預應力混凝土梁結構快速檢測技術研究

袁光英 李 剛 金 花 王 龍

（1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；2.陜西省高性能混凝土工程實驗室，陜西 渭南 714000）

0 引言

我國的公路橋梁到目前為止已超過90萬座，其中跨度超過40m以上的橋梁不超過15%，跨度小于40m的中小橋梁超過85%。中小跨徑橋梁占絕大多數，中小跨徑橋中又以預應力混凝土橋梁最為普遍。從使用年限來看，大約有60%～70%的橋梁是在近30年間修建的，但也有30%～40%的橋梁使用年限在30年以上。根據外國經驗，設計平均壽命為75年的橋梁實際使用壽命平均為40年左右。由于施工質量通常得不到保證，以及超載現象的普遍化，使得我國橋梁的損傷和老化速度超過預期。如何能夠合理地對這些橋梁進行檢測、評定，對于維護人民群眾的生命財產安全，降低全周期成本等均有重要的意義。

預應力混凝土橋梁以其優良的經濟性及力學性能，從而得到了極其廣泛的應用。其優點為：（1）結構所采用的高標號鋼材和混凝土，導致整個截面尺寸較小，從而較好地減輕了結構自重。（2）截面剛度較大，同時無裂縫可很好保護混凝土內的鋼筋，提高了耐久性。預應力混凝土橋梁的特性決定了需要長期重視安全性。

預應力混凝土橋梁的破壞模式主要有：（1）橋墩的失穩引起的垮塌（橋墩失穩）；（2）由于超重車輛的不符合交通要求行駛，導致整個橋梁受力不符合規范要求而出現破壞，基本有橋跨的中部以彎曲破壞為主和橋跨的端部以剪切破壞為主兩種類型。（3）由于孔道灌漿不密實造成的鋼絞線銹蝕以及預應力損失。預應力損失是隨著橋梁使用年限的增加而累計的，其危害將越來越大。本文就預應力混凝土橋梁結構檢測技術進行研究。

1 混凝土梁檢測參數確定

通過對混凝土本構關系的分析和混凝土強度機理的推導，可確定對于實際結構而言，如果想要對混凝土橋梁進行結構檢測以確定其是否有損傷，可從如下三個方面進行：混凝土彈性模量、混凝土裂縫區域、混凝土裂縫深度。

對于普通鋼筋混凝土橋梁，由于其彎曲變形特性，截面可分為3部分：壓縮區、中性區、拉伸區。對于預應力混凝土橋梁，由于預應力的存在，整個梁截面基本處于受壓狀態，每點受力均為壓應力。但是當預應力出現損失，且損傷超過一定數值時，整個截面的應力狀態便會發生變化，與正常彎曲變形類似。因此對于鋼筋混凝土橋梁，需要對梁的上、中、下部位都進行測試才能滿足要求。此外利用不同荷載進行測試，可以進一步提高測試精度。可取橋梁自重荷載或者自重+正常使用極限狀態下的荷載進行測試。

當無法得到混凝土彈性模量E c或為了提高推算精度，可以利用不同應力條件下的結果回歸E c和S L。其方法為：當僅自重作用下，混凝土切線彈性模量可以表示為：

或者

當自重+交通荷載作用下的測試，根據交通荷載的大小，可以推算出應力水平的增量DS L，此時的規范模型的切線彈性模量為：

聯立上兩式，可以求得E i（即E c）和S L。過鎮海模型也可以按同樣方法處理。

由于橋梁的承載力不僅與混凝土材料狀況有關，而且與梁板的幾何尺寸、鋼筋、預應力等有密切的關系。在實際操作中主要根據測得的實際應力狀態和裂縫大小情況來推算橋梁實際的承載力狀態與設計工況之間的區別。依據設計參數，確定在不同工況下的應力狀態與材料的彈性模量之間的關系。將設計值與相應位置的測試值進行比較，明確其間的差異，從而找出實際受力與設計值之間的差別。測試區域的均值與極值由于預應力梁在外荷載作用下，各點的應力水平均不相同，因此測試區間的選取十分重要。另一方面，在實際的測試中往往利用梁的兩端，這就存在應力水平的均值問題。

2 混凝土梁檢測試驗

本次試驗中混凝土梁的加固測試模型分為鋼板加固和碳纖維布加固兩種類型，分別進行結構的荷載試驗，見圖1～圖4。根據彎曲構件的特點，加固區設置在梁的底面。模型尺寸為長×寬×厚（185×20×10cm），荷載方向與澆筑面平行，即荷載方向結構尺寸為20cm。

圖1 碳纖維布構件試驗分析結果

圖2 碳纖維布構件測試波形（上：低荷載，下：高荷載）

圖3 鋼板加固構件試驗分析結果

圖4 鋼板加固構件測試波形（上：低荷載，下：高荷載）

通過對測試結果進行分析：數據顯示隨著荷載的增加，結構構件的彈性模量所測得數值呈逐漸下降的趨勢；反射法得到彈性模量的降低率要大于透射法的結果，但初始值基本一致；在裂縫發生前后，彈性模量有較為明顯的降低。對于上節中的混凝土加固構件，對其中受壓區的彈性模量的變化情況，利用IE法（MEM）進行了測試，測試方向與裂縫深度方向平行，測試實景及示意圖見圖5～圖7。

圖5 受壓區彈性模量變化率

圖6 高應力區頻譜

圖7 點次高應力區MEM頻譜

測試結果說明：隨著荷載的增加，測試得到的彈性模量呈先升高后降低的趨勢；對稱位置的測試結果基本一致。

對預應力構件荷載彈性模量進行測試，結構尺寸為3.2×0.15×0.24m，設計強度為C40。在測試中，對結構進行分級張拉，總張拉力為140kN，共分為8級。

測試結果表明：隨著張拉力的增加，構件的彈性模量與結構的預應力有明顯的線性關系；對測試數據進行分析，可以建立預應力與彈性模量的關系（見圖8），并以此推算錨下預應力，并利用該關系大致推算出P4的錨下預應力為59kN，較張拉時有較大的預應力損失；測試中得到的數值反應的不是單向應力的變化而是綜合應力的變化。

圖8 彈性模量與預應力的關系圖

3 混凝土梁檢測參數實測

在實際混凝土梁的檢測過程中分為兩個試驗，即預應力梁的過火試驗以及梁結構的載荷試驗。在進行結構的彈性模量測定時分成整體和局部兩種類型分別測值。彈性模量的測試點分布在上中下三個部位，縱長全長測試。不同荷載條件下過火前后彈性模量和撓度的變化試驗結果分別見圖9、圖10。

圖9 中梁過火前后模量趨勢圖

圖10 中梁過火前后撓度趨勢圖

經過過火實驗0.5h及3h后，兩塊空心板整體彈性模量的變化率在過火前后分別平均降低了5%左右，但是在過火附近位置的彈性模量則降低了30%以上。加載等級與測試彈性模量相關性不大，說明加載仍在結構的彈性范圍之內。不同荷載條件下過火前后跨中撓度的變化：過火后中梁1的撓度基本沒有變化，而中梁2的撓度較之前提高了25%，其結果與彈性模量測試趨同，在數值表現上離散更大些。中梁1和中梁2的撓度加載曲線基本為直線，說明結構處于彈性范圍內，與彈性模量測試結果一致。整體測試結果表明：靜載試驗與彈性模量測試兩者的結果基本一致，彈性模量更能反映結構材質的變化；平均而言，撓度的變化量大于整體彈性模量的變化量，這是因為撓度還受到有效截面積減小的影響。

4 結束語

通過上述分析可知：在進行混凝土結構的無損檢測過程中，裁量的彈性模量是一個至關重要的檢測參數。其數值的變化可以從側面推算出結構內部裂縫的變化，如果能準確測試出該數值的變化情況，便可極大地方便混凝土結構的損傷評估。在現有彈性波的理論下，根據彈性波中對于波速與材料的動切線彈性模量之間的對應關系，以及在具體理論分析中裂縫對彈性波的影響，以及彈性波能量的衰減等的相關性，可以很好地反應出結構內部的變化規律。在實際操作過程中通過沖擊彈性波P波對混凝土的彈性模量進行相關測定，可較好地反應出結構的損壞情況。