高速鐵路32 m整孔預制簡支箱梁起吊狀態裂紋分析

盧文良，李曉壯，馬學朋

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

1 概述

截止到2019年底，我國鐵路營業里程將達到13.9萬km以上，其中高鐵3.5萬km。高速鐵路建設中大量采用“以橋代路”，高鐵橋梁數量達到3.5萬余座，長度達到1.9萬余km[1-3]。簡支箱梁具有受力簡單明確.形式簡潔.抗扭剛度大.后期養護工作量小.經濟性好等優點，在工程實踐中被廣泛采用[4-5]。高鐵預制簡支箱梁的常用跨度為32 m，梁體質量為800 t左右。箱梁在移梁.架梁過程中要經歷數次起吊環節，有時出現混凝土開裂現象。起吊狀態下裂紋既與起吊工藝有關，也與前續工序質量狀態有關，影響因素比較復雜。裂紋在落梁后通常會閉合。起吊時產生的裂紋在落梁后不能完全閉合時，應進行裂紋封閉處理，否則將對橋梁的耐久性及高速鐵路運輸安全產生不利影響[6-7]。

箱梁結構的細小裂紋不容易被發現[8]。聲發射(Acoustic Emission，簡稱AE)技術利用結構材料開裂時發出的彈性波信號進行開裂判別，只需適當布置傳感器即可實現對整個結構的監測，不但克服了大型結構裂紋的檢測困難，還具有實時.動態等獨特的優勢[9]。Lacidogna[10]采用聲發射技術和共振頻率提取技術，對預制混凝土梁試件在三點彎曲條件下的裂紋擴展過程進行了監測。Nguyen-Tat等[11]采用聲發射技術監測了混凝土梁在受彎循環荷載作用下的損傷過程。王余剛等[12]采集了混凝土材料三點彎曲破壞全過程的聲發射信號，并對聲發射累積能量曲線進行了研究。顧愛軍等[13]利用聲發射技術對鋼筋混凝土梁進行了損傷識別研究。張賽等[14]在梁三點破壞試驗過程中采集了聲發射信號，研究了梁損傷過程的信號頻率范圍。混凝土梁的開裂原因及裂縫控制是工程技術人員的研究熱點[15-19]，但將聲發射技術應用到混凝土箱梁等大型構件裂紋損傷監測的研究較少。針對預制箱梁從制梁臺座起吊時的開裂問題，采用現場調研.有限元分析和聲發射監測相結合的方法，研究起吊時裂紋的產生原因和位置，為預制箱梁裂紋發現和抗裂措施提供技術支持。

2 整孔預制箱梁起吊狀態裂紋調研

2.1 箱梁概況

調研箱梁為某高速鐵路梁場從制梁臺座起吊到存梁臺座后的36片整孔預制雙線箱梁。主梁采用C50混凝土，梁長32.6 m，頂板寬12.6 m，底板寬5.5 m，梁高3.05 m。箱梁有8個吊裝孔，吊裝孔直徑為120 mm，具體位置參數如圖1所示。

圖1 整孔預制雙線箱梁吊裝孔位置(單位：mm)

2.2 箱梁起吊工藝

制梁完畢，經養護.初張拉等環節后，使用提梁機將箱梁從制梁臺座上提起，在場內進行箱梁縱橫向吊移作業。起吊前確認箱梁與底模無任何連接，對吊裝孔的相對間距和垂直度進行檢查，確認吊具能正確安放到位。采用專用吊具與箱梁進行可靠聯結，然后將箱梁吊起至100 mm左右停車制動，檢查梁體縱.橫向水平度是否滿足要求。最后待梁體緩慢落梁至存梁臺座上方約300 mm位置，調整梁體位置，將梁位各支點縱橫向標線與存梁臺座“十字”標線對中后，平緩落梁至存梁臺座。

2.3 裂紋調研結果

對36片從制梁臺座起吊至存梁臺座的雙線箱梁進行了詳細檢查，重點查看了吊裝孔周邊.跨中及1/4跨附近箱內頂板及腹板。發現36片箱梁均有表面保護層開裂現象，其中12片箱梁有3處開裂，24片箱梁有4處開裂，共計132處裂紋，裂紋損傷統計結果見表1。裂紋均發生在吊裝孔附近箱梁腹板內表面.靠近上梗腋的部位，部分裂紋沿縱向延伸至變截面處。裂紋位置如圖2所示。

表1 裂紋損傷統計結果

圖2 箱梁縱向裂紋

3 箱梁起吊狀態受力分析

3.1 有限元模型

為分析起吊狀態箱梁應力變化情況，建立有限元模型對箱梁平衡起吊狀態進行模擬分析。混凝土單元和鋼墊板單元采用三維實體線性減縮積分單元C3D8R。混凝土采用塑性損傷模型，在箱梁起吊階段，C50混凝土抗拉極限強度取0.8倍折減系數，為2.48 MPa[20]。僅考慮箱梁自重荷載。鋼墊塊與混凝土接觸關系設定為綁定接觸。采用映射網格劃分方法，在箱梁端部吊裝孔附近的單元尺寸較小，以提高計算精度。在箱梁跨中部分，則采用較低的網格密度，以減少單元的數量，提高計算的效率。

3.2 有限元計算結果

箱梁在平衡起吊狀況下，除去吊點位置應力集中的情況以外，箱梁橫向與縱向應力最大值都出現在頂板上表面的吊裝孔之間，拉應力值分別為1.77 MPa和1.76 MPa。數值模擬時，頂板腹板交界處有限元模型做了近似處理，與實際工程中此處的光滑圓角略有區別，導致頂腹板交界區域計算應力偏大。剔除該區域后，豎向應力最大值出現在距吊裝孔豎向距離為150 mm腹板內側靠近上梗腋處，拉應力值為1.96 MPa，腹板豎向應力云圖如圖3所示。

圖3 箱梁腹板豎向應力(單位：MPa)

不考慮加載點及上梗腋應力集中區域的計算值，箱梁頂板上下表面及腹板拉應力的計算值小于規范規定的混凝土拉應力容許值。計算結果表明，在箱梁起吊狀態下，豎向應力最大值在吊裝孔附近箱梁腹板內表面.靠近上梗腋的部位。計算發現的危險區域和現場調研發現的裂紋區域一致，可推斷裂紋與受力狀態密切相關。有限元計算結果，也可為起吊過程中聲發射監測的傳感器布置提供參考。

4 箱梁起吊狀態聲發射監測

4.1 起吊聲發射監測方案

聲發射信號采集系統主要由聲發射傳感器.數據采集儀.聲發射軟件等組成。本次監測所用傳感器諧振頻率為150 kHz，工作頻率為50～400 kHz。為探明起吊階段箱梁裂紋的發展，對某片預制梁從制梁臺座起吊的全過程進行了聲發射監測。

(1)聲發射傳感器的布置

傳感器布置依據除了有限元計算以及調研結果外，還有斷鉛試驗等聲發射前期分析，比如不同距離時傳感器對斷鉛信號的響應幅值大小。梁體易開裂位置在吊裝孔附近頂板與腹板交界處的箱梁內側。在監測箱梁大里程端的內側共布置8個傳感器，對稱布置在箱梁室內左右兩側，左側4個編號為1號～4號，右側4個編號為5號～8號。每側頂板和腹板各2個傳感器，沿箱梁橫向距離為400 mm，沿箱梁縱向距離為300 mm。傳感器間距布置合適，傳感器之間響應良好。箱梁右側傳感器布置如圖4所示。為保證傳感器與試驗梁表面接觸良好，用酒精擦拭傳感器標定位置，并在聲發射傳感器表面均勻涂抹耦合劑，然后將聲發射傳感器用磁性夾具固定于既定位置。

圖4 箱梁右側傳感器布置(單位：mm)

(2)系統參數設定

混凝土材料中的聲發射源定位受多種因素影響，為保證監測到損傷源信號，并去除噪聲信號，需要在正式監測前，通過斷鉛試驗確定相關聲發射采集系統的參數。在箱梁腹板內側進行斷鉛試驗，分析斷鉛時采集到的全波形信號。通過試驗分析，確定當各傳感器的門檻值為50 mV時，可以將噪聲信號排除在外，能接收到斷鉛試驗的首波，做出更為精確地定位。根據斷鉛試驗的結果，50 μs可作為峰值定義時間。根據斷鉛試驗信號到達傳感器的時間差來確定波速，本次試驗波速為3 202 m/s。為了真實的描述和識別AE信號，撞擊定義時間值取為100 μs，撞擊閉鎖時間值取為200 μs。

4.2 聲發射監測結果

起吊時的聲發射監測和現場檢查均表明，箱梁在起吊過程中產生了裂紋，開裂位置在吊裝孔附近箱梁腹板內表面.靠近上梗腋的部位。裂紋位置與現場檢查和有限元計算顯示的開裂區域一致。裂紋為水平方向，沿箱梁縱向延伸擴展，如圖5所示。

圖5 監測箱梁裂紋

對所有傳感器監測的聲發射信號進行分析，發現8個傳感器信號發展趨勢相同，在此以1號聲發射傳感器信號波形為例進行分析。損傷過程和聲發射監測情況簡介如下。

提梁機的提梁托板剛與預制箱梁頂板接觸時，箱梁重力尚未完全轉移到提梁機，箱梁部分重力仍由制梁臺座承擔，箱梁表面并未出現肉眼可見的裂紋。此時聲發射采集儀上的波形信號顯示少量的突變，這是由于混凝土中水泥砂漿和集料界面存在著原始缺陷，原有缺陷的微小進展會產生彈性波信號，如圖6(a)所示。

隨著梁體逐漸脫離制梁臺座，箱梁重力全部轉移到8個吊點，構件內部不斷產生新的損傷，有些微裂紋發展到了構件的表面，形成1號裂紋。此時，聲發射信號開始密集，且隨著箱梁的提升不斷增大，如圖6(b)所示。

提梁機將箱梁提升，并完全脫離底模板后，箱梁受力存在一定程度動荷載效應，2號裂紋出現，1號裂紋擴展并向箱梁跨中方向延伸。聲發射信號劇烈出現，如圖6(c)所示。

當箱梁被勻速提升后，作用在結構上的荷載不再增大，裂紋停止擴展，未產生新的裂紋。聲發射信號趨于穩定，波形少有突變，如圖6(d)所示。

圖6 聲發射傳感器在箱梁起吊各階段信號波形

4.3 聲發射參數分析

采用累積能量.累積撞擊計數和幅值3個常用于分析損傷發展的參數，研究箱梁在起吊過程中損傷的發展特性。以1號聲發射傳感器為例對箱梁起吊的聲發射信號進行參數分析，累積能量.累積撞擊計數及幅值隨梁體損傷變化情況如圖7所示。

圖7 聲發射信號參數與箱梁起吊裂紋的關系

箱梁剛開始起吊，能量緩慢積累，累計計數穩定增長，幅值增長較快，達到5 000 mV，微觀裂紋連通，形成1號裂紋。隨著箱梁繼續提升，與底板脫離，聲發射現象劇烈，能量快速積累，累計撞擊計數增長速率提升，幅值信號密集出現，幅值最高可達到10 000 mV，此階段裂紋擴展.延伸程度較大，2號裂紋出現，1號裂紋向跨中延伸。箱梁勻速提升階段，聲發射事件減少，能量積累和累計計數增長減緩，幅值開始降低，裂紋不再增大。

4.4 聲發射損傷定位

本次試驗中裂紋監測目標區域為吊裝孔附近腹板與頂板交界區域，根據彈性波傳播特性，可展開為平面進行損傷點定位。采用平面時差定位法，在箱梁左側4個傳感器坐標形成的矩形區域內損傷源定位點如圖8所示。從圖8可以看出，箱梁的損傷點集中在傳感器監測區域的中下部，表明試驗過程中所產生的聲發射信號主要來自于頂板與腹板交界的腹板內側.靠近上梗腋處，和箱梁起吊過程中觀察到的裂紋出現位置一致，其余部分也有少量聲源點，但未形成密集.連通的條帶狀，表明內部有一些微損傷，但未形成宏觀裂紋。矩形平面時差定位算法和合理的聲發射參數設置，在一定程度上保證了聲發射技術定位損傷源的準確性。

圖8 損傷源定位點

5 箱梁起吊狀態開裂原因及對策建議

5.1 開裂原因分析

計算表明，起吊狀態下箱梁腹板內側靠近上梗腋處的拉應力為1.96 MPa，小于箱梁混凝土的極限抗拉強度。因此，實際工程中箱梁起吊狀態下的裂紋是多種因素疊加造成的結果。箱梁起吊狀態裂紋發展的原因主要有以下幾點：(1)澆筑養護工藝不規范。比如，澆筑混凝土時振搗操作不當.現場養護不到位等，導致箱梁起吊前箱梁內部已有微損傷存在。(2)箱梁吊點處為混凝土結構，鋼筋保護層偏差對裂紋寬度影響較大。(3)箱梁起吊時各吊點處受力不均衡，導致有的吊點附近混凝土局部應力過大。(4)梁體在起吊時操作不平穩，存在振動沖擊力，加劇梁端腹板與頂板交界處的損傷。

5.2 抗裂措施建議

為了避免或減小箱梁起吊裂紋，建議考慮以下抗裂措施：(1)完善混凝土澆筑及養護工藝。混凝土澆筑時振搗充分，改善澆筑質量，嚴格實施混凝土養護流程。(2)改善吊裝工藝，研發吊點自平衡裝置。(3)降低起吊時箱梁振動，平穩操作。(4)在梁端腹板與頂板交界處嚴格控制鋼筋位置準確，避免保護層過大。(5)必要時在箱梁吊點位置附近增設臨時豎向預應力。

6 結語

通過對整孔預制簡支箱梁起吊狀態裂紋調研.受力分析及開裂監測研究，可得如下結論。

(1)預制箱梁起吊環節，腹板存在豎向拉應力，但小于混凝土抗拉強度。吊裝孔附近頂板及腹板交界處的裂紋是多種不利因素疊加的結果，需要對制造.提梁各環節給予充分重視。

(2)各吊點平衡起吊時，箱梁腹板最大豎向拉應力為1.96 MPa；吊點受力不均衡時，拉應力數值還會略大一些。箱梁起吊時，應保持各吊點受力平衡，平穩緩慢上升，減小起吊時沖擊力。

(3)聲發射信號累計能量.累計計數和幅值與箱梁起吊時的裂紋發展存在密切相關性，聲發射技術可用于大型箱梁起吊裂紋監測。

(4)通過多個聲發射傳感器的信號分析，可以對預制箱梁起吊過程中裂紋進行基本定位。