體內預應力檢測方法初探

周 瀟

(武漢市城市路橋收費管理中心，湖北武漢430050)

體內預應力檢測方法初探

周 瀟

(武漢市城市路橋收費管理中心，湖北武漢430050)

預應力鋼束是大型預應力混凝土結構中的關鍵受力構件，其應力狀態決定著結構的整體性能，但如何對體內預應力進行檢測確是當前工程界面對的難題。文章在參考相關文獻的基礎上介紹了三種具有可操作性的體內預應力檢測方法，并通過案例對三種檢測方法進行對比分析，提出相對可靠的檢測方法，可為其它類似體內預應力檢測提供參考。

混凝土結構； 體內預應力； 檢測； 動力測試； 消壓荷載； 應力釋放

預應力混凝土構件是當前橋梁結構中一種重要的結構形式，預應力鋼束又是大型預應力混凝土結構中的關鍵受力構件，其應力狀態決定著結構的整體性能。然而，預應力鋼束的應力分布及其變化會直接影響橋梁結構承載能力的變化，若不能及時準確地了解和掌握其應力狀態和變化規律，就難以正確評估結構的整體性能。因此，進行預應力的實際測試，對于精確掌握預應力水平、確保橋梁施工質量、保證結構整體安全性和可靠性具有重要意義。

1 當前主要體內預應力檢測方法

1.1 動力測試法

動力測試法的思路是：首先對結構物進行動測試驗，得到預應力結構的動力性能指標，然后推導得出結構物的預應力損失量。結構構件的整體特性能夠在其自振頻率中反映出來，一旦施加后，預應力就作為結構內力而存在，因此其力值的大小也是一種結構的整體特性，則能推知結構的自振頻率與其預應力之間應該存在一定的相互關系，進而從結構損傷識別的方法理論，可知預應力的損失會使結構動力性能產生變化。

1.2 消壓荷載試驗法

采用在裂縫兩側貼應變片和布置導桿引伸儀來確定現存預應力荷載-應變、荷載-裂縫寬度關系曲線均呈雙線性，將兩條直線延長相交，交點所對應的荷載即消壓荷載。

1.3 應力釋放法

所謂的應力釋放法，就是通過測量構件分割前后的位移及應變參數，換算成應力值，進而推導構件整體工作性能的一種方法。采用適當的機具，適量地切割處于初始約束應力作用下的構件，人為地將構件中的局部約束應力釋放出來，根據事先布置于局部測點處測試元件應變的變化量，根據相應的材料學知識就可以推知所測構件的應力狀態。經過國內外工程人員幾十年的研究工作，工程界在動力測試方面取得了一定的成就，但這種檢測方法依然存在很多不足之處：首先，在當前的測試條件下得到現場測試頻率中，一階頻率的準確性較高，但結果的二階或三階頻率測試的誤差過大；其次，作為一種各向異性材料，混凝土并非是勻質的，這就說明按照材料力學觀點認為開裂前材料剛度不發生變化的做法是不準確的；再次，目前動測法的對象限于全預應力混凝土構件，而不包括部分預應力混凝土構件。

2 案例分析

2.1 基本情況

所用試驗梁為預應力簡支T梁，試驗梁全長24 m，凈跨23.8 m，梁中心距1.8 m，梁高2.1 m，跨中腹板厚0.14 m，搖軸支座，圓端形混凝土墩，橋高10 m左右。沿跨長變截面設計，兩片梁中間設置有橫隔板。橋梁所用混凝土的標號為C40，彈性模量為3.25×105MPa，預應力筋采用直徑為5 mm的碳素鋼絲，每股7根，每根鋼束中有6股，鋼絲束截面有6束基本鋼絲束組成，每隔一定距離放置鋼制襯管，保證基本束間有一定空隙以利水泥漿流入。所采用的預應力筋直徑為5 mm，鋼絲的極限強度σp為1 666 MPa。

2.2 動力測試法

根據簡支梁的受力特點，通過動力試驗擬測取跨中截面的動撓度，橫向、豎向振幅，橋梁的橫向、豎向振動加速度，第一階自振頻率等動力特性。

本次試驗測得的梁的豎向自振頻率為3.25 Hz，所對應的有效預應力為49.82×105N。

2.3 消壓荷載試驗法

通過靜載試驗標準規定的兩次循環加載找出跨中附近部位兩側處具有代表性的主要裂縫，再通過三個循環的加載測得每條裂縫處的荷載應變曲線圖，通過曲線圖的雙線性性質，找到消壓荷載(圖1)，利用簡化彈性計算方法得到裂縫處截面的有效預應力值，根據兩條裂縫截面處有效預應力值比例內插，得跨中截面處有效預應力值為59.70×105N。

2.4 應力釋放法

試驗工作原理是依據局部應力解除法的力學原理，步驟為在所選擇檢測截面周圍開槽，槽深要滿足要求，所開槽附近部位的約束隨著槽深的增加會逐漸削弱，約束消失接著就會產生彈性進而慢慢恢復變形，變形恢復后就會發生應力重分布，當開槽的深度到某一數值時，此時槽周圍測點的狀態是工作應力為零，應力被完全釋放出來了，通過對測點應力釋放前后應變的測定，利用力學公式得到所求應力，進而進行計算求出構件的有效預應力值(圖2)。由試驗所得跨中截面處的有效預應力值為Pe=51.73×105N。

圖1 消壓加載示意

圖2 應力釋放開槽示意

3 結論

通過收集閱讀相關文獻，主要總結了三種主要的體內預應力檢測方法。但是，此三種方法均屬于有損試驗方法，且在使用過程中存在一定的局限。

(1)工程界對混凝土工作應力的測試工作一般采用預應力釋放法中的環孔法來測定，該法與實際結果較為接近，但最主要的難點在于確定孔深。人們普遍認為當孔深達到 0.7 倍孔徑時測區的應力就能得以完全釋放，但現實中用于測試的電阻應變片的標記都比較大，這就要求孔深較大，從而對構件造成的破壞也較大；另外，在混凝土切割過程中彈性模量、骨料大小、切割距離、切割速度等因素都會影響到應力的釋放，對測試結果造成干擾；

(2)橫張位移增量法為實現鋼束有效預應力檢測的可操作性，只能選擇表面鋼束進行測試，否則沒有操作空間；為架設張力測試儀，需對梁體進行較大面積的開槽處理，對梁體造成損傷；張力測試儀主要使用鋼材制造，十分笨重，移動以及拆卸非常不方便；

(3)消壓荷載試驗法要實現梁體消壓需要進行大量程循環加載，對于在役橋梁而言現場實施困難，且試驗過程中會對橋梁造成較大損傷，在實際應用中并不合適。

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[定稿日期]2017-06-21

周瀟(1982～)，男，碩士研究生，工程師，從事橋梁檢測養護管理工作。