王華，劉雪鋒，彭建新，張建仁

（1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責任公司，貴州貴陽 550000；2.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州貴陽 550000；3.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

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PC構(gòu)件承載力快速評定方法試驗研究?

王華1，劉雪鋒2，彭建新3，張建仁3

（1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責任公司，貴州貴陽 550000；2.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州貴陽 550000；3.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

摘要：基于動彈性模量理論快速評定試驗梁PC構(gòu)件承載力，并與荷載試驗承載力評定結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明，試驗梁加載過程中進行動彈性模量測試，各階段的彈性模量均未出現(xiàn)明顯下降，說明砼結(jié)構(gòu)仍處于彈性范疇，具有較大的承載力冗余，承載力滿足要求；與現(xiàn)場荷載試驗對比，基于動彈性模量理論能準確、快速地評定試驗梁PC構(gòu)件的承載力。

關(guān)鍵詞：橋梁；PC構(gòu)件；動彈性模量；承載力荷載試驗

砼材料是典型的應(yīng)變率敏感性材料，不同應(yīng)變率下其強度、延性和破壞模式明顯改變。結(jié)構(gòu)材料的彈性模量是結(jié)構(gòu)受力特性的一個重要參數(shù)，反映砼所受應(yīng)力與產(chǎn)生應(yīng)變之間的關(guān)系，并體現(xiàn)砼結(jié)構(gòu)截面的剛度，是與橋梁結(jié)構(gòu)撓度變形相關(guān)的重要指標，也是研究裂縫開展和溫度應(yīng)力的必要參數(shù)之一。

國內(nèi)外學者對砼靜態(tài)彈性模量作了大量研究，但在砼動態(tài)彈性模量研究，尤其是基于動態(tài)彈性模量快速評定結(jié)構(gòu)承載力上的研究甚少。為此，該文基于動彈性模量理論快速評定試驗梁PC構(gòu)件承載力，并與荷載試驗承載力評定進行對比研究，驗證其合理性。

1　試驗方法

1.1材料

試驗梁設(shè)計荷載標準為公路Ⅰ級，采用40 m標準中跨中梁T梁通用圖紙進行澆筑，中梁結(jié)構(gòu)斷面見圖1，現(xiàn)場養(yǎng)護28 d后進行相關(guān)試驗準備。

圖1　中梁結(jié)構(gòu)斷面示意圖（單位：cm）

1.2荷載試驗檢測方法

1.2.1檢測項目

（1）撓度測試。在試驗梁的支座、1/4L截面、跨中截面、3/4L截面設(shè)置撓度測點（見圖2），根據(jù)現(xiàn)場條件，采用精密光學水準儀進行測試。

圖2　撓度測試截面（單位：cm）

（2）應(yīng)變測試。試驗梁應(yīng)變測試截面共設(shè)2個，即跨中最大正彎矩截面J1、3/4L截面正彎矩截面J2（見圖3）。

圖3　應(yīng)變測試截面（單位：cm）

根據(jù)現(xiàn)場條件及單梁的受力特點，在J1、J2截面布置應(yīng)變片，測試在試驗荷載作用下的應(yīng)力增量，以分析判斷主體結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）控制部位的受力狀態(tài)。測點布置見圖4。

1.2.2試驗效率

靜力試驗荷載按照控制內(nèi)力、應(yīng)力或變位等效原則確定，靜力荷載試驗效率宜為0.95～1.05。進行現(xiàn)場靜力試驗，在最大正彎矩工況下，J1截面理論計算內(nèi)力為4 091.65 k N·m，試驗計算內(nèi)力為4 407.86 k N·m，靜力試驗荷載效率為1.08。

圖4　應(yīng)變測點布置

試驗荷載采用鋼絞線進行堆載，布置見圖5。

圖5　鋼絞線堆載布置（單位：cm）

2　承載力快速評定方法

2.1檢測原理

砼的彈性模量決定結(jié)構(gòu)的變形特性，并與強度、耐久性有著非常密切的關(guān)系。準確、快速地測試結(jié)構(gòu)的彈性模量，對控制結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)耐久性具有重要意義。

采用動彈性模量分析法，分析結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載下彈性模量是否發(fā)生突變及非彈性變化，并觀察動彈性模量隨加載的變化趨勢來判斷結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計荷載的要求。

動彈性模量采用沖擊彈性波作為測試媒介，通過測試彈性波的波速，計算材料的動切線彈性模量、推算相應(yīng)的靜切線彈性模量，進而根據(jù)靜彈性模量與抗壓強度的相關(guān)關(guān)系推算砼的抗壓強度和應(yīng)力水平。其核心在于精確測試砼材料的彈性模量Ec。

砼的彈性模量Ec不僅影響結(jié)構(gòu)的變形，而且是反映砼質(zhì)量、耐久性的重要指標。它可反映材料的剛性特性，在結(jié)構(gòu)的變形計算中是重要的參數(shù)。特別是對于高強度砼，簡單地采用抗壓強度反推彈性模量的方法往往存在較大的誤差。砼材料的老化往往先從彈性模量的降低開始，而新建結(jié)構(gòu)的施工不良也會在彈性模量方面有所顯現(xiàn)。

對于一維均質(zhì)彈性體，其彈性模量E與彈性波P波波速vP1的關(guān)系可表示為：

當測試對象為二維或三維時，P波速度有一定變化。對于二維彈性體：

式中：μ為砼的動泊松比。

對于三維彈性體：

而對于表面波（瑞利波），其關(guān)系可表示為：

一般來說，砼的動泊松比μ為0.2～0.25，其不同波速間的比較見表1。

表1　砼彈性模量測試結(jié)果

這里得到的是材料在小應(yīng)變條件下的動切線彈性模量Ed，而非彈性模量Ec。對于鋼材這樣的均質(zhì)彈性材料，Ed與E非常接近。而對于砼這樣的非線性材料，Ed與Ec之間存在一定差異。具體體現(xiàn)在：1）應(yīng)力水平的影響。如前所述，砼材料的應(yīng)力水平越高，切線彈性模量越低。2）粘性的影響。在低應(yīng)力水平條件下（如試塊），Ed與Ec的差異主要體現(xiàn)在粘性的影響上。

由于測試對象（構(gòu)件或試件）和測試位置的不同，形成了多種測試方法，主要有基于反射特性的測試方法（如沖擊回波法）和基于透過特性的測試方法（如單面?zhèn)鞑シê碗p面透過法）。

2.2現(xiàn)場測試

根據(jù)構(gòu)件加載方式及受力形式，選取跨中處腹板均勻設(shè)置3個測點，對每級加載工況下對應(yīng)不同測點進行彈性模量測試，每個測點每級加載工況下分別測量3次，取平均值進行計算分析。測點編號從腹板頂部到馬蹄處依次為1～3。

3　評定結(jié)果分析

3.1荷載試驗檢測結(jié)果分析

3.1.1撓度檢測

試驗荷載作用下，單梁撓度實測結(jié)果見表2，滿載實測值與計算滿載值的比較見圖6，主要測點撓度值與荷載的關(guān)系見圖7。

表2　撓度檢測結(jié)果

圖6　滿載實測撓度值與計算值的比較

圖7　F2測點撓度值與荷載的關(guān)系曲線

從表2、圖6、圖7可看出：試驗加載下，右2-4號梁實測單梁最大彈性撓度為14.38 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.72～0.76。卸載后整體上撓度恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測點相對殘余撓度均在20%以內(nèi)。說明在試驗荷載下單梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。

3.1.2應(yīng)變檢測

試驗荷載作用下，各測試截面的實測應(yīng)變及與計算應(yīng)變的比較見表3～4，主要測點應(yīng)變值與荷載的關(guān)系見圖8。

表3　J1截面應(yīng)變檢測結(jié)果

表4　J2截面應(yīng)變檢測結(jié)果

圖8　J1截面測點應(yīng)變值沿梁高度的分布

從表3、表4、圖8可看出：試驗加載下，試驗梁應(yīng)變校驗系數(shù)為0.51～0.66，卸載后整體上恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測點相對殘余應(yīng)變在20%范圍內(nèi)。說明在試驗荷載作用下單梁結(jié)構(gòu)整體強度滿足要求。

3.2快速評定方法結(jié)果分析

各測點不同加載等級下的彈性波波速及彈性模量測試結(jié)果見表5，彈性模量與加載的關(guān)系見圖9，彈性模量變化率與試驗荷載的關(guān)系見圖10。

表5　彈性模量測試結(jié)果

從圖9及10可知：1）加載前，腹板下部砼動彈性模量高于腹板上部。其原因可能為腹板下部結(jié)構(gòu)鋼筋布置較多，鋼筋砼換算彈性模量較大。2）對比1～2級加載，腹板上部砼彈性模量變化率大于腹板下部。其原因可能為加載前腹板上部砼彈性模量基數(shù)較小，在荷載作用下變化較明顯。3）各測線的彈性模量均在35～37 GPa，未出現(xiàn)上低下高的趨勢，表明砼較均勻。4）1級加載后，各測線的彈性模量均有所提高，平均提高約2.7%。其原因在于加載后，砼由單向受力變?yōu)殡p向受力，應(yīng)力狀態(tài)有所改善，相應(yīng)地其彈性模量、強度有所提高。5）各測試階段的彈性模量均未出現(xiàn)明顯下降，說明砼結(jié)構(gòu)仍處于彈性范疇，具有較大的承載力冗余，承載力滿足要求。根據(jù)對現(xiàn)場梁體的觀察，各部位均未出現(xiàn)裂縫和其他損傷，與推算結(jié)果相符。6）2級加載后，平均彈性模量幾乎沒有變化，說明在滿載荷載下，梁體呈現(xiàn)良好的線彈性狀態(tài)，承載能力滿足設(shè)計荷載等級要求。

圖9　彈性模量與加載的關(guān)系

圖10　彈性模量變化率與試驗荷載的關(guān)系

4　結(jié)論

該文基于動彈性模量理論快速評定試驗梁PC構(gòu)件承載力，并與荷載試驗承載力評定進行對比研究，得出結(jié)論如下：

（1）試驗梁加載過程中，各階段的彈性模量均未出現(xiàn)明顯下降，說明砼結(jié)構(gòu)仍處于彈性范疇，具有較大的承載力冗余，承載力滿足要求。

（2）現(xiàn)場對試驗梁進行承載力荷載試驗，主要控制測點滿載時各工況下的撓度校驗系數(shù)和應(yīng)變校驗系數(shù)均滿足要求，結(jié)構(gòu)呈良好的線彈性狀態(tài)，表明單梁承載能力滿足設(shè)計荷載等級要求。

（3）與現(xiàn)場荷載試驗對比，基于動彈性模量理論能準確、快速評定試驗梁PC構(gòu)件的承載力。

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式中：ρ為材料的密度，對于砼，ρ一般約為2 400 kg/m3。

中圖分類號：U448.21

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0187-04

基金項目：?國家自然科學基金資助項目（51008037，51178060）；湖南省自然科學基金資助項目（12JJ6050）；貴州省交通運輸廳科技項目（2016-121-038）

收稿日期：2016-02-20