預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)快速檢測(cè)技術(shù)研究

袁光英 李 剛 金 花 王 龍

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714000）

0 引言

我國(guó)的公路橋梁到目前為止已超過(guò)90萬(wàn)座，其中跨度超過(guò)40m以上的橋梁不超過(guò)15%，跨度小于40m的中小橋梁超過(guò)85%。中小跨徑橋梁占絕大多數(shù)，中小跨徑橋中又以預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁最為普遍。從使用年限來(lái)看，大約有60%～70%的橋梁是在近30年間修建的，但也有30%～40%的橋梁使用年限在30年以上。根據(jù)外國(guó)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)平均壽命為75年的橋梁實(shí)際使用壽命平均為40年左右。由于施工質(zhì)量通常得不到保證，以及超載現(xiàn)象的普遍化，使得我國(guó)橋梁的損傷和老化速度超過(guò)預(yù)期。如何能夠合理地對(duì)這些橋梁進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)定，對(duì)于維護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，降低全周期成本等均有重要的意義。

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁以其優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性及力學(xué)性能，從而得到了極其廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)為：（1）結(jié)構(gòu)所采用的高標(biāo)號(hào)鋼材和混凝土，導(dǎo)致整個(gè)截面尺寸較小，從而較好地減輕了結(jié)構(gòu)自重。（2）截面剛度較大，同時(shí)無(wú)裂縫可很好保護(hù)混凝土內(nèi)的鋼筋，提高了耐久性。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的特性決定了需要長(zhǎng)期重視安全性。

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的破壞模式主要有：（1）橋墩的失穩(wěn)引起的垮塌（橋墩失穩(wěn)）；（2）由于超重車(chē)輛的不符合交通要求行駛，導(dǎo)致整個(gè)橋梁受力不符合規(guī)范要求而出現(xiàn)破壞，基本有橋跨的中部以彎曲破壞為主和橋跨的端部以剪切破壞為主兩種類(lèi)型。（3）由于孔道灌漿不密實(shí)造成的鋼絞線銹蝕以及預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力損失是隨著橋梁使用年限的增加而累計(jì)的，其危害將越來(lái)越大。本文就預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 混凝土梁檢測(cè)參數(shù)確定

通過(guò)對(duì)混凝土本構(gòu)關(guān)系的分析和混凝土強(qiáng)度機(jī)理的推導(dǎo)，可確定對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)而言，如果想要對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)以確定其是否有損傷，可從如下三個(gè)方面進(jìn)行：混凝土彈性模量、混凝土裂縫區(qū)域、混凝土裂縫深度。

對(duì)于普通鋼筋混凝土橋梁，由于其彎曲變形特性，截面可分為3部分：壓縮區(qū)、中性區(qū)、拉伸區(qū)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，由于預(yù)應(yīng)力的存在，整個(gè)梁截面基本處于受壓狀態(tài)，每點(diǎn)受力均為壓應(yīng)力。但是當(dāng)預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)損失，且損傷超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，整個(gè)截面的應(yīng)力狀態(tài)便會(huì)發(fā)生變化，與正常彎曲變形類(lèi)似。因此對(duì)于鋼筋混凝土橋梁，需要對(duì)梁的上、中、下部位都進(jìn)行測(cè)試才能滿足要求。此外利用不同荷載進(jìn)行測(cè)試，可以進(jìn)一步提高測(cè)試精度?？扇蛄鹤灾睾奢d或者自重+正常使用極限狀態(tài)下的荷載進(jìn)行測(cè)試。

當(dāng)無(wú)法得到混凝土彈性模量E c或?yàn)榱颂岣咄扑憔?，可以利用不同?yīng)力條件下的結(jié)果回歸E c和S L。其方法為：當(dāng)僅自重作用下，混凝土切線彈性模量可以表示為：

或者

當(dāng)自重+交通荷載作用下的測(cè)試，根據(jù)交通荷載的大小，可以推算出應(yīng)力水平的增量DS L，此時(shí)的規(guī)范模型的切線彈性模量為：

聯(lián)立上兩式，可以求得E i（即E c）和S L。過(guò)鎮(zhèn)海模型也可以按同樣方法處理。

由于橋梁的承載力不僅與混凝土材料狀況有關(guān)，而且與梁板的幾何尺寸、鋼筋、預(yù)應(yīng)力等有密切的關(guān)系。在實(shí)際操作中主要根據(jù)測(cè)得的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)和裂縫大小情況來(lái)推算橋梁實(shí)際的承載力狀態(tài)與設(shè)計(jì)工況之間的區(qū)別。依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定在不同工況下的應(yīng)力狀態(tài)與材料的彈性模量之間的關(guān)系。將設(shè)計(jì)值與相應(yīng)位置的測(cè)試值進(jìn)行比較，明確其間的差異，從而找出實(shí)際受力與設(shè)計(jì)值之間的差別。測(cè)試區(qū)域的均值與極值由于預(yù)應(yīng)力梁在外荷載作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力水平均不相同，因此測(cè)試區(qū)間的選取十分重要。另一方面，在實(shí)際的測(cè)試中往往利用梁的兩端，這就存在應(yīng)力水平的均值問(wèn)題。

2 混凝土梁檢測(cè)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)中混凝土梁的加固測(cè)試模型分為鋼板加固和碳纖維布加固兩種類(lèi)型，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)的荷載試驗(yàn)，見(jiàn)圖1～圖4。根據(jù)彎曲構(gòu)件的特點(diǎn)，加固區(qū)設(shè)置在梁的底面。模型尺寸為長(zhǎng)×寬×厚（185×20×10cm），荷載方向與澆筑面平行，即荷載方向結(jié)構(gòu)尺寸為20cm。

圖1 碳纖維布構(gòu)件試驗(yàn)分析結(jié)果

圖2 碳纖維布構(gòu)件測(cè)試波形（上：低荷載，下：高荷載）

圖3 鋼板加固構(gòu)件試驗(yàn)分析結(jié)果

圖4 鋼板加固構(gòu)件測(cè)試波形（上：低荷載，下：高荷載）

通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析：數(shù)據(jù)顯示隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈性模量所測(cè)得數(shù)值呈逐漸下降的趨勢(shì)；反射法得到彈性模量的降低率要大于透射法的結(jié)果，但初始值基本一致；在裂縫發(fā)生前后，彈性模量有較為明顯的降低。對(duì)于上節(jié)中的混凝土加固構(gòu)件，對(duì)其中受壓區(qū)的彈性模量的變化情況，利用IE法（MEM）進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方向與裂縫深度方向平行，測(cè)試實(shí)景及示意圖見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 受壓區(qū)彈性模量變化率

圖6 高應(yīng)力區(qū)頻譜

圖7 點(diǎn)次高應(yīng)力區(qū)MEM頻譜

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：隨著荷載的增加，測(cè)試得到的彈性模量呈先升高后降低的趨勢(shì)；對(duì)稱(chēng)位置的測(cè)試結(jié)果基本一致。

對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件荷載彈性模量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)構(gòu)尺寸為3.2×0.15×0.24m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40。在測(cè)試中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)張拉，總張拉力為140kN，共分為8級(jí)。

測(cè)試結(jié)果表明：隨著張拉力的增加，構(gòu)件的彈性模量與結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力有明顯的線性關(guān)系；對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以建立預(yù)應(yīng)力與彈性模量的關(guān)系（見(jiàn)圖8），并以此推算錨下預(yù)應(yīng)力，并利用該關(guān)系大致推算出P4的錨下預(yù)應(yīng)力為59kN，較張拉時(shí)有較大的預(yù)應(yīng)力損失；測(cè)試中得到的數(shù)值反應(yīng)的不是單向應(yīng)力的變化而是綜合應(yīng)力的變化。

圖8 彈性模量與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系圖

3 混凝土梁檢測(cè)參數(shù)實(shí)測(cè)

在實(shí)際混凝土梁的檢測(cè)過(guò)程中分為兩個(gè)試驗(yàn)，即預(yù)應(yīng)力梁的過(guò)火試驗(yàn)以及梁結(jié)構(gòu)的載荷試驗(yàn)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性模量測(cè)定時(shí)分成整體和局部?jī)煞N類(lèi)型分別測(cè)值。彈性模量的測(cè)試點(diǎn)分布在上中下三個(gè)部位，縱長(zhǎng)全長(zhǎng)測(cè)試。不同荷載條件下過(guò)火前后彈性模量和撓度的變化試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 中梁過(guò)火前后模量趨勢(shì)圖

圖10 中梁過(guò)火前后撓度趨勢(shì)圖

經(jīng)過(guò)過(guò)火實(shí)驗(yàn)0.5h及3h后，兩塊空心板整體彈性模量的變化率在過(guò)火前后分別平均降低了5%左右，但是在過(guò)火附近位置的彈性模量則降低了30%以上。加載等級(jí)與測(cè)試彈性模量相關(guān)性不大，說(shuō)明加載仍在結(jié)構(gòu)的彈性范圍之內(nèi)。不同荷載條件下過(guò)火前后跨中撓度的變化：過(guò)火后中梁1的撓度基本沒(méi)有變化，而中梁2的撓度較之前提高了25%，其結(jié)果與彈性模量測(cè)試趨同，在數(shù)值表現(xiàn)上離散更大些。中梁1和中梁2的撓度加載曲線基本為直線，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)，與彈性模量測(cè)試結(jié)果一致。整體測(cè)試結(jié)果表明：靜載試驗(yàn)與彈性模量測(cè)試兩者的結(jié)果基本一致，彈性模量更能反映結(jié)構(gòu)材質(zhì)的變化；平均而言，撓度的變化量大于整體彈性模量的變化量，這是因?yàn)閾隙冗€受到有效截面積減小的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知：在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中，裁量的彈性模量是一個(gè)至關(guān)重要的檢測(cè)參數(shù)。其數(shù)值的變化可以從側(cè)面推算出結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的變化，如果能準(zhǔn)確測(cè)試出該數(shù)值的變化情況，便可極大地方便混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估。在現(xiàn)有彈性波的理論下，根據(jù)彈性波中對(duì)于波速與材料的動(dòng)切線彈性模量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及在具體理論分析中裂縫對(duì)彈性波的影響，以及彈性波能量的衰減等的相關(guān)性，可以很好地反應(yīng)出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化規(guī)律。在實(shí)際操作過(guò)程中通過(guò)沖擊彈性波P波對(duì)混凝土的彈性模量進(jìn)行相關(guān)測(cè)定，可較好地反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的損壞情況。