基于切槽法的混凝土梁體現存應力測試研究

閆燕紅,孫運國，何立忠，鄭連生

(天津市交通科學研究院，天津 300300)

0 引 言

在役預應力混凝土結構橋梁常出現結構開裂等病害，影響結構安全性[1]。工作應力是反映混凝土結構安全與否的重要指標，針對混凝土工作應力的獲取，國內外研究者進行了大量研究，主要有無損檢測技術和局部破損檢測技術[2]。

無損檢測技術相關聲學參數的測試精度較高，但受外界環境影響較大，主要建立在試驗基礎的定性分析。局部破損檢測技術主要是應力釋放法，其最初應用于鋼結構中構件殘余應力的測試，科學工作者對應力釋放法進行了大量試驗研究，并逐漸將其應用于混凝土材料[2-4]。混凝土應力釋放法主要有盲孔法、環孔法和開槽法[5]。

魯亮等[6-7]近年來對應力釋放法技術在鋼筋混凝土中的應用進行了相關研究，通過理論分析和實驗室構件試驗，分析驗證了切槽法不同切槽距和切槽深度下的應力釋放效率。

筆者以切槽法應力釋放技術為研究對象，參考國內外相關研究成果，利用預制構件開展了切槽法應力釋放效率影響因素研究，對拆下的板梁進行實體構件切槽法應力釋放測試，通過實測驗證，采用構件邊緣切槽的應力釋放法可獲得良好效果。

1 切槽法影響因素理論分析及試驗

根據國內相關研究成果，分析切槽法的應力釋放值與切槽深度的關系，確定鋼筋混凝土構件表面正應力釋放為0的深度是測區邊長的1/3[7]。對混凝土構件切槽法應力釋放檢測的切槽深度及切槽方式進行理論計算分析，并制作預制構件進行實驗測試，有限元模型如圖1，預制構件如圖2。

圖1 試塊有限元模型示意Fig. 1 Finite element model diagram of test block

圖2 預制構件Fig. 2 Prefabricated component

1.1 不同切槽深度下應力釋放理論分析

參考國內已有研究成果，取切槽標距為105 mm，對模型分別施加5.15、3.45、1.73 MPa均布壓應力，利用有限元軟件模擬分析不同切槽深度下應力釋放規律，計算結果如圖3。

圖3 不同初始應力狀態下切槽應力釋放變化Fig. 3 Cutting stress release variation under different initial stress conditions

通過以上理論計算可以看出，在不同初始應力狀態下，采用切槽法計算的應力釋放深度一致，標距105 mm下，切槽深度達到35 mm，理論計算切槽深度達到標距的1/3時，構件表面正應力釋放達到100%。

1.2 不同切槽方式下應力釋放理論分析

對模型側面兩端分別施加5.15、3.45 MPa，模擬兩側平行切槽和環周切槽，模擬分析采用不同切槽方式下結構的應力釋放變化情況，不同切槽方式下應力釋放狀況如圖4。

圖4 不同切槽方式應力釋放變化Fig. 4 Stress release variation with different cutting methods

通過理論分析可以看出，采用平行切槽法和環槽切槽法結果一致，混凝土構件切槽法應力釋放可采用平行切槽法進行應力釋放，減少對構件的破損影響。

1.3 構件試驗

采用千斤頂對試驗試件施加壓力，構件表面平行黏貼2個應變測試傳感器，試驗試件混凝土內應變達到100 με，對構件表面進行平行切槽應力釋放，切槽應力釋放結果如圖5。

圖5 試件切槽釋放應變值的曲線Fig. 5 Curve of specimen cutting release strain value

通過模型試驗得到，采用平行切槽法的不同切槽深度下，在高應變區段理論應變釋放值與實測應變釋放值趨勢一致，在應變釋放達到60%以后存在一定偏差，最終釋放實測應變達到實際值83%左右。

2 基于荷載試驗的梁體正應力測試

利用橋梁改造拆除下的板梁構件，進行加載試驗，測試拆下的20 m后張預應力混凝土板梁構件的表面正應力，試驗梁體底板中間存在縱向裂縫，梁體底板無橫向裂縫。利用加載試驗測定梁體底板現存正應力狀況[8]，梁體底板跨中1.6 m范圍內布置應力測點，測點布置如圖6。利用千斤頂加載，具體加載位置如圖7，測試應力變化如圖8。

圖6 板梁跨中底板混凝土表面應力測點布置(單位：cm)Fig. 6 Layout of stress measuring points on concrete surface of slab girder of mid span bottom slab

圖7 跨中集中力加載示意(單位：cm)Fig. 7 Schematic diagram of concentrated force loading in midspan

圖8 各點應力變化Fig. 8 Stress variation of each point

通過測試結果如圖8，加載為28～30 t時，多點混凝土應力測點斜率發生變化，2#、4#、6#和8#測點的混凝土應力斜率均為增加，1#、3#、5#、7# 和9# 測點的混凝土應力斜率均為趨緩，判斷加載28～30 t區間板梁跨中底板混凝土開裂，裂縫處應力激增，裂縫間應力不再增加，裂縫間距為40 cm，取加載值28 t為開裂荷載。

通過試驗得到，簡支狀態下該梁跨中開裂加載值為28 t，跨中區間加載狀態下應力變化測試均值為10.08 MPa，C50混凝土梁的抗拉強度標準值2.65 MPa，板梁梁底跨中實際壓應力為7.43 MPa，進行理論模擬分析，簡支狀態下跨中底板現存理論預壓應力為7.43 MPa，模擬梁體現存預應力，梁底板理論模擬應力分布如圖9。

3 基于切槽法的梁體正應力測試

利用已經測得梁體現存預應力的20 m后張預應力混凝土梁進行試驗，選擇梁體加載試驗未開裂的1/4跨區域段進行切槽法正應力測試試驗，測采用8 cm應變片進行應力釋放值測試[9-13]，對梁體進行不同切槽深度試驗，分析不同切槽深度下梁體的應力釋放變化狀況，應力測點布置如圖10。

在加載未開裂的1/4跨區域進行試驗，測點布置位置如圖11，根據測試的現存預應力狀況，計算吊裝在切槽試驗臺上梁體的應力分布，計算結果如圖12～圖13。

一區應力釋放測點共布設2個測點，1# 測點距離底板距離為17 mm，2# 測點距離底板距離為31 mm，不同切槽深度下梁體實測釋放應力值如圖14，切槽35 mm深穩定，1# 測點應力實測值8.18 MPa, 1# 測點理論壓應力值為10.26 MPa，應力釋放效率為0.80，2# 測點應力實測值為8.45 MPa，2# 測點理論壓應力值為10.08 MPa，應力釋放效率為0.84。

圖9 考慮收縮徐變后理論梁底壓應力計算結果(單位:MPa)Fig. 9 Theoretical calculation results of beam bottom compressive stress considering shrinkage and creep

圖10 應力釋放測點局部布置Fig. 10 Layout of stress release measuring points

二區應力釋放測點共布設2個測點，1# 測點距離底板距離為17 mm，2# 測點距離底板距離為40 mm，不同切槽深度下梁體實測釋放應力值如圖15，切槽35 mm深穩定，1# 測點應力實測值為7.01 MPa，1# 測點理論壓應力值為9.93 MPa，應力釋放效率為0.71，2# 測點應力實測值7.02 MPa，2# 測點理論壓應力值為9.66 MPa，應力釋放效率為0.73。

圖11 應力釋放測點布置(單位:cm)Fig. 11 Layout of stress release measuring points

圖12 梁體底板應力理論計算值(單位:MPa)Fig. 12 Theoretical calculation value of beam floor stress

圖13 梁體頂板應力理論計算值(單位:MPa)Fig. 13 Theoretical calculation value of beam roof stress

圖14 一區不同切槽深度梁體釋放應力曲線Fig. 14 Release stress curve of beam body with different cutting depth in the first area

圖15 二區不同切槽深度梁體釋放應力曲線Fig. 15 Release stress curve of beam body with different cutting depth in the second area

三區應力釋放測點共布設2個測點，1# 測點距離底板距離為16 mm，2# 測點距離底板距離為33 mm，不同切槽深度下梁體實測釋放應力值如圖16，切槽35 mm深穩定，1# 測點失效，2# 測點理論壓應力值為10.17 MPa，2# 測點應力實測值為 8.00 MPa,應力釋放效率為0.79。

圖16 三區不同切槽深度梁體釋放應力曲線Fig. 16 Release stress curve of beam body with different cutting depth in the third area

由圖14～圖16可知，進行多組切槽綜合評價時，對于105 mm切槽間距，切槽深度達到切槽間距的1/3深度時，既切槽深度35 mm以內應力釋放以構件表面正應力為主，測試應力釋放效率值達到0.80左右，當切槽深度超過槽間距1/3時，構件表面應力釋放轉變為彎曲應力。在滿足不破壞構件鋼筋的前提下，構件表面切槽應大于正應力釋放切槽深度，通過不同切槽深度測試釋放應力值，測得構件表面測試正應力與彎曲應力的變化曲線，可初判正應力釋放數據的合理性。

應力釋放測試過程中，對各測區的應力釋放值的穩定時間進行過程測試，在同一切槽深度下，各測點進行時間連續的應力采集，分析切槽法應力釋放過程測試數據的穩定時間，指導應力釋放測試的操作。

圖17 不同切槽深度下穩定時間Fig. 17 Stable time chart with different cutting depth

通過圖17可知，切槽標距為105 mm，在不同的切槽深度下，測試釋放應力值趨于緩慢的穩定，切槽穩定時間不小于8 min，切槽后穩定時間大于8 min后構件表面測試應力值變化趨于平緩穩定。

4 結 論

通過對后張法預應力混凝土板梁進行切槽法應力釋放試驗，得出如下結論：

1)通過在梁底布置密集的應變采集測點，捕捉加載過程中各測點的應變突變，測試出梁體的開裂加載荷載值，計算出梁體的現存預應力。

2)采用平行切槽法，切槽標距取用105 mm，切槽深度為35 mm時，測試的釋放應力值為正應力，正應力釋放效率可達0.80左右。

3)切槽后穩定時間達到8 min以上，應變計測試應力變化值基本趨于穩定。