閆燕紅,孫運(yùn)國，何立忠，鄭連生

(天津市交通科學(xué)研究院，天津 300300)

0 引 言

在役預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂等病害，影響結(jié)構(gòu)安全性[1]。工作應(yīng)力是反映混凝土結(jié)構(gòu)安全與否的重要指標(biāo)，針對(duì)混凝土工作應(yīng)力的獲取，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量研究，主要有無損檢測技術(shù)和局部破損檢測技術(shù)[2]。

無損檢測技術(shù)相關(guān)聲學(xué)參數(shù)的測試精度較高，但受外界環(huán)境影響較大，主要建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)的定性分析。局部破損檢測技術(shù)主要是應(yīng)力釋放法，其最初應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)件殘余應(yīng)力的測試，科學(xué)工作者對(duì)應(yīng)力釋放法進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，并逐漸將其應(yīng)用于混凝土材料[2-4]?；炷翍?yīng)力釋放法主要有盲孔法、環(huán)孔法和開槽法[5]。

魯亮等[6-7]近年來對(duì)應(yīng)力釋放法技術(shù)在鋼筋混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)室構(gòu)件試驗(yàn)，分析驗(yàn)證了切槽法不同切槽距和切槽深度下的應(yīng)力釋放效率。

筆者以切槽法應(yīng)力釋放技術(shù)為研究對(duì)象，參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果，利用預(yù)制構(gòu)件開展了切槽法應(yīng)力釋放效率影響因素研究，對(duì)拆下的板梁進(jìn)行實(shí)體構(gòu)件切槽法應(yīng)力釋放測試，通過實(shí)測驗(yàn)證，采用構(gòu)件邊緣切槽的應(yīng)力釋放法可獲得良好效果。

1 切槽法影響因素理論分析及試驗(yàn)

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究成果，分析切槽法的應(yīng)力釋放值與切槽深度的關(guān)系，確定鋼筋混凝土構(gòu)件表面正應(yīng)力釋放為0的深度是測區(qū)邊長的1/3[7]。對(duì)混凝土構(gòu)件切槽法應(yīng)力釋放檢測的切槽深度及切槽方式進(jìn)行理論計(jì)算分析，并制作預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，有限元模型如圖1，預(yù)制構(gòu)件如圖2。

圖1 試塊有限元模型示意Fig. 1 Finite element model diagram of test block

圖2 預(yù)制構(gòu)件Fig. 2 Prefabricated component

1.1 不同切槽深度下應(yīng)力釋放理論分析

參考國內(nèi)已有研究成果，取切槽標(biāo)距為105 mm，對(duì)模型分別施加5.15、3.45、1.73 MPa均布?jí)簯?yīng)力，利用有限元軟件模擬分析不同切槽深度下應(yīng)力釋放規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 不同初始應(yīng)力狀態(tài)下切槽應(yīng)力釋放變化Fig. 3 Cutting stress release variation under different initial stress conditions

通過以上理論計(jì)算可以看出，在不同初始應(yīng)力狀態(tài)下，采用切槽法計(jì)算的應(yīng)力釋放深度一致，標(biāo)距105 mm下，切槽深度達(dá)到35 mm，理論計(jì)算切槽深度達(dá)到標(biāo)距的1/3時(shí)，構(gòu)件表面正應(yīng)力釋放達(dá)到100%。

1.2 不同切槽方式下應(yīng)力釋放理論分析

對(duì)模型側(cè)面兩端分別施加5.15、3.45 MPa，模擬兩側(cè)平行切槽和環(huán)周切槽，模擬分析采用不同切槽方式下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放變化情況，不同切槽方式下應(yīng)力釋放狀況如圖4。

圖4 不同切槽方式應(yīng)力釋放變化Fig. 4 Stress release variation with different cutting methods

通過理論分析可以看出，采用平行切槽法和環(huán)槽切槽法結(jié)果一致，混凝土構(gòu)件切槽法應(yīng)力釋放可采用平行切槽法進(jìn)行應(yīng)力釋放，減少對(duì)構(gòu)件的破損影響。

1.3 構(gòu)件試驗(yàn)

采用千斤頂對(duì)試驗(yàn)試件施加壓力，構(gòu)件表面平行黏貼2個(gè)應(yīng)變測試傳感器，試驗(yàn)試件混凝土內(nèi)應(yīng)變達(dá)到100 με，對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行平行切槽應(yīng)力釋放，切槽應(yīng)力釋放結(jié)果如圖5。

圖5 試件切槽釋放應(yīng)變值的曲線Fig. 5 Curve of specimen cutting release strain value

通過模型試驗(yàn)得到，采用平行切槽法的不同切槽深度下，在高應(yīng)變區(qū)段理論應(yīng)變釋放值與實(shí)測應(yīng)變釋放值趨勢(shì)一致，在應(yīng)變釋放達(dá)到60%以后存在一定偏差，最終釋放實(shí)測應(yīng)變達(dá)到實(shí)際值83%左右。

2 基于荷載試驗(yàn)的梁體正應(yīng)力測試

利用橋梁改造拆除下的板梁構(gòu)件，進(jìn)行加載試驗(yàn)，測試拆下的20 m后張預(yù)應(yīng)力混凝土板梁構(gòu)件的表面正應(yīng)力，試驗(yàn)梁體底板中間存在縱向裂縫，梁體底板無橫向裂縫。利用加載試驗(yàn)測定梁體底板現(xiàn)存正應(yīng)力狀況[8]，梁體底板跨中1.6 m范圍內(nèi)布置應(yīng)力測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖6。利用千斤頂加載，具體加載位置如圖7，測試應(yīng)力變化如圖8。

圖6 板梁跨中底板混凝土表面應(yīng)力測點(diǎn)布置(單位：cm)Fig. 6 Layout of stress measuring points on concrete surface of slab girder of mid span bottom slab

圖7 跨中集中力加載示意(單位：cm)Fig. 7 Schematic diagram of concentrated force loading in midspan

圖8 各點(diǎn)應(yīng)力變化Fig. 8 Stress variation of each point

通過測試結(jié)果如圖8，加載為28～30 t時(shí)，多點(diǎn)混凝土應(yīng)力測點(diǎn)斜率發(fā)生變化，2#、4#、6#和8#測點(diǎn)的混凝土應(yīng)力斜率均為增加，1#、3#、5#、7# 和9# 測點(diǎn)的混凝土應(yīng)力斜率均為趨緩，判斷加載28～30 t區(qū)間板梁跨中底板混凝土開裂，裂縫處應(yīng)力激增，裂縫間應(yīng)力不再增加，裂縫間距為40 cm，取加載值28 t為開裂荷載。

通過試驗(yàn)得到，簡支狀態(tài)下該梁跨中開裂加載值為28 t，跨中區(qū)間加載狀態(tài)下應(yīng)力變化測試均值為10.08 MPa，C50混凝土梁的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65 MPa，板梁梁底跨中實(shí)際壓應(yīng)力為7.43 MPa，進(jìn)行理論模擬分析，簡支狀態(tài)下跨中底板現(xiàn)存理論預(yù)壓應(yīng)力為7.43 MPa，模擬梁體現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力，梁底板理論模擬應(yīng)力分布如圖9。

3 基于切槽法的梁體正應(yīng)力測試

利用已經(jīng)測得梁體現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的20 m后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，選擇梁體加載試驗(yàn)未開裂的1/4跨區(qū)域段進(jìn)行切槽法正應(yīng)力測試試驗(yàn)，測采用8 cm應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力釋放值測試[9-13]，對(duì)梁體進(jìn)行不同切槽深度試驗(yàn)，分析不同切槽深度下梁體的應(yīng)力釋放變化狀況，應(yīng)力測點(diǎn)布置如圖10。

在加載未開裂的1/4跨區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，測點(diǎn)布置位置如圖11，根據(jù)測試的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力狀況，計(jì)算吊裝在切槽試驗(yàn)臺(tái)上梁體的應(yīng)力分布，計(jì)算結(jié)果如圖12～圖13。

一區(qū)應(yīng)力釋放測點(diǎn)共布設(shè)2個(gè)測點(diǎn)，1# 測點(diǎn)距離底板距離為17 mm，2# 測點(diǎn)距離底板距離為31 mm，不同切槽深度下梁體實(shí)測釋放應(yīng)力值如圖14，切槽35 mm深穩(wěn)定，1# 測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測值8.18 MPa, 1# 測點(diǎn)理論壓應(yīng)力值為10.26 MPa，應(yīng)力釋放效率為0.80，2# 測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測值為8.45 MPa，2# 測點(diǎn)理論壓應(yīng)力值為10.08 MPa，應(yīng)力釋放效率為0.84。

圖9 考慮收縮徐變后理論梁底壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位:MPa)Fig. 9 Theoretical calculation results of beam bottom compressive stress considering shrinkage and creep

圖10 應(yīng)力釋放測點(diǎn)局部布置Fig. 10 Layout of stress release measuring points

二區(qū)應(yīng)力釋放測點(diǎn)共布設(shè)2個(gè)測點(diǎn)，1# 測點(diǎn)距離底板距離為17 mm，2# 測點(diǎn)距離底板距離為40 mm，不同切槽深度下梁體實(shí)測釋放應(yīng)力值如圖15，切槽35 mm深穩(wěn)定，1# 測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測值為7.01 MPa，1# 測點(diǎn)理論壓應(yīng)力值為9.93 MPa，應(yīng)力釋放效率為0.71，2# 測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測值7.02 MPa，2# 測點(diǎn)理論壓應(yīng)力值為9.66 MPa，應(yīng)力釋放效率為0.73。

圖11 應(yīng)力釋放測點(diǎn)布置(單位:cm)Fig. 11 Layout of stress release measuring points

圖12 梁體底板應(yīng)力理論計(jì)算值(單位:MPa)Fig. 12 Theoretical calculation value of beam floor stress

圖13 梁體頂板應(yīng)力理論計(jì)算值(單位:MPa)Fig. 13 Theoretical calculation value of beam roof stress

圖14 一區(qū)不同切槽深度梁體釋放應(yīng)力曲線Fig. 14 Release stress curve of beam body with different cutting depth in the first area

圖15 二區(qū)不同切槽深度梁體釋放應(yīng)力曲線Fig. 15 Release stress curve of beam body with different cutting depth in the second area

三區(qū)應(yīng)力釋放測點(diǎn)共布設(shè)2個(gè)測點(diǎn)，1# 測點(diǎn)距離底板距離為16 mm，2# 測點(diǎn)距離底板距離為33 mm，不同切槽深度下梁體實(shí)測釋放應(yīng)力值如圖16，切槽35 mm深穩(wěn)定，1# 測點(diǎn)失效，2# 測點(diǎn)理論壓應(yīng)力值為10.17 MPa，2# 測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測值為 8.00 MPa,應(yīng)力釋放效率為0.79。

圖16 三區(qū)不同切槽深度梁體釋放應(yīng)力曲線Fig. 16 Release stress curve of beam body with different cutting depth in the third area

由圖14～圖16可知，進(jìn)行多組切槽綜合評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)于105 mm切槽間距，切槽深度達(dá)到切槽間距的1/3深度時(shí)，既切槽深度35 mm以內(nèi)應(yīng)力釋放以構(gòu)件表面正應(yīng)力為主，測試應(yīng)力釋放效率值達(dá)到0.80左右，當(dāng)切槽深度超過槽間距1/3時(shí)，構(gòu)件表面應(yīng)力釋放轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鷳?yīng)力。在滿足不破壞構(gòu)件鋼筋的前提下，構(gòu)件表面切槽應(yīng)大于正應(yīng)力釋放切槽深度，通過不同切槽深度測試釋放應(yīng)力值，測得構(gòu)件表面測試正應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的變化曲線，可初判正應(yīng)力釋放數(shù)據(jù)的合理性。

應(yīng)力釋放測試過程中，對(duì)各測區(qū)的應(yīng)力釋放值的穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行過程測試，在同一切槽深度下，各測點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間連續(xù)的應(yīng)力采集，分析切槽法應(yīng)力釋放過程測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定時(shí)間，指導(dǎo)應(yīng)力釋放測試的操作。

圖17 不同切槽深度下穩(wěn)定時(shí)間Fig. 17 Stable time chart with different cutting depth

通過圖17可知，切槽標(biāo)距為105 mm，在不同的切槽深度下，測試釋放應(yīng)力值趨于緩慢的穩(wěn)定，切槽穩(wěn)定時(shí)間不小于8 min，切槽后穩(wěn)定時(shí)間大于8 min后構(gòu)件表面測試應(yīng)力值變化趨于平緩穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

通過對(duì)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土板梁進(jìn)行切槽法應(yīng)力釋放試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1)通過在梁底布置密集的應(yīng)變采集測點(diǎn)，捕捉加載過程中各測點(diǎn)的應(yīng)變突變，測試出梁體的開裂加載荷載值，計(jì)算出梁體的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力。

2)采用平行切槽法，切槽標(biāo)距取用105 mm，切槽深度為35 mm時(shí)，測試的釋放應(yīng)力值為正應(yīng)力，正應(yīng)力釋放效率可達(dá)0.80左右。

3)切槽后穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到8 min以上，應(yīng)變計(jì)測試應(yīng)力變化值基本趨于穩(wěn)定。