預應力梁橋預應力損失檢測技術研究

摘要 預應力梁橋具有重量輕、造價低、結構簡單等優(yōu)點，是當前應用較為廣泛的橋梁結構形式之一。但由于施工工藝、材料性能、外界環(huán)境等各方面因素影響，導致橋梁結構運營過程中產(chǎn)生了一定程度的預應力損失，嚴重威脅橋梁使用安全，影響使用年限。基于此，文章針對預應力梁橋預應力損失檢測技術展開綜合研究，論述了預應力檢測指標及評價標準，總結了較為常用的預應力檢測技術，并針對不同的檢測手段在原理、技術要點等方面的特點，進行了現(xiàn)有檢測技術的對比分析，具有重要的參考價值。

關鍵詞 預應力梁橋；預應力損失；檢測技術；檢測方案

中圖分類號 TU757 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0108-03

0 引言

預應力橋梁結構隨著運營年限的不斷增加，其預應力損失逐漸增大，嚴重影響結構使用安全和使用年限，積極強化橋梁結構預應力損失檢測，及時、準確地了解橋梁工作狀態(tài)，從而科學采取處治措施，保證橋梁安全穩(wěn)定運營。為此，該文針對預應力橋梁預應力損失檢測技術展開綜合研究，對提高預應力損失檢測技術水平，保證橋梁安全穩(wěn)定運營有著重要意義[1]。

1 預應力檢測指標與評價標準

預應力檢測技術在國內(nèi)應用相對較晚，現(xiàn)行相關規(guī)范對于有效預應力與張拉控制應力之間的關系并未給出具體說明。最新實施的《橋梁工程施工技術規(guī)程》以質(zhì)量檢測相關標準為預應力張拉控制的基本依據(jù)，即控制預應力張拉完畢，預應力筋錨下有效預應力需滿足設計張拉控制應力基本要求，允許偏差應小于±5%，同時相同斷面位置預應力筋有效應力不均勻度應控制在±2%范圍內(nèi)[2-3]。以fpk=1 860 MPa、φ=15.2 mm的預應力筋為例，其張拉完成后錨下有效預應力控制要求如表1所示。

具體應用時，相關標準規(guī)定的張拉控制應力具體是指錨下預應力，它是在充分考慮錨夾具收縮及錨環(huán)口部位預應力損失后得到的真實預應力，與千斤頂讀數(shù)存在較大差異。因此，檢測評價標準應結合最新實施的《橋梁結構預應力檢測評價標準》所明確的錨下有效預應力標準值實施科學評定。

2 現(xiàn)有主要檢測技術

2.1 智能反拉檢測技術

反拉法工藝相對簡便，準確度高，是現(xiàn)階段較為常用的預應力檢測技術。后張法張拉作業(yè)時，利用反拉法對有效預應力實施檢測，需在孔道壓漿前完成，以有效防止?jié){體與預應力束相互干擾，避免對縱向受力情況造成的影響。反拉法主要包括單根張拉與整束張拉兩種類型[4]。

2.1.1 理論基礎

如圖1所示為反拉過程受力原理示意圖，選擇錨下結構體系中的單個錨夾片及單根預應力筋進行分析。反拉作業(yè)時，拉力經(jīng)錨具逐步作用于夾片之上，將其固定于錨固位置，并同時承受預應力筋傳遞的縱、橫向反力作用，而在檢測錨下預應力時，只需錨具對夾片的橫向反力作用[5]。按照力學平衡理論，得出預應力筋與夾片受力關系，即錨下應力F3=反拉力F1+錨具對夾片橫向反力F2；反拉施工時，反拉力與位移變化主要分為3個階段，具體如圖2所示。

階段（1）：施加反拉力F1，并逐步增大，千斤頂與錨具間距離不斷縮小，位移增加速率顯著增大；此階段反拉力與位移斜率逐漸增大，如OA段所示。

階段（2）：該階段為錨夾具端部彈性增長階段，如AB段所示。隨著反拉力持續(xù)增加，千斤頂與錨夾具逐步緊貼，形成整體受力結構，該狀態(tài)下預應力筋發(fā)生彈性變形，斜率不變；并且錨具對夾片橫向作用反力F2持續(xù)減小，但結構整體仍處于受力平衡狀態(tài)。假設此階段預應力筋外露長度為l1，則伸長量Δl1=F1l1/EA，斜率則為K=F1/Δl1=EA/l1。而當F1逐漸增加至與錨下應力F3相同時，F(xiàn)2減小為零，該條件下錨具與夾片分離，達到臨界狀態(tài)。

階段（3）：該階段曲線跨越臨界點B，處于BC段位置。假設預應力筋錨下自由段長度增量為Δl2（Δl2gt;Δl1），則該狀態(tài)下隨著F1逐漸增大，曲線斜率越來越小，K=F1/Δl1=EA/l1+Δl2。

綜上所述，根據(jù)力學平衡關系，確定臨界點B處的反拉力為該預應力筋錨下有效應力。

2.1.2 反拉法檢測技術要點

現(xiàn)階段，反拉法是最為常用的預應力檢測方法，實際應用時，為有效確保檢測準確性，需嚴格注意以下幾個方面：

（1）反拉法檢測會在一定程度上損傷預應力筋，實際檢測時，如果采用反拉法對所有錨下預應力筋實施檢測，勢必會嚴重影響橋梁整體力學特性，因此，常規(guī)檢測時，通常選擇其中一部分錨具中的單根預應力筋實施檢測，最大限度地降低預應力筋損傷，保證結構承載性能。

（2）反拉力檢測主要通過力傳感器完成，其量程為被檢測對象錨下應力反拉力的1.3～1.5倍，精確度應大于滿量程的1.0%，位移傳感器量程、精確度分別為0～50 mm和0.02～0.05 mm。

（3）盡管反拉法應用取得了顯著效果，但主要是針對建設中的預應力結構及少數(shù)運營中的無黏結預應力結構，而對于后張法注漿后及現(xiàn)役有黏結預應力結構檢測效果較差，因此，在對現(xiàn)役橋梁結構實施預應力檢測時，不可采用此方法[6-7]。

2.2 光纖光柵傳感器檢測技術

光纖傳感器檢測技術是一種建立在光纖數(shù)據(jù)傳輸技術基礎之上發(fā)展起來的新興技術手段，主要適用于體內(nèi)及體外結構的預應力檢測。此技術中以光纖光柵傳感器檢測技術最為常用。

2.2.1 理論基礎

光纖是利用特定光學材料制成的光波導材料，當外界溫度、濕度、應力等各方面條件產(chǎn)生變化時，其內(nèi)部光波頻率、強度等相關指標均會產(chǎn)生相應的變化，進而導致測量波長發(fā)生變化，以此推導出造成此波長變化的溫度、應力等相關指標。光纖Bragg光柵主要指的是單模摻鍺光纖通過光線照射成柵技術生成的新型光纖光柵，光纖成柵后折射率產(chǎn)生規(guī)律性分布紋理，并產(chǎn)生Bragg光柵效應。其具體能量分配情況如圖3所示。

由于光纖Bragg光柵主要是利用芯區(qū)折射率變化，生成細小周期性調(diào)節(jié)成型，此類周期性干擾僅對會特定光譜產(chǎn)生影響，以此實現(xiàn)光波選擇的目的。因此，普通光源會完全穿透Bragg光柵不產(chǎn)生任何作用，僅有波長為λB的光源會在Bragg光柵內(nèi)部折射后回到原點，從而實現(xiàn)對光波的選擇。Bragg光柵在外界荷載作用下，反射波長計算公式如式（1）所示：

λB=2neff Λ （1）

式中，λB——Bragg反射波長；neff ——芯區(qū)折射率；Λ——光纖周期，通過調(diào)節(jié)兩相干紫外線夾角獲得。

2.2.2 光纖光柵傳感器檢測技術要點

光纖光柵傳感器所特有的性能優(yōu)勢，使其在橋梁結構預應力檢測中得到了較好的應用，其檢測技術要點如下：

（1）光纖材料具有優(yōu)良的傳導性能，且傳導時擁有良好的防護措施，能顯著增強應對惡劣環(huán)境的能力，可用于所有橋梁結構檢測。

（2）準確性高，以光反射波長位移為應變換算指標，檢測范圍較大。

（3）Bragg波長位移為絕對位移，可隨時獲得檢測數(shù)據(jù)，不需要檢測人員長期入駐現(xiàn)場，針對橋梁結構長期預應力監(jiān)測較為適用。

（4）抗剪性能相對較差，并且對溫度較為敏感，高溫條件下指標修正難度較大，因此對于溫度較高環(huán)境下的預應力檢測不宜采用該技術。

2.3 超聲波檢測技術

超聲檢測法包括聲速檢測法和頻譜分析法2種類型，其中聲速檢測法應用較為廣泛。

2.3.1 聲速測量法檢測錨下應力的理論基礎

此方法主要是根據(jù)聲彈性理論，利用聲波在介質(zhì)中的變化造成的時間變化規(guī)律，得到結構內(nèi)、外應力變化情況，具體包括相位對比法、聲時測量法、臨界角測量法等。

相位對比法主要是通過對比反射波與相鄰同頻率波相位，進而得到聲波傳輸時間。臨界角測量法則是根據(jù)折射角與縱、橫波變化情況，得到聲速變化規(guī)律，但因技術限制，折射角測量難以實現(xiàn)，因此目前此技術未得到有效應用。聲時測量法主要是利用聲波發(fā)射器釋放聲波，以鋼絞線為聲波傳遞介質(zhì)，利用鋼絞線末端接收器測量出鋼絞線工作狀態(tài)下內(nèi)部聲波傳播時間，根據(jù)聲時—應力變化曲線得到鋼絞線內(nèi)部實際應力值。

2.3.2 超聲波檢測技術的要點

超聲波具有較強的穿透力，能夠在大厚度介質(zhì)中傳播，且具有優(yōu)良的方向性，能夠實施定向檢測。

采用超聲波檢測技術可實現(xiàn)對結構表面應力的科學檢測，并能完成對鋼絞線內(nèi)預應力檢測；同時，利用超聲檢測技術能夠全面獲取結構內(nèi)部應力分布情況。此外，通過電磁轉換器，能夠實現(xiàn)對橋梁結構的無接觸檢測，避免對結構造成破壞，具有安全、高效等優(yōu)點。

3 現(xiàn)有檢測技術對比分析

現(xiàn)階段，常用的預應力檢測技術對比情況如表2所示。

通過表2能夠看出：①從檢測的準確性、安全性、經(jīng)濟性等各個角度來看，雖然所有檢測技術都有各自的優(yōu)缺點，甚至有些檢測技術已經(jīng)實現(xiàn)了非接觸性檢測，達到真正的無損檢測標準，但所有研究均是在理想環(huán)境條件下展開的，而在實際檢測時，其準確性往往無法保證，而且由于傳感器屬于精密性儀器，外界環(huán)境條件下極易產(chǎn)生破壞；②從本質(zhì)來看，反拉法是對鋼絞線的二次張拉，以此確定鋼絞線內(nèi)部實際預應力。但錨固時難免會產(chǎn)生錨具變形、夾片收縮等狀況，影響檢測結果準確性，通過設置在錨具上的傳感器，能夠對此預應力損失實施檢測，此方法對于錨下預應力損失檢測較為可行；③通過在橋梁結構表面或鋼絞線內(nèi)部設置應變傳感器、磁通量感應器，同樣能夠實現(xiàn)對橋梁結構預應力損失檢測，且能有效防止對結構造成破壞。

4 結論

綜上所述，對預應力橋梁結構實施預應力損失檢測，能夠及時、準確地了解橋梁結構運營狀態(tài)，保證結構運營安全性、可靠性。該文從受力特征、技術要點、準確性、安全性、經(jīng)濟性等不同角度，對現(xiàn)有檢測技術實施對比分析，具體結論如下：

（1）按照對橋梁結構損傷程度不同，主要包括無損檢測、局部有損檢測兩種類型。局部有損檢測主要包含反拉法、應力釋放法；而無損檢測則是利用超聲波、電磁感應等手段，在不破壞結構完整性的前提下，實現(xiàn)對橋梁結構錨下應力檢測。現(xiàn)階段，常用的無損檢測技術主要包括光纖光柵傳感器檢測法、超聲波檢測法、磁通量檢測法等。

（2）從檢測技術原理、準確性、經(jīng)濟性、安全性等不同角度，對橋梁預應力T梁結構預應力損失實施綜合分析，實際檢測時，應根據(jù)張拉部位、結構形式、力學特征及T梁內(nèi)部構造等各方面因素，科學選擇預應力檢測技術，以有效提升檢測的準確性和有效性，保證橋梁結構安全性與可靠性。

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