振弦式鋼筋計(jì)在管片-SCC-鋼內(nèi)襯分開受力結(jié)構(gòu)內(nèi)壓加載試驗(yàn)的應(yīng)用與分析

黃偉杰，林武東，張 彬

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510000)

振弦式鋼筋計(jì)主要用監(jiān)測(cè)混凝土或其它結(jié)構(gòu)中的鋼筋或錨桿應(yīng)力，例如：建筑、橋梁、大壩、混凝土樁以及芯墻等在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的斷面。[1]其構(gòu)成是由一定長(zhǎng)度的高強(qiáng)圓鋼，沿其中心軸線鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝一個(gè)微型振弦式應(yīng)變計(jì)，電纜通過壓緊接頭從應(yīng)變計(jì)中引出，使用振弦式讀數(shù)儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可遠(yuǎn)程讀取鋼筋或錨桿的力。

1 振弦式鋼筋計(jì)的安裝

1.1 儀器測(cè)試

為了保證儀器正常工作，運(yùn)輸期間將鋼筋計(jì)固定在木箱內(nèi)，鋼筋計(jì)在運(yùn)輸過程中受到撞擊。鋼筋計(jì)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，在現(xiàn)場(chǎng)安裝前進(jìn)行檢查測(cè)試是否正常工作。檢查測(cè)試方法如下：

1)檢查外觀是否平整、光潔、有無銹斑及撞擊痕跡，引出電纜護(hù)套有無損傷；檢查型號(hào)、規(guī)格、出廠編號(hào)、產(chǎn)品合格證、出廠檢驗(yàn)報(bào)告、使用說明書等。

2)用萬用表檢測(cè)儀器電阻值，在23℃室內(nèi)溫度下，振弦式鋼筋計(jì)線纜紅、黑之間的線圈電阻值大約為180Ω±10Ω，線纜綠、白之間的線圈電阻值約為3000Ω，用讀數(shù)儀連接儀器，讀數(shù)應(yīng)保持穩(wěn)定并與出廠參數(shù)相接近。

3)用壓力容器、加壓設(shè)備、壓力表、絕緣電阻表對(duì)鋼筋計(jì)進(jìn)行防水密封性和絕緣性測(cè)試，在1MPa水壓力下，檢查傳感器的輸出信號(hào)是否穩(wěn)定，檢測(cè)各芯線間的絕緣電阻應(yīng)>50MΩ；用材料試驗(yàn)機(jī)、恒溫水浴等對(duì)鋼筋計(jì)進(jìn)行靜態(tài)特性測(cè)試，檢驗(yàn)儀器的分辨率、非線性度、不重復(fù)度、滯后、綜合誤差是否符合規(guī)范要求。

1.2 儀器安裝

振弦式鋼筋計(jì)安裝位置示意圖，見圖1。

圖1 振弦式鋼筋計(jì)安裝位置示意圖

鋼筋計(jì)安裝在壓力輸水盾構(gòu)隧洞的管片內(nèi)，在預(yù)制鋼筋混凝土管片安裝，管片在盾構(gòu)隧洞進(jìn)行拼裝。管片每分塊均在內(nèi)、外弧面各布置了6支振弦式鋼筋計(jì)，在每塊管片跨中部位(設(shè)計(jì)安裝位置)內(nèi)、外側(cè)環(huán)向受力鋼筋處安裝鋼筋計(jì)，鋼筋計(jì)焊接在同一直徑的受力鋼筋并保持在同一軸線上，焊接采用坡口焊接法，焊接時(shí)及焊接后，在儀器部位澆水冷卻，使儀器溫度≤60℃。焊接時(shí)應(yīng)將鋼筋計(jì)線纜端部的芯線金屬線頭部分用絕緣膠布包扎，避免搭接在鋼筋網(wǎng)上，以防止焊接時(shí)形成回路產(chǎn)生電弧打火而損壞鋼筋計(jì)。儀器線纜應(yīng)沿鋼筋用尼龍?jiān)€綁扎好引至管片內(nèi)弧面的孔洞中保護(hù)好，避免管片混凝土搗實(shí)振動(dòng)時(shí)損壞線纜。

2 管片-SCC-鋼內(nèi)襯結(jié)構(gòu)介紹

管片-SCC-鋼內(nèi)襯分開受力結(jié)構(gòu)位于壓力輸水盾構(gòu)隧洞原位試驗(yàn)的第三區(qū)間，外襯采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片拼裝完成后襯砌層外徑為6m，內(nèi)徑5.4m，襯砌管片厚度為0.3m，襯砌環(huán)寬1.5m。襯砌管片內(nèi)側(cè)即隧洞上部240°均布排水板，并鋪設(shè)聚乙烯泡沫板，形成隔離排水層。內(nèi)襯鋼管采用壁厚為16mm的DN4800鋼管，鋼管外側(cè)每間隔2m設(shè)一環(huán)加勁環(huán)，且在內(nèi)襯鋼管外側(cè)布置鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與加勁環(huán)焊接。內(nèi)襯鋼管與排水隔離層之間回填C30自密實(shí)混凝土。試驗(yàn)根據(jù)管片應(yīng)力、螺栓應(yīng)力等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行管片剛度反演計(jì)算，研究管片-SCC-鋼內(nèi)襯分開受力結(jié)構(gòu)的最大承載能力。

3 內(nèi)壓加載試驗(yàn)過程

管片-SCC-鋼內(nèi)襯分開受力結(jié)構(gòu)原位試驗(yàn)工作壓力等級(jí)為0.5MPa，水錘壓力0.25MPa。考慮到內(nèi)水壓試驗(yàn)在鋼內(nèi)襯里堵頭設(shè)置困難，且內(nèi)水壓在隧洞內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)較高，為較好地模擬內(nèi)壓這一法向面荷載的作用，在隧洞內(nèi)部安置高強(qiáng)度的內(nèi)撐鋼管作為反力支架，在內(nèi)撐鋼管反力支架與鋼內(nèi)襯之間，均勻滿布橡膠囊體，配合內(nèi)撐鋼管反力支架作為加載裝置，囊體和內(nèi)襯鋼管反力架的長(zhǎng)度為5m。為安全起見，對(duì)橡膠囊體充水以模擬高內(nèi)水壓，同時(shí)可以模擬水體重力引起的內(nèi)水壓梯度差異。試驗(yàn)過程中，內(nèi)壓加卸載循環(huán)3次，每個(gè)循環(huán)耗時(shí)1d，對(duì)所有橡膠囊體同步加水壓以模擬均布高內(nèi)水壓。每天進(jìn)行一次完整加卸載試驗(yàn)，為了平衡加載裝置自重和確保全周囊體壓力均勻，加載階段的初始內(nèi)壓控制為 0.15MPa，在每個(gè)加載卸載等級(jí)的穩(wěn)壓階段對(duì)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[2-3]。

4 振弦式鋼筋計(jì)測(cè)值數(shù)據(jù)分析

管片內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力分布圖，見圖2；管片外弧面鋼筋應(yīng)力分布圖，見圖3。

圖2和圖3為試驗(yàn)加載過程中管片內(nèi)、外弧面鋼筋應(yīng)力分布圖，在內(nèi)壓加載試驗(yàn)進(jìn)行前，管片內(nèi)外弧面鋼筋計(jì)均處于受壓狀態(tài)，鋼筋計(jì)測(cè)值為無內(nèi)壓工況下管片承擔(dān)外部水土荷載作用后所引起的鋼筋應(yīng)力，選取內(nèi)壓加載試驗(yàn)前測(cè)值為初始值0MPa。內(nèi)壓加載過程中，管片內(nèi)、外弧面鋼筋應(yīng)力相比于初始值0MPa的初始鋼筋應(yīng)力狀態(tài)的變化幅度較小，內(nèi)壓第3循環(huán)鋼筋應(yīng)力測(cè)值變化量表，見表1。

圖2 管片內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力分布圖

圖3 管片外弧面鋼筋應(yīng)力分布圖

表1 內(nèi)壓第3循環(huán)鋼筋應(yīng)力測(cè)值變化量表

在內(nèi)壓加載試驗(yàn)完成后，根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面12支振弦式鋼筋計(jì)的數(shù)據(jù)成果，在3個(gè)循環(huán)的加載試驗(yàn)過程中，監(jiān)測(cè)斷面管片的內(nèi)弧面和外弧面鋼筋應(yīng)力均主要表現(xiàn)為隨著內(nèi)壓的增大而拉應(yīng)力增大趨勢(shì)；其中內(nèi)弧面位于L2塊的鋼筋應(yīng)力和外弧面位于B2塊的鋼筋應(yīng)力變現(xiàn)為輕微受壓，受壓值≤1MPa；內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力在3個(gè)循壞中增量極值較為接近，位置分別在右拱腰F塊和拱底B1塊；外弧面鋼筋應(yīng)力在3個(gè)循壞中增量極值較為接近，均位于拱底B1塊，其余位置鋼筋拉應(yīng)力增量較小。從量值上看，內(nèi)壓達(dá)到0.75MPa最高值時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面管片內(nèi)弧面鋼筋拉應(yīng)力最大增量為4.9MPa，監(jiān)測(cè)斷面管片外弧面鋼筋拉應(yīng)力最大增量為9.1MPa。可見，管片內(nèi)、外弧面鋼筋應(yīng)力狀態(tài)主要由外水土壓力作用決定，內(nèi)壓加載對(duì)管片內(nèi)、外弧面鋼筋應(yīng)力的影響較小[4-6]。

5 結(jié) 論

在3個(gè)循壞內(nèi)壓加載過程中，監(jiān)測(cè)斷面管片鋼筋應(yīng)力內(nèi)弧面和外弧面鋼筋應(yīng)力均主要表現(xiàn)為隨著內(nèi)壓的增大而拉應(yīng)力增大趨勢(shì)，內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力和外弧面鋼筋的增量極值都較為接近，位置分別位于右拱腰F塊和拱底B1塊，鋼筋應(yīng)力受力最大位置位于拱底墊層未覆蓋區(qū)域B1塊，墊層覆蓋的上部240°區(qū)域范圍內(nèi)的管片鋼筋拉應(yīng)力增量更小，可見，墊層很好地削弱了傳遞到管片的內(nèi)壓作用，墊層覆蓋區(qū)管片的鋼筋應(yīng)力受內(nèi)壓作用的影響較小，墊層未覆蓋區(qū)管片鋼筋應(yīng)力響應(yīng)較大，但即使內(nèi)壓達(dá)到0.75MPa，管片內(nèi)、外弧面的鋼筋應(yīng)力整體均處于受壓狀態(tài)，充足的安全儲(chǔ)備。