鉆孔測試已服役預(yù)應(yīng)力混凝土梁板現(xiàn)存應(yīng)力評估模型★

許紅葉 楊維國 俞麗婷 鄒常進(jìn) 柳 霆

(1.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽 421002;2.湖南恒德檢測有限公司，湖南衡陽 421002)

1 概述

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用非常廣泛，已服役預(yù)應(yīng)力混凝土梁板現(xiàn)存應(yīng)力的大小對于工程結(jié)構(gòu)的可靠性評估具有重要意義。現(xiàn)存應(yīng)力的獲得有兩種方法，理論法和試驗(yàn)法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。課題組依據(jù)現(xiàn)有的檢測規(guī)范，結(jié)合理論與實(shí)踐，計(jì)劃開展鉆孔測試預(yù)應(yīng)力混凝土梁板現(xiàn)存應(yīng)力的研究，雖然在評估過程中，結(jié)構(gòu)可能會有損傷，但是應(yīng)力釋放法在計(jì)算現(xiàn)存應(yīng)力方向具有良好的工程學(xué)前景和研究價值。

2 評估因子的賦值規(guī)則

課題組經(jīng)過前序分析研究，在應(yīng)力釋放法解決現(xiàn)存應(yīng)力評估方法的體系設(shè)計(jì)中確定了8個評估因子:1)彈性模量;2)鉆孔孔徑;3)應(yīng)變片距鉆孔中心距離;4)材料密度(容重);5)收縮徐變;6)微損類型;7)振動;8)溫度。其中1)，2)，4)，5)，7)，8)為主因子，3)和 6)為副因子。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，我們可以確定8大評估因子的分級標(biāo)準(zhǔn)，具體見表1～表8。為了區(qū)分主副因子的重要性，即權(quán)重，我們?nèi)ˇ?為主副因子重要性系數(shù)，分三級取值，具體見表9。

2.1 彈性模量因子賦值規(guī)則(E)

彈性模量的計(jì)算一般采用本構(gòu)關(guān)系，但是本構(gòu)關(guān)系并非線性變化，變化規(guī)律是非線性的，無法用單一方程來表達(dá)。在實(shí)際計(jì)算中，一般是通過分段式簡化來完成，最常見的是兩段式。彈性模量有兩類，靜彈性模量和動彈性模量，課題組所研究的內(nèi)容涉及的是靜彈性模量。當(dāng)考慮預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和抗凍性時，動彈性模量將成為評估因子，可以根據(jù)工程實(shí)際情況將靜彈性模量增大1.1倍～1.4倍，即可滿足需求，彈性模量的精確值通過試驗(yàn)實(shí)測，特別要指出的，彈性模量的實(shí)測是一種破損試驗(yàn)，對結(jié)構(gòu)性能有一定損傷，見表1。

表1 彈性模量(主因子)賦值規(guī)則(α為計(jì)算標(biāo)線與x軸夾角)

2.2 鉆孔孔徑因子賦值規(guī)則(K)

鉆孔孔徑一般有兩種，一種是常規(guī)芯樣，一種是小芯樣(直徑小于70 mm)。孔周圍圓順應(yīng)力集中效應(yīng)對現(xiàn)存應(yīng)力的影響小，反之則大，見表2。

表2 鉆孔孔徑(主因子)賦值規(guī)則

2.3 應(yīng)變片距鉆孔中心距離因子賦值規(guī)則(Y)

應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)測試的應(yīng)變片屬于大應(yīng)變片，主要原因是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)不是均勻材料組成的，鋼筋采用小應(yīng)變片，測試時需要考慮應(yīng)變片的適應(yīng)性，選擇合適的應(yīng)變片，可降低尺寸效應(yīng)的影響。應(yīng)變片距鉆孔中心距將直接影響測試結(jié)果，見表3。

表3 應(yīng)變片距鉆孔中心距離(副因子)賦值規(guī)則

2.4 材料密度(容重)因子賦值規(guī)則(C)

材料密度，即體密度對于預(yù)應(yīng)力是有重要影響的。以規(guī)范中規(guī)定的材料密度為標(biāo)準(zhǔn)，其他情形可以取相對值考慮，見表4。

表4 材料密度(容重)(主因子)賦值規(guī)則

2.5 收縮徐變因子賦值規(guī)則(S-X)

收縮和徐變的變化規(guī)律和影響因素基本上是相同的，因此，科研人員一般將二者合二為一考慮。但是由于其變化機(jī)理非常復(fù)雜，因此我們通常采用簡化法進(jìn)行賦值計(jì)算，見表5。

表5 收縮徐變(主因子)賦值規(guī)則

2.6 微損類型因子賦值規(guī)則(W)

表6 微損類型(副因子)賦值規(guī)則

由于微損類型不同，比如試驗(yàn)方法、開孔條件以及空洞大小、形狀的影響，可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)也會有所不同。因此，課題組計(jì)劃采用應(yīng)力集中系數(shù)KT來考慮應(yīng)力集中的影響，應(yīng)力集中系數(shù)可以考慮利用經(jīng)驗(yàn)公式、試驗(yàn)法和查工程表格獲得，建議以經(jīng)驗(yàn)公式法為主，其他方法輔助。考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要考慮誤差影響，一般在10%～20%，建議粘貼應(yīng)變片時不宜靠近鉆孔中心太近。鉆孔時最好避開鋼筋，以防鉆斷鋼筋，影響測試結(jié)果，賦值時需要同時考慮尺寸效應(yīng)和圣維南原理影響，盡量使得應(yīng)變測試結(jié)果真實(shí)有效，見表6。

2.7 振動因子賦值規(guī)則(Z)

動荷載對于數(shù)據(jù)的結(jié)果是有重要影響的，鉆機(jī)在工作時，會有動應(yīng)變，如果動應(yīng)變過大，則測試結(jié)果不可靠。因此，需要控制鉆機(jī)鉆速，減少對結(jié)構(gòu)的擾動和應(yīng)變的干擾，見表7。

表7 振動(主因子)賦值規(guī)則

2.8 溫度影響因子賦值規(guī)則(T)

溫度影響因子在現(xiàn)存應(yīng)力的試驗(yàn)和理論研究中具有重要意義。測試過程中盡可能降低其影響，可以考慮在氣溫變化幅度小的時段或引入溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，尤其是試驗(yàn)設(shè)備，比如鉆機(jī)造成的應(yīng)變，見表8。

表8 溫度(主因子)賦值規(guī)則

2.9 主副因子重要性系數(shù)賦值規(guī)則

主副因子的重要性是有所區(qū)別的，主因子之間也是如此。為了進(jìn)行定量計(jì)算，需要將主副因子的重要性等級及賦值規(guī)則列表，以利于分析計(jì)算，主副因子重要性系數(shù)具體如表9所示，根據(jù)專家意見進(jìn)行微調(diào)，見表9。

表9 主副因子重要性系數(shù)(γ0)賦值規(guī)則

3 評估模型的構(gòu)建

3.1 層次分析模型

將主副8個因子，按照邏輯關(guān)系排列，采用層次分析法確定各自具體權(quán)重，其權(quán)重?cái)?shù)值將隨著檢測數(shù)據(jù)庫和專家?guī)焱晟瞥潭榷印?/p>

層次分析課題組采用yaahpV10.5版本進(jìn)行建模分析。模型分為3層，決策層、中間層和備選層，具體如圖1所示。

圖1 主副因子權(quán)重確定圖

3.2 灰色系統(tǒng)模型

3.2.1 灰色定權(quán)聚類白化數(shù)

課題組經(jīng)過對比分析，選擇灰色定權(quán)聚類。聚類白化數(shù)、聚類元素和聚類對象分類及編碼如表10所示。

3.2.2 白化權(quán)函數(shù)

判斷矩陣是灰色系統(tǒng)建模的關(guān)鍵，課題組計(jì)劃采用灰色定權(quán)聚類來進(jìn)行分析。聚類指標(biāo)(E，K，Y，C，S-X，W，Z，T)的灰類白化權(quán)函數(shù)如表11所示，按照升降序規(guī)律，對號入座即可。

表10 灰色定權(quán)聚類白化數(shù)分類及編碼

表11 8大評估因子白化權(quán)函數(shù)類別

3.2.3 灰色建模流程

將目標(biāo)值、白化權(quán)函數(shù)、層次分析模型主副因子權(quán)重，按照標(biāo)準(zhǔn)格式Excel導(dǎo)入灰色系統(tǒng)建模軟件，經(jīng)過計(jì)算，即可得到灰色定權(quán)聚類模型。

4 結(jié)語

已服役預(yù)應(yīng)力混凝土梁板的現(xiàn)存應(yīng)力評估是一個工程學(xué)難點(diǎn)，需要做精細(xì)化、定制化研究，本文通過對預(yù)設(shè)的評估因子賦值規(guī)律的研究，借助層次分析法、灰色理論構(gòu)建了灰色系統(tǒng)分析模型，將復(fù)雜的工程學(xué)問題轉(zhuǎn)化為多種研究方法有機(jī)結(jié)合，方便易算的研究模型，為工程檢測技術(shù)人員提供了借鑒和應(yīng)用支持。