應力釋放法測試普通鋼筋應力在連續剛構預應力評估中的實測分析

黃光清

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067)

連續剛構橋梁由于其跨越能力強、施工便利且具有良好的經濟性，近幾十年來在國內得到了大量建設。由于認識不足，早期的設計普遍存在一定缺陷，導致很多運營期的連續剛構橋梁有效預應力不足，箱梁產生橫向裂縫和斜向裂縫，結構產生較大的下撓。因此，對于連續剛構橋梁，預應力損失的檢測和評估是分析橋梁承載能力的關鍵。本文對某高速上兩座(四幅)連續剛構橋普通鋼筋應力測試檢測結果進行分析、對比，及其與預應力損失的相關性進行探討，以供相似橋梁工程檢測參考。

1 工程背景

K4特大橋：預應力混凝土連續剛構，由左右兩幅獨立橋跨組成，橋跨布置為98 m+180 m+98 m；單幅橋面全寬12 m，行車道11 m。

大橋主梁采用直腹板單箱單室、三向預應力混凝土箱型截面。單幅箱梁底板寬6.5 m，頂板寬12.5 m，兩側懸臂長各3.0 m。主梁和薄壁墩身均采用C50混凝土，承臺采用C30混凝土。

K5大橋：預應力混凝土連續剛構橋，橋跨布置為77 m+140 m+77 m連續剛構；橋梁分左右幅。單幅橋面全寬12 m，行車道11 m。

大橋主梁采用直腹板單箱單室、三向預應力混凝土箱型截面。單幅箱梁底板寬6 m，頂板寬12 m，兩側懸臂長各3.0 m。梁和薄壁墩身采用C50混凝土，承臺采用C30混凝土。

兩橋設計荷載均為：公路I級。

檢測時這兩座橋梁尚未通車，從外觀檢測結果看，均存在箱梁開裂(主要為縱向開裂)、波紋管外露、混凝土表觀缺陷等病害，K4橋寬度超限裂縫比例較高，其他外觀檢測結果并無明顯差異。

依據工程測量規范對整個主橋橋面線形進行了觀測，測量結果顯示：

兩次檢測期間(間隔9個月)，K4特大橋中跨橋面線形總體趨勢為中跨普遍下撓，跨中最大，其中左幅為52.6 mm，右幅為87.8 mm。

K5大橋中跨橋面線形總體趨勢為中跨普遍下撓，跨中最大，其中左幅為12.9 mm，右幅25.7 mm。上述下撓值包含了兩次測試時的溫差影響、混凝土收縮徐變影響。

從線形測量結果看，K4特大橋9個月期間產生的異常下撓值明顯異常，而K5大橋則基本正常。

2 連續剛構有效預應力測試方法

對于大跨徑梁橋的有效預應力檢測，一般有應力釋放法，包括混凝土盲孔法、普通鋼筋應力釋放法以及直接對預應力鋼束進行靜動力檢測等方法。

在連續剛構橋梁中，由于混凝土材料的非勻質性(特別對于缺陷橋梁而言更甚)，盲孔法測試混凝土應力效果較差；對預應力鋼束進行檢測則需要對截面進行較大的破壞，這對于運營橋梁往往是不可接受的。相較于前述兩種方法，對普通鋼筋的有效應力進行測試，一則相對箱梁截面開孔尺寸較小，二則鋼筋具有很好的勻質性，測試精度相對較高。

我們知道，對于連續剛構而言，基于變形協調理論，普通鋼筋的應變狀態與同位置處混凝土保持一致，故測試出普通鋼筋的應變變化情況即可推斷出同位置混凝土應變。根據某處混凝土的應變狀態可反算或者驗證連續剛構橋的預應力損失情況。

普通鋼筋應力釋放測試如下圖所示，開孔后在鋼筋兩側粘貼應變片，連接靜態應變儀，調零后，距測點一定距離l采用切割機切斷，實測時一般距離l在10D以上(D：鋼筋直徑)，記錄鋼筋應變變化情況及溫度變化情況。

圖1 普通鋼筋應力釋放測試示意圖

3 測試截面及測點布置

測試截面：中跨L/4、跨中、3L/4截面。

測點布置：底板左、中、右均勻布置3個測點，均測試表層縱向鋼筋，均測試表層豎向鋼筋。測試時詳細記錄測點位置及開槽深度以便計算相應理論值。

4 應變測試結果

應變測試結果見表1，表2。

表1 K4特大橋左右幅

表2 K5大橋左右幅

5 鋼筋應變測試結果分析

對于連續剛構中的普通鋼筋，由于其應力狀態受到很多因素的影響，除了結構的受力外，還受到混凝土徐變和收縮的影響，因此必須在理論計算中考慮徐變和收縮的影響。由于連續剛構在長期荷載作用下的徐變應變和混凝土收縮引起的應變很難精確計算出來，因此本處理論值主要根據該橋設計規范及相關文獻進行計算。

5.1 預應力損失估算

依據規范及相關文獻，先按照如下方法對結構有效預應力進行估算，后根據估算結果進行鋼筋理論應變計算，然后比較實測鋼筋應變與理論應變以校核預應力損失估算值。

依據以上方法計算得到K4特大橋左幅橋預應力損失7.8%、右幅橋預應力損失8.3%。

K5大橋左幅預應力損失2.8%、右幅橋預應力損失5.4%。

5.2 測點理論值計算

(1)測點有效彈性模量計算

國內外一些實驗表明，在施加的壓力不超過混凝土強度的40%時，混凝土的彈性徐變變形與施加的壓力幾乎成正比，所以在不變的混凝土壓應力fc作用下的徐變應變εcr可以表示為

(1)

式中：Ec：混凝土的彈性模量；Ct：混凝土的徐變系數；fc：作用在混凝土上的壓應力。

由于線性假設，C與應力大小無關，則混凝土的總應變εtol可表示為：

(2)

令Eeff表示考慮徐變影響的混凝土有效割線模量，即為

實測橋梁所受活載作用較小，可認為軸向壓力基本不變，因此可按上述公式計算有效彈性模量。

(2)測點理論應變計算

(3)混凝土徐變系數、收縮應變

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》附錄及相應圖表計算。

5.3 校驗系數(實測與理論值分析)

校驗系數見表3，表4，表5。

表3 K4特大橋左幅鋼筋恒載應力測試結果與理論值比較表

表4 K4特大橋右幅鋼筋恒載應力測試結果與理論值比較表

表5 K5大橋左幅鋼筋恒載應力測試結果與理論值比較表

表6 K5大橋右幅鋼筋恒載應力測試結果與理論值比較表

5.4 結果分析

(1)K4特大橋的校驗系數均明顯小于K5大橋，說明其預應力損失量比估算值更大，實際上，由于橋梁主跨合攏時沒有及時測量橋面線形，第一次線形測量距橋梁合攏時間約8個月，第二次測量距第一次時間9個月，估算采用的中跨下撓值是采用的兩次橋面線形測量的差值，而不是采用橋梁合攏時距第二次檢測時的值，因此造成預應力損失估算值偏小。而K5大橋由于下撓值較小，這種偏差也相對較小。

(2)K4特大橋中跨跨中的校驗系數明顯小于L/4及3L/4截面的校驗系數，說明其跨中的預應力損失相對較大。K5大橋的中跨跨中校驗系數明顯大于L/4及3L/4截面的校驗系數，一則說明其預應力損失較小，二則是由于施工單位對中跨的預應力筋普遍進行了一定程度的超張拉。

(3)從校驗系數看，K5大橋明顯大于1.0，K4特大橋雖然基本小于1.0，但其數值仍然與下撓明顯的事實不符，這反映出理論計算值偏小，這是因為按照04規范計算的混凝土收縮應變在前期內的理論值小于實際值。我們知道，混凝土的收縮應變會在澆筑后1～2年時間內完成大部分，而按照規范的計算，雖然收縮應變的終值較大，但其前期計算值會小于實際發生的收縮應變。

(4)基于以上推論及其他檢測結果，判定K4特大橋預應力損失嚴重，而K5大橋則基本正常。事實是，K4特大橋開通運營后，其主梁持續下撓，橫向裂縫和斜向裂縫大量開展，兩年后不得不花費巨大的資金進行加固且設置健康監測系統，可謂教訓深刻。而K5大橋則在后續運營中則一直處于正常狀態。

6 結 論

(1)普通鋼筋應力釋放方法可用于驗證連續剛構橋梁的預應力損失狀況，但由于混凝土收縮徐變等因素造成其精確計算分析較為困難，條件允許時可采用多橋比對方法；

(2)由于受鋼筋彎曲、粘結等因素影響，測試結果中應注意排除異常數據；

(3)連續剛構橋梁橋面線形變化評定預應力損失的關鍵參數，一定要注意在橋梁竣工時埋設永久測點并進行首次觀測以便后期比對。