大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術研究

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大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術研究

Research on Prestressed Detection Technology of Large and Medium-span Concrete Bridges

西部交通建設科技項目“大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術研究”(合同號：2005 318 812 15)

編者按：西部交通建設科技項目“大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術研究”，針對混凝土中預應力筋位置檢測技術、管道壓漿狀況檢測技術、預應力筋銹蝕狀況檢測技術、預應力筋有效預應力檢測技術和預應力混凝土橋梁評價技術進行了全面調研分析，并綜合考慮預應力筋位置偏差、管道壓漿狀況、普通鋼筋及預應力筋銹蝕狀況及預應力筋有效預應力對橋梁結構性能的影響，建立了預應力混凝土橋梁安全性評價等級標準及綜合評估模型。本篇對該項目研究所取得的成果進行推介，為大、中跨徑混凝土橋梁的預應力檢測工作提供參考與借鑒。

Editor’s Note：West Transportation Construction Technology Project“Research on Pres-tressed Detection Technology of Large and Medium-span Concrete Bridges”conducted a comprehensive investigation and analysis regarding the prestressed rebar position detec-tion technology in concrete，pipeline grouting status detection technology，prestressed rebar corrosion status detection technology，effective prestressing detection technology of pres-tressed rebar，and prestressed concrete bridge evaluation technology，it fully considered the impact of prestressed rebar position deviation，pipeline grouting status，corrosion status of ordinary rebar and prestressed rebar，and effective prestressing of prestressed rebar on bridge structure performance，and established the prestressed concrete bridge safety eval-uation level standards and comprehensive evaluation model.This article is to promote the results achieved in this project research，thereby providing the information and reference for the prestressed detection work of large and medium-span concrete bridges.

0引言

西部交通建設科技項目“大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術研究”由長安大學、招商局重慶交通科研設計院有限公司、哈爾濱工業大學、中交第一公路勘察設計研究院有限公司和陜西省公路局共同承擔，本篇對該項目研究的內容

及創新點進行介紹，以期為大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測提供方法借鑒。

1研究內容

本項目主要工作包括：(1)國內外混凝土橋梁預應力檢測技術研究現狀調研；(2)預應力筋定位檢測方法、設備及評價技術研究；(3)預應力管道壓漿狀況檢測方法、設備及評價技術研究；(4)預應力筋銹蝕狀況檢測方法、設備及評價技術研究；(5)預應力筋有效預應力檢測方法、設備及評價技術研究；(6)缺損預應力混凝土橋梁綜合評價方法研究；(7)實橋檢測應用研究；(8)制訂在用大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術指南。

2主要技術成果

2.1研究成果

經過三年多的研究攻關，本項目按合同要求完成全部研究內容，取得研究成果有：

(1)研究報告

①大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術研究總報告；

②分報告之一：調研分析報告；

③分報告之二：預應力筋定位檢測技術研究報告；

④分報告之三：預應力管道壓漿狀況檢測技術研究報告；

⑤分報告之四：預應力筋銹蝕狀況檢測技術研究報告；

⑥分報告之五：預應力筋有效預應力檢測技術研究報告；

⑦分報告之六：預應力混凝土橋梁綜合評價方法研究報告；

⑧分報告之七：實橋檢測應用研究報告；

⑨分報告之八：預應力鋼索張力測試儀研制報告。

(2)技術指南：大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術指南。

(3)專利：發明專利一項，新型實用專利一項。

(4)軟件登記：三項。

2.2項目創新

項目的主要創新點有：

(1)理論創新：建立了預應力混凝土梁的力學參數與預應力的數學關系模型；建立了復雜預應力體系橋梁鋼束有效預應力沿程分布預測模型及其分析評價方法；構造了預應力混凝土橋梁安全性、適用性及耐久性評價及其綜合性能評價模型，提出了評價方法。

(2)技術創新：開發了接觸式直接法檢測預應力束有效預應力技術；給出了鋼絞線銹蝕程度分級評定標準；開發了預應力混凝土橋梁的應力釋放法檢測技術。

(3)實用技術：預應力管道位置檢測技術；預應力管道灌漿狀況檢測技術；開發了預應力筋擬摩阻損失等效參數(PresPS V1.0)、截面應力釋放值分析(StrAN V1.0)及預應力混凝土橋梁評價系統V1.0軟件；編制了“大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術指南。

3混凝土橋梁預應力檢測技術研究現狀調研分析

針對混凝土中預應力筋位置檢測技術、管道壓漿狀況檢測技術、預應力筋銹蝕狀況檢測技術、預應力筋有效預應力檢測技術和預應力混凝土橋梁評價技術進行了全面調研分析后認為：

探地雷達法應用于預應力管道定位檢測是可行的，但缺乏系統的研究；掃描式沖擊回波法和超聲脈沖法應用于預應力管道的定位檢測有一定的可行性，但實際效果還有待進一步的試驗研究；表面波頻譜法、聲發射技術、紅外熱像檢測技術、計算機斷層X射線CT技術、超聲波CT技術等對于預應力管道定位檢測的可行性不好。

掃描式沖擊回波法應用于預應力管道壓漿狀況檢測是可行的，但該技術仍然還不成熟，需進一步開展研究；探地雷達法和超聲脈沖法應用于預應力管道壓漿狀況檢測有一定的可行性，但檢測效果還有待進一步研究；表面波頻譜分析法、聲發射技術、紅外熱像檢測技術等應用于預應力管道壓漿狀況檢測的可行性不好。

漏磁法、X射線CT技術及超聲波檢測是屬于直接檢測預應力筋的銹蝕；而地質雷達法是間接的檢測空洞，認為此處會出現預應力筋的銹蝕。經過總結文獻資料并對比擇優分析，認為漏磁法和X射線CT技術針對本課題可行性比較大的檢測技術，但應尋求其他檢測方法。

目前對在建橋梁，可以用振弦式傳感器、光纖Bragg光柵傳感技術或應變式傳感器對其預應力進行檢測，還沒有能用于在役橋梁預應力檢測的成熟技術，需要專門研究并開發設備。

在對缺損橋梁評價進行評價時，評價因素眾多、計算分析復雜，絕大部分影響因素是隨機的，同時也是模糊的。另外，對構件及結構整體的評價方式也不盡相同，針對構件可采用單因素或主要評價指標進行分析，可利用最不利的單項評價結果來描述當前構件劣化的程度；而對于結構整體，由于不同構件的缺損對于結構服役功能的影響互不相同造成各個構件在評價時所占權重也是互異的，因此遵循“構件→體系”的評價思路是一種可行的方法。考慮到服役橋梁的實際狀況，選用層次分析法的原理，建立多層次的綜合評估模型：即由底層向頂層逐步確定評估模型中各層指標的分級評定標準，并確定評估模型中各層指標的初始權重，再從評估模型的底層逐級評估(通過對檢測結果的模糊評判或根據檢測結果進行結構分析計算，確定底層指標的分數，對各層指標變權；除底層外，每一層的評估以下一層評估結果為依據)等到服役橋梁服役性能的綜合評價結果。

4預應力筋定位檢測技術研究

分別選擇對探地雷達法、對沖擊回波法和超聲脈沖法對10個混凝土模型(見圖1)進行了檢測試驗。研究結果表明：探地雷達能對管道的位置進行定量檢測，天線陣雷達比單天線雷達的檢測效果更好。研究成果在實橋上進行了應用。這是國內外首次系統地開展預應力管道位置定量檢測的試驗研究，研究成果具有重要的理論意義、實用價值以及應用前景。

圖1　模型實體圖

5預應力管道壓漿狀況檢測技術研究

分別選擇探地雷達法、沖擊回波法和超聲脈沖法對10個混凝土模型(見圖2)進行了檢測試驗。

圖2　模型設計圖

研究結果表明，通過對比同一測線上管道的偏移量，掃描式沖擊回波法能定量檢測出管道內灌漿狀況，并將研究成果在實橋上進行了應用。這是國內首次系統地開展預應力管道內灌漿狀況定量檢測的試驗研究，研究成果具有重要的理論意義、實用價值以及應用前景。

6預應力筋銹蝕狀況檢測技術研究

分別采用漏磁檢測法和自然電位法對5個模型試件進行了試驗研究(見圖3)。

圖3　預應力筋銹蝕狀況檢測試驗示意圖

自然電位法能用于先張法混凝土橋梁中的預應力束銹蝕檢測。漏磁檢測法在一定條件下可用來檢測后張法預應力束的銹蝕情況，但精度不高。

鑒于此，針對77束原始銹蝕樣本進行了鋼束表觀銹蝕分級檢測法研究，給出了5級銹蝕分級，即：一級：鋼絞線全新；二級：鋼絞線已發生銹蝕，表面有明顯銹跡，銹跡呈粉末狀，人工打磨能呈現原鋼絞線金屬光澤，可見銹蝕為斑點狀無銹坑；三級：鋼絞線表面較多銹跡，銹跡呈粉末狀活片狀，人工打磨能使鋼絞線呈現灰黑色，鋼絞線表面有片狀或條帶狀分布銹點，局部呈現銹坑，銹點(坑)面積1～3 mm2；四級：鋼絞線鋼絲間已經被銹跡填滿，鋼絞線表面有滿布銹跡，人工打磨鋼絞線呈灰黑色，且鋼絞線一周表面有明顯連續≥0.2 mm深的銹坑，銹坑面積3～5 mm2；五級：鋼絞線表觀銹蝕程度嚴重于四級，一周表面有明顯連續≥0.2 mm深的銹坑，銹坑面積>5 mm2。同時研究了其表觀特征與各種力學性能的關系，建立了預應力鋼束表觀銹蝕分級標準。

7預應力筋有效預應力檢測技術研究

(1)在研發預應力鋼索張力測試儀(型號：LCZL-50，見圖4)的基礎上，提出了橫張增量法檢測有效預應力技術。

圖4　張力儀實例圖

對于靜力法檢測(見圖5)：

(1)

式中：F——縱向預張力(kN)；

ΔT——兩級橫向力差(kN)；

Δδ——兩級橫向位移差(m)；

K——修正系數，K=0.179；

F0——回歸常數，F0=-15.5。

圖5　靜力法測定有效預應力示意圖

對于動力法檢測(見圖6)，計算式見表1。

圖6　動力法測定有效預應力示意圖

靜力法檢測、動力法檢測可分別用于體內、體外預應力束有效預應力的檢測，并得到實梁驗證。

表1　動力法檢測有效預應力計算式表

(2)分別制作了形心直線配束、偏心直線配束、曲線配束的矩形模型梁、T形模型梁和空心板模型梁(見圖7)共18片進行了試驗預應力與梁結構的力學參數關系研究。研究得出預應力混凝土簡支梁有效剛度比計算式(見表2)。

基于動力參數測試的有效預應力檢測流程見圖8，基于靜力參數測試的有效預應力檢測流程見下頁圖9。

表2　預應力混凝土簡支梁有效剛度比計算式表

(a)曲線束矩形板梁(J2梁)

(b)T形梁(T梁)

(d)空心板梁(K梁)

圖8　動力測試法檢測有效預應力流程圖

(3)梁體應力釋放方法進行了大量試驗研究(見下頁圖10)和數值分析，認為普通鋼筋的應力釋放精度較高，可以用于實際檢測中，并給出了檢測方法。結合檢測到的鋼筋應力，按照平截面原理，提出了預應力混凝土橋梁有效預應力的計算分析方法，并編制了分析軟件。

圖9　靜力測試法檢測有效預應力流程圖

圖10　應力釋放試驗示意圖

(4)分別定義力名義損失參數、應力界限波動率等概念，基于界限波動率率β：

(2)

將橋梁中的測試預應力束分為波動束，β的參考區間為(10.0，15.0)；平緩束，β的參考區間為(0，10.0]；間接預測鋼束：位于測試截面內層不具備測試條件的鋼束及未測試鋼束。建立了全橋有效預應力預測模型(見圖11)和預測的數學關系。針對常見的“直+曲+直”型、“直+曲+曲”型和“復合曲線”型束(見圖12～14)及預應力變化的大小定義的等差、等比、混合分布模式建立了其算法，編制了計算軟件。

圖11　鋼束有效預應力預測模型圖

在考慮時變效應的實用截面分析及截面預應力合力效應分析方法基礎上，定義截面有效預應力儲備度λ，儲備度衰減率η及名義裂縫寬度wfkr三項指標，并將其應用于在役橋梁基于有效預應力衰減程度的正常使用狀態評估及精細化分級研究中，建立了橋梁整體性能分析及安全預警體系。研究成果得到了實橋模擬分析驗證。

圖12　“直+曲+直”型鋼束模型圖

圖13　“直+曲+曲”型鋼束模型圖

圖14　“復合曲線”型鋼束模型圖

8預應力混凝土橋梁綜合評價方法研究

綜合考慮預應力筋位置偏差、管道壓漿狀況、普通鋼筋及預應力筋銹蝕狀況及預應力筋有效預應力對結構性能影響，研究的元素評價指標、評估等級及評估值區間如表3～6所示。

表3　預應力筋位置偏差等級評估標準表

表4　預應力管道壓漿等級評估標準表

表5　力筋銹蝕狀況等級評估標準表

表6　預應力筋有效預應力等級評估標準表

橋梁安全性評估模型如下頁圖15所示。

圖15　預應力混凝土橋梁安全性評價分析模型圖

給出預應力混凝土橋梁安全性評價各元素等級評估標準，如表7所示。

適用性評價模型如圖16所示。

圖16　缺損預應力混凝土橋梁正常使用功能評估模型圖

評估元素評價指標評估等級及評估值區間A類B類C類D類E類抗彎承載能力正截面裂縫αWB/mm(0)[0,0.1)[0.1,0.3)[0.3,0.6)(≥0.6)混凝土強度(RD-RM)/RD(-0.02,0)[0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.2)(≥0.2)結構表觀損傷面積破損率(0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.2)[0.2,0.35)(≥0.35)普通鋼筋銹蝕截面積損失率(0,0.015)[0.015,0.05)[0.05,0.12)[0.12,0.2)(≥0.2)預應力縱筋銹蝕截面積損失率(0,0.01)[0.01,0.03)[0.03,0.1)[0.1,0.15)(≥0.15)縱筋有效預應力|ND-NM|/NM(0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.15)[0.15,0.2)(≥0.2)抗剪承載能力斜截面裂縫βWC/mm(0)[0,0.05)[0.05,0.2)[0.2,0.4)(≥0.4)混凝土強度(RD-RM)/RD(-0.02,0)[0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.2)(≥0.2)結構表觀損傷面積破損率(0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.2)[0.2,0.35)(≥0.35)箍筋銹蝕箍筋截面積損失率(0,0.015)[0.015,0.05)[0.05,0.12)[0.12,0.2)(≥0.2)預應力彎筋銹蝕截面面積損失率(0,0.01)[0.01,0.03)[0.03,0.1)[0.1,0.15)(≥0.15)彎筋有效預應力|ND-NM|/NM(0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.15)[0.15,0.2)(≥0.2)

耐久性評價模型如圖17所示。

圖17　預應力混凝土橋梁耐久性評估模型圖

分別研究給出了評估標準和預應力混凝土橋梁綜合評價模型及指標如圖18所示。

根據評價分析思路，采用VB編制預應力混凝土橋梁評價系統。

圖18　預應力混凝土橋梁綜合評估模型圖

9實橋檢測應用研究

本項目研究的依托工程包括重慶市S103線渝巴路春天門大橋、重慶市云陽縣月亮包大橋、福建省寧德大橋、福建省廈門坂頭大橋、貴州省貴陽新寨河特大橋、、廣東省清(遠)連(州)一級公路橋、陜西省銅川玉皇閣特大橋、吉林省松花江大橋和寧夏自治區石嘴山黃河公路大橋。實橋應用的過程中，在進行檢測的同時研究相關對策，給出改進措施，通過實體依托工程的應用，達到了增強檢測技術實用性的目標。

10檢測指南編制

檢測指南內容主要涉預應力混凝土橋梁缺損

狀況檢測、預應力鋼束定位檢測、預應力管道壓漿狀況檢測、預應力鋼束銹蝕狀況檢測、預應力鋼束有效預應力檢測、預應力混凝土橋梁分項指標評價及預應力混凝土橋梁綜合評價等九方面內容，可用于指導預應力混凝土橋梁的檢測與評價。

11結語

本項目從立項到完成經歷了三年半的時間，研究成果的特點是系統性和工程適用性，尤其是用于指導在役和在建預應力混凝土橋梁缺損狀況檢測技術的《大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術指南》凝聚了課題組全體成員的心智與汗水，是項目研究成果精華的集中體現。

(來源于交通部西部交通建設科技項目管理中心網站)

文章編號：1673-4874(2016)02-0001-09

中圖分類號：U446

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.001

基金項目