少專家認為靜載試驗能夠檢測梁板預應力施加的情況，對于梁體結構的檢測就是采用靜載試驗，并沒有壓漿前的反拉法檢測。而公路系統(tǒng)對預應力試驗梁板的荷載試驗方法以跨中最大彎矩為控制內(nèi)力值，基于增量原則，通過測試某個控制指標在某階段的變化情況，推定試驗梁的全部性能，此方法難以直接反應梁板預應力施工質(zhì)量和抗裂性能，是一種不確定性很大的方法。而壓漿后梁板的預應力質(zhì)量的判定尤為重要，應該是一個新的難題和課題，特別是現(xiàn)在高速公路行業(yè)很注重錨下有效預應力，施工過程中采取了反拉法的跟蹤抽檢，但是抽檢數(shù)量有限，基本抽檢之前施工方已經(jīng)做好了準備工作，對于總體把控的意義不是特別大。因此，文章提出一種基于梁板底部應力為零的荷載試驗方法，以梁板控制應力為等效原則，通過釋放全部預壓應力來反應張拉施工預應力情況，此方法本質(zhì)是一種全量法，結果準確、可靠，精度可以在10%以內(nèi)。

1 常規(guī)荷載試驗方法

文章主要研究對象為公路預制梁板壓漿后預應力檢測評價，現(xiàn)有的單梁荷載試驗其不足之處在于荷載試驗以跨中最大彎矩為控制內(nèi)力值，難以直接反應梁板預應力施工質(zhì)量和抗裂性能。其原因是現(xiàn)有荷載試驗過程中梁底通常仍保留較大的壓應力（通常在1～4MPa，跨徑越大保留越大，部分情況下可能高達6～7MPa），造成荷載試驗效果難以真正直接反應梁的預應力狀態(tài)，對梁板中究竟建立了多大的預壓應力難以直接判斷。比如某梁板預應力施工中張拉力遠低于設計要求，導致梁板預壓應力較設計下降了3MPa。但在荷載試驗中，梁底仍保持了1MPa的壓應力，如此難以判斷施工中梁底壓應力值，從而也無法判斷梁板的預應力施工質(zhì)量，從而帶來安全隱患。實際施工中，大量梁板預應力施工質(zhì)量不佳，可是通過荷載試驗卻無法判斷其問題所在，其原因就是荷載試驗以汽車荷載跨中最大彎矩為控制內(nèi)力值，難以直接反應梁板預應力施工質(zhì)量。

文章以某大橋40mT梁為例對常規(guī)荷載試驗方法進行說明，此橋設計汽車荷載為公路-Ⅰ級，混凝土設計強度為C50，試驗T梁幾何尺寸如圖1所示。

圖1 試驗梁幾何尺寸示意圖（單位：mm）

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）中的規(guī)定，靜載試驗荷載可控制內(nèi)力、應變或變位等效原則確定。靜力荷載試驗效率可按以下公式（1）計算，對交（竣）工驗收靜載試驗，宜介于0.85～1.05；否則，ηq宜介于0.95～1.05。

經(jīng)過計算分析，選取試驗梁的跨中最大正彎矩工況作為試驗工況，試驗工況下的控制截面彎矩計算結果及靜載試驗效率系數(shù)ηq如表1所示。

表1 靜載試驗荷載效率系數(shù)

依據(jù)試驗荷載與設計荷載彎矩等效的原則，采用在跨中施加480.0kN集中力的方式進行加載。本次試驗，采用如圖2所示的方式加載。

圖2 加載示意圖（單位：cm）

在試驗荷載作用下，跨中截面梁底應變理論值為226με，梁底應變試驗值為185με，卸載殘余應變?yōu)?με，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）規(guī)定，計算相對殘余應變?yōu)?.24%，應變校驗系數(shù)為0.79，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，且試驗過程中未見裂縫出現(xiàn)，判斷此試驗梁承載能力滿足設計活載的要求。通常荷載試驗評定到此結束，因梁底壓應力沒有完全釋放，若存在預應力張拉力偏離設計值的情況，此試驗過程也不能直接判斷出來，因此在評估預應力張拉效果方面需提出更可靠、準確的方法。

增能理論和陸九淵心學各自有兩個核心觀念，增能理論的核心觀念是“權能”和“增強權能”，“增強權能”也被翻譯成“增能”，陸九淵心學的核心觀念是“本心”和“發(fā)明本心”。通過比較我們可以發(fā)現(xiàn)這四個觀念兩兩之間也存在相似性。

2 基于梁底應力為零的荷載試驗原理及方法

2.1 荷載試驗原理

文章提出的荷載試驗以梁底應力δ=0為試驗控制目標，不同于目前常用的單片梁（均指預應力混凝土梁）試驗方法，常用的荷載試驗方法主要是依據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）中的規(guī)定，靜載荷載試驗效率通過對單片梁板的控制截面內(nèi)力、應變或變位等效原則確定，分級加載、觀測裂縫、記錄數(shù)據(jù)，然后計算靜力荷載試驗結構校驗系數(shù)ζ，主要測點相對殘余變位或相對殘余應變S'p來判斷梁板的受力狀態(tài)。試驗過程中以控制內(nèi)力作為等效原則，主要是以汽車荷載（或汽車荷載+二期恒載）跨中最大彎矩為控制內(nèi)力值。

2.2 試驗方法及步驟

（1）在測試梁板的每個測量點放置1～2件測試元件，測量點包括梁體兩端的底面正中位置和梁體長度中點的底面正中位置，采集梁底應變值和撓度值，測試點布置如圖3、圖4所示。

圖3 梁板測點布置立面圖

圖4 梁板測點布置平面圖

（2）進行加載位置的混凝土彈性模量測試，進行需要加載的荷載進行計算，對測試梁體進行預加載。

（3）對測試梁體進行分級加載，直至加載負荷達到計算的控制應力值，其以梁板控制應力為等效原則，即荷載試驗以梁底應力δ=0為試驗控制目標；最后一級荷載加載完畢后，靜置15～30min，讀取梁底應變值和撓度值。

（4）分級卸去所有試驗荷載，靜置30～40min，讓結構變形恢復后，讀取梁底殘余應變值和殘余撓度值。

（5）根據(jù)規(guī)范計算靜力荷載試驗的梁板校驗系數(shù)、計算相對殘余變位和相對殘余應變。

（6）在計算測試梁體的控制效應值時，靜力荷載試驗效率系數(shù)的表達式為：

其中：Ss為梁板在靜力試驗荷載作用下，加載控制截面梁底應力δ=0的效應值；s'為通過設計圖計算的同一加載控制截面梁底應力δ=0時的理論效應值。

（7）現(xiàn)場停止加載條件：當梁板結構裂縫的縫長或縫寬快速增加，抑或出現(xiàn)大量新的裂縫，或裂縫寬度超過規(guī)范允許值時。

（8）預加載值不超過70%的結構構件開裂荷載計算值。

3 荷載試驗案例效果分析

3.1 案例理論效果分析

文章荷載試驗方法的特點是不以梁板的控制內(nèi)力為等效原則，而是以梁板控制應力（應變）為等效原則，即荷載試驗以梁底應力δ=0為試驗控制目標。由于混凝土的抗拉能力極弱，通常僅2MPa左右，故在本試驗荷載方法下，若梁底預應力度不足，則極易在荷載試驗下發(fā)生開裂、應力異常等，通過測量試驗過程中的撓度、梁底應力、觀察梁底開裂情況，可以直接反應梁底預應力度，從而評定梁板的預應力張拉施工質(zhì)量，真正達到荷載試驗的目的。若施工過程中存在張拉應力小、預應力損失大等情況，則在試驗過程中能得到導致直接的反應：梁底開裂；其評定方法更為直接，結果更準確、可靠。

文章以2008版公路橋梁上部結構標準圖中40m連續(xù)T梁（標準圖號10-3）邊跨邊梁為例，其中設計荷載等級公路-Ⅰ級，試驗過程中文章的試驗方法和目前普遍使用的試驗方法相關計算結果對比如圖5、圖6所示。

圖5 重力引起的梁底拉應力為9.0MPa

圖6 預應力引起的梁底壓應力為22.2MPa

其中，不同荷載試驗方法結果比對示例如表2所示。

表2 不同荷載試驗方法結果比對示例

由表2對比可以看出：

（1）目前的試驗方法荷載試驗下梁底壓應力仍高達7.2～8.5MPa，相當于張拉總應力的32%～38%，也就是說即使張拉出現(xiàn)負30%～40%的偏差，也很難通過常規(guī)荷載試驗直接反映出來；

（2）文章使用的方法加載重量遠大于目前常用方法，荷載試驗下梁底應力接近零，若預應力張拉不到位，梁底實際已經(jīng)出現(xiàn)拉應力，如預應力施加出現(xiàn)-10%，此時梁底拉應力約為2.22MPa，對于混凝土而言即已出現(xiàn)裂紋（C50混凝土的抗拉設計值為1.89MPa），通過應力測量、裂縫觀測，能很直接地反映預制梁張拉施工質(zhì)量。

（3）在梁底應力不為零的時候觀察梁底裂縫時，無論有沒有裂縫，試驗效果都不徹底，都不能真正判別施工質(zhì)量的好壞。當施加理論計算時梁底應力為零的荷載的時候，試驗過程中觀察梁底有無裂縫，若有，表明施工質(zhì)量不好；若沒有，說明施工質(zhì)量好。同時在試驗中梁板最大主拉、主壓應力均在設計范圍內(nèi)，荷載試驗是安全的。試驗過程中如果想進一步提高該方法的精度，可以結合預應力與重力及試驗荷載引起的混凝土應力差值與混凝土抗拉強度之間的關系繼續(xù)加大試驗荷載。

3.2 實際案例

湖南某項目業(yè)主組織總監(jiān)辦進行質(zhì)量巡查，業(yè)主總監(jiān)在巡查時發(fā)現(xiàn)某標段預制的第一片40mT梁的起拱值明顯低于設計值，只有設計值的60%，隨安排項目設計單位和第三方檢測單位會同施工單位進行理論分析、現(xiàn)場檢測等查找原因。檢測出混凝土強度、鋼筋數(shù)量和截面尺寸都符合設計要求，采用靜載試驗發(fā)現(xiàn)試驗過程表現(xiàn)良好，撓度校驗系數(shù)均在0.7～1.0和應力校驗系數(shù)均在0.6～0.9，滿足規(guī)范要求，試驗T梁在試驗荷載卸除后，相對殘余撓度和相對殘余應力均小于20%，梁體處于彈性工作狀態(tài)。現(xiàn)場試驗照片見圖7、圖8、圖9、圖10。

項目總監(jiān)懷疑預應力施加不到位，但該梁已經(jīng)進行了孔道壓漿，無法進行錨下有效預應力檢測，項目業(yè)主決定進行破壞性試驗來檢測預應力施加是否到位。進行第二次靜載試驗，在荷載增加至850kN時跨中出現(xiàn)了第一道裂縫，按照設計院的計算要出現(xiàn)裂縫的荷載在980kN以上。按照文章的理念進行推算，預應力度僅為設計值的83%左右。進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)該梁板張拉時伸長值誤差基本都在-13%左右，但當時認為張拉力已經(jīng)到位，伸長值誤差偏大的原因是孔道摩阻或者鋼絞線彈性模量導致的。隨后將張拉設備千斤頂與標準測力儀疊加后進行力值對比，發(fā)現(xiàn)千斤頂?shù)牧χ灯毡檩^標準測力儀的力值要小16%，線性較好。本項目是第一片梁，造成的損失并不大，如果不通過類似文章的方法進行檢測預應力度，到后期發(fā)現(xiàn)張拉力不準，低于設計值較多將沒有好的處理辦法。

圖7 梁板混凝土中鋼筋數(shù)量及保護層厚度測量

圖8跨中撓度檢測

圖9 梁板靜載試驗

圖10 跨中應變測量

4 結束語

文章異于普遍使用的等效參數(shù)控制原則，提出基于梁板梁底應力為零的控制手段的荷載試驗方法，此方法安全可靠。通過大量試驗證明，采用現(xiàn)有的試驗方法，荷載試驗下梁底壓應力高達張拉總應力的35%左右（根據(jù)梁板跨度不同，荷載試驗下梁底壓應力數(shù)值不同），也就是說即使張拉出現(xiàn)-35%的偏差，也很難通過荷載試驗直接反映出來。而文章提出的荷載試驗方法加載質(zhì)量遠大于目前常用方法，荷載試驗下梁底應力接近零，通過應力測量、裂縫觀測，能很直接地反映預制梁張拉施工質(zhì)量。