PC構件承載力快速評定方法試驗研究?

王華，劉雪鋒，彭建新，張建仁

（1.貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司，貴州貴陽 550000；2.貴州省交通建設工程質量監督局，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.貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司，貴州貴陽 550000；2.貴州省交通建設工程質量監督局，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構件承載力，并與荷載試驗承載力評定結果進行對比分析。結果表明，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明顯下降，說明砼結構仍處于彈性范疇，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構件的承載力。

關鍵詞：橋梁；PC構件；動彈性模量；承載力荷載試驗

砼材料是典型的應變率敏感性材料，不同應變率下其強度、延性和破壞模式明顯改變。結構材料的彈性模量是結構受力特性的一個重要參數，反映砼所受應力與產生應變之間的關系，并體現砼結構截面的剛度，是與橋梁結構撓度變形相關的重要指標，也是研究裂縫開展和溫度應力的必要參數之一。

國內外學者對砼靜態彈性模量作了大量研究，但在砼動態彈性模量研究，尤其是基于動態彈性模量快速評定結構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，中梁結構斷面見圖1，現場養護28 d后進行相關試驗準備。

圖1　中梁結構斷面示意圖（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截面設置撓度測點（見圖2），根據現場條件，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）應變測試。試驗梁應變測試截面共設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　應變測試截面（單位：cm）

根據現場條件及單梁的受力特點，在J1、J2截面布置應變片，測試在試驗荷載作用下的應力增量，以分析判斷主體結構（構件）控制部位的受力狀態。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力、應力或變位等效原則確定，靜力荷載試驗效率宜為0.95～1.05。進行現場靜力試驗，在最大正彎矩工況下，J1截面理論計算內力為4 091.65 k N·m，試驗計算內力為4 407.86 k N·m，靜力試驗荷載效率為1.08。

圖4　應變測點布置

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構的變形特性，并與強度、耐久性有著非常密切的關系。準確、快速地測試結構的彈性模量，對控制結構施工質量、提高結構耐久性具有重要意義。

采用動彈性模量分析法，分析結構在設計荷載下彈性模量是否發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構是否滿足設計荷載的要求。

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、推算相應的靜切線彈性模量，進而根據靜彈性模量與抗壓強度的相關關系推算砼的抗壓強度和應力水平。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不僅影響結構的變形，而且是反映砼質量、耐久性的重要指標。它可反映材料的剛性特性，在結構的變形計算中是重要的參數。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，而新建結構的施工不良也會在彈性模量方面有所顯現。

對于一維均質彈性體，其彈性模量E與彈性波P波波速vP1的關系可表示為：

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　砼彈性模量測試結果

這里得到的是材料在小應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。具體體現在：1）應力水平的影響。如前所述，砼材料的應力水平越高，切線彈性模量越低。2）粘性的影響。在低應力水平條件下（如試塊），Ed與Ec的差異主要體現在粘性的影響上。

由于測試對象（構件或試件）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（如單面傳播法和雙面透過法）。

2.2現場測試

根據構件加載方式及受力形式，選取跨中處腹板均勻設置3個測點，對每級加載工況下對應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　評定結果分析

3.1荷載試驗檢測結果分析

3.1.1撓度檢測

試驗荷載作用下，單梁撓度實測結果見表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系見圖7。

表2　撓度檢測結果

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，撓度結構校驗系數為0.72～0.76。卸載后整體上撓度恢復正常，各荷載工況下主要控制測點相對殘余撓度均在20%以內。說明在試驗荷載下單梁結構整體剛度滿足要求。

3.1.2應變檢測

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

表3　J1截面應變檢測結果

表4　J2截面應變檢測結果

圖8　J1截面測點應變值沿梁高度的分布

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

3.2快速評定方法結果分析

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

表5　彈性模量測試結果

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構鋼筋布置較多，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，砼由單向受力變為雙向受力，應力狀態有所改善，相應地其彈性模量、強度有所提高。5）各測試階段的彈性模量均未出現明顯下降，說明砼結構仍處于彈性范疇，具有較大的承載力冗余，承載力滿足要求。根據對現場梁體的觀察，各部位均未出現裂縫和其他損傷，與推算結果相符。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，梁體呈現良好的線彈性狀態，承載能力滿足設計荷載等級要求。

圖9　彈性模量與加載的關系

圖10　彈性模量變化率與試驗荷載的關系

4　結論

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

（1）試驗梁加載過程中，各階段的彈性模量均未出現明顯下降，說明砼結構仍處于彈性范疇，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和應變校驗系數均滿足要求，結構呈良好的線彈性狀態，表明單梁承載能力滿足設計荷載等級要求。

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

參考文獻：

［1］ 王華，曹少輝，彭建新，等.氯鹽一維及二維腐蝕環境下RC結構銹脹開裂風險分析［J］.公路工程，2014，39 （6）.

［2］ 林皋，陳健云.混凝土大壩的抗震安全評價［J］.水利學報，2001（2）.

［3］ 鄭順，胡柏學，羅陽青，等.服役混凝土梁橋承載能力時變模型分析與應用［J］.公路工程，2012，37（1）.

［4］ 鄒篤建，劉鐵軍，滕軍，等.混凝土梁式構件彈性模量的應變率效應研究［J］.振動工程學報，2011，24（2）.

［5］ 彭建新，王華，張建仁，等.氯鹽侵蝕環境下鋼筋混凝土氯離子擴散系數試驗及概率分析［J］.中國公路學報，2014，27（6）.

［6］ 郭鐘群，趙奎，謝良，等.復雜環境下混凝土動彈性模量的灰色預測［J］.鐵道建筑，2012（10）.

［7］ 張建仁，唐騰，彭暉，等.混凝土動、靜彈性模量相關試驗研究［J］.中外公路，2010，30（5）.

［8］ 楊綠峰，余波，喬永平.用彈性模量縮減法分析剛架結構的極限承載力［J］.防災減災工程學報，2009，29（3）.

［9］ 羅飛，趙淑萍，馬巍，等.分級加載下凍土動彈性模量的試驗研究［J］.巖土工程學報，2013，35（5）.

［10］ 孫叢濤，牛荻濤，元成方，等.混凝土動彈性模量與超聲聲速及抗壓強度的關系研究［J］.混凝土，2010（4）.

［11］ 朱方之，劉健，李澤良.動彈性模量測試中的含水率影響因素探討［J］.混凝土，2012（11）.

［12］ 陳照全，陳衛全.在用公路橋梁承載能力檢測評定分析［J］.公路與汽運，2015（4）.

［13］ 張樹仁，宋建永，張頌娟.橋梁加固鋼筋混凝土受彎構件斜截面承載力計算方法及試驗研究［J］.中國公路學報，2003，16（3）.

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