王春芬，高以健，鐘文森

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055;2.蘭州鐵路局 工務(wù)處，甘肅 蘭州 730000;3.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

預(yù)應(yīng)力空心薄壁橋墩由預(yù)應(yīng)力鋼絞線和鋼筋混凝土箱式塊件在現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成，具有截面積小、截面模量大、自重輕等特點(diǎn)?？招谋”跇蚨赵谠O(shè)計(jì)和施工階段時(shí)的預(yù)應(yīng)力確定主要依據(jù)規(guī)范提供的理論公式。若計(jì)算值與現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力值之間偏差較大，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)存在一定的關(guān)系，但目前還無(wú)法通過儀器直接測(cè)出結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力值。通過間接試驗(yàn)方法，研究現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力與上述力學(xué)參量之間的關(guān)系，找出一套簡(jiǎn)便、實(shí)用、可靠的檢測(cè)方法，評(píng)估空心薄壁橋墩的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力，解決橋梁的安全評(píng)估及技術(shù)改造過程中的關(guān)鍵問題，無(wú)論是對(duì)在役結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估還是今后進(jìn)行加固設(shè)計(jì)、施工都具有重要的工程意義。

本文結(jié)合切槽法應(yīng)力釋放法原理［1］，在有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，通過研究荷載、槽間距、槽長(zhǎng)、開槽深度等條件變化下的混凝土工作應(yīng)力變化規(guī)律，進(jìn)行現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力測(cè)試過程中的影響參數(shù)分析，提出應(yīng)力釋放所需的開槽深度、間距等計(jì)算參數(shù)。以在役鐵路空心薄壁橋墩為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了橋墩內(nèi)壁切槽及振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，為今后混凝土橋梁使用性能評(píng)估、維護(hù)以及加固提供了技術(shù)參考。

1 橋梁概況

比利溝大橋位于銀川市平羅縣境內(nèi)，由7孔跨度31.7 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁組成，下部結(jié)構(gòu)采用拼裝式預(yù)應(yīng)力混凝土空心薄壁橋墩，T型橋臺(tái)。5#，6#橋墩為沉井基礎(chǔ)，其余均為明挖基礎(chǔ)，基底均置于基巖上。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的設(shè)計(jì)活載為中 －26級(jí)，墩、臺(tái)為中－22級(jí)?？招臉蚨栈炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為400號(hào)，砌縫砂漿400號(hào)、厚度1.0 cm，橋墩每隔4～6 m設(shè)隔板1道，每階段設(shè)2道隔板。比利溝大橋概貌見圖1。在線路電氣化改造過程中，為判定長(zhǎng)期服役后拼裝橋墩的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力，通過有限元分析、空心墩內(nèi)壁切槽試驗(yàn)及振動(dòng)測(cè)試等方法［2］，綜合判定目前橋墩的健康狀態(tài)。

圖1 鐵路比利溝大橋

2 切槽參數(shù)的有限元分析

依據(jù)局部應(yīng)力解除法的力學(xué)原理，為了測(cè)試結(jié)構(gòu)構(gòu)件中某一點(diǎn)的工作應(yīng)力，采用切割工具在測(cè)點(diǎn)上下分別開兩條橫槽，解除測(cè)試點(diǎn)處的約束，使之產(chǎn)生彈性恢復(fù)變形，從而導(dǎo)致構(gòu)件的應(yīng)力重新分布。當(dāng)切槽達(dá)到一定深度時(shí)，可使測(cè)點(diǎn)處局部工作應(yīng)力完全釋放。通過對(duì)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變釋放的量測(cè)，可以求出該點(diǎn)的工作應(yīng)力［3-4］。

采用切槽法測(cè)量混凝土工作應(yīng)力時(shí)，關(guān)注的是量測(cè)點(diǎn)上應(yīng)力完全釋放所需的開槽寬度、深度、槽間距等參數(shù)。在切槽過程中，橋墩處于彈性工作狀態(tài)，可采用ANSYS有限元計(jì)算軟件，建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。計(jì)算時(shí)，空心薄壁墩混凝土單元取 Solid65，利用ANSYS在切槽過程中的單元“生死”功能模擬混凝土切割過程，混凝土泊松比vc=0.2，彈性模量取34 GPa。模型的外輪廓尺寸為3 000 mm×2 800 mm×1 000 mm，壁厚為200 mm，槽的切割寬度設(shè)為5 mm，模型的下表面施加位移約束，上表面施加的面荷載模擬結(jié)構(gòu)重力作用及預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及切槽測(cè)試布置見圖2。

圖2 混凝土構(gòu)件測(cè)點(diǎn)位置示意及網(wǎng)格劃分(單位:mm)

通過有限元模擬切槽過程，研究荷載、槽間距、槽長(zhǎng)、開槽深度等條件變化下的混凝土工作應(yīng)力變化規(guī)律，分析現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力測(cè)試過程中，影響參數(shù)變化對(duì)測(cè)試位置的應(yīng)力影響。

為了解結(jié)構(gòu)在承受不同壓應(yīng)力時(shí)，切槽過程中混凝土測(cè)點(diǎn)的工作應(yīng)力釋放規(guī)律，分別計(jì)算上表面壓應(yīng)力作用 3 500 kPa，3 000 kPa，2 500 kPa 及2 000 kPa 時(shí)的應(yīng)力變化。不同壓應(yīng)力作用下，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力釋放計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 不同壓應(yīng)力條件下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由圖3可見，在切槽過程中，隨著施加在模型上表面的應(yīng)力增大，應(yīng)力釋放曲線逐漸變陡，應(yīng)力釋放為零的切槽深度均分布在5.8 cm附近。

其次，為分析結(jié)構(gòu)在不同切槽間距下測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力特點(diǎn)，取開槽間距分別為15 cm，20 cm，25 cm，30 cm，35 cm時(shí)進(jìn)行比較。計(jì)算時(shí)，在模型的上表面施加相同的均布?jí)簯?yīng)力3 000 kPa，切槽寬取5 mm，槽長(zhǎng)40 cm。不同切槽間距下測(cè)點(diǎn)處混凝土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4。

由圖4可見，切槽間距對(duì)應(yīng)力釋放速度和應(yīng)力釋放率影響較大。在切槽過程中，隨著槽間距的增大，應(yīng)力釋放為零時(shí)的切槽深度逐步增大，減小槽間距可以加快應(yīng)力釋放，但受應(yīng)變片尺寸、混凝土骨料尺寸等影響，切槽間距不宜小于15 cm。

為了解在不同切槽長(zhǎng)度時(shí)，測(cè)點(diǎn)處混凝土工作應(yīng)力釋放的規(guī)律，分別計(jì)算切槽長(zhǎng)度為40 cm，35 cm，30 cm，25 cm及15 cm時(shí)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力釋放過程。以施加在模型上表面的均布荷載采用3 000 kPa為例，槽寬取5 mm，槽間距取20 cm，不同槽長(zhǎng)下混凝土應(yīng)力釋放規(guī)律見圖5。

圖5 不同槽長(zhǎng)下測(cè)點(diǎn)處的混凝土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在切槽過程中，隨著槽長(zhǎng)的降低，在槽間距及模型上表面的壓應(yīng)力保持不變的情況下，應(yīng)力釋放為零點(diǎn)的切槽深度在6 cm左右。但當(dāng)間距20 cm、槽長(zhǎng)為15 cm時(shí)，應(yīng)力未能完全釋放。因此，在采用切槽法進(jìn)行混凝土應(yīng)力釋放時(shí)，為保證測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力能夠完全釋放，切槽長(zhǎng)度應(yīng)大于切槽間距。

3 橋墩現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的切槽法試驗(yàn)

為判定空心薄壁橋墩的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力，試驗(yàn)時(shí)，首先采用鋼筋混凝土雷達(dá)在墩身內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束定位，在豎向鋼束中間布置切槽測(cè)區(qū)。對(duì)測(cè)區(qū)打磨清理后，進(jìn)行環(huán)氧打底及防潮處理。對(duì)切槽位置劃線定位后，粘貼混凝土應(yīng)變片。在試驗(yàn)開始后，使用混凝土切割機(jī)在測(cè)區(qū)上下邊緣切兩道橫槽，用應(yīng)變儀記錄混凝土應(yīng)力釋放所產(chǎn)生的應(yīng)變值。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，選取4#墩和5#墩為對(duì)象進(jìn)行切槽檢測(cè)，切槽寬度40 cm、間距取20 cm，切割深度取7 cm，見圖6。

圖6 4#墩和5#墩測(cè)區(qū)布置

比利溝大橋空心薄壁橋墩的豎向預(yù)應(yīng)力筋為高強(qiáng)鋼絲束，采用后張法施工。單束預(yù)應(yīng)力筋由16根φ5 mm的高強(qiáng)鋼絲組成。預(yù)應(yīng)力筋抗拉極限強(qiáng)度為1 600 MPa，屈服強(qiáng)度1 280 MPa。施工時(shí)張拉力為32.6 t，伸長(zhǎng)率為0.005 78，超張拉時(shí)張拉力為34.2 t，伸長(zhǎng)率為0.006 07。鋼絲束彈性模量 Ep=2.05×105MPa，張拉應(yīng)力 σcon=εEP=2.05×105×0.006 07=1 244.35 MPa。參照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.3—2005)，4#墩和 5#墩切槽位置所在節(jié)段由結(jié)構(gòu)自重及預(yù)應(yīng)力影響而產(chǎn)生的壓應(yīng)力計(jì)算值見表1。切槽試驗(yàn)在夜間進(jìn)行，應(yīng)變測(cè)試采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變儀。墩身內(nèi)壁切槽過程中，應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 4#墩和5#墩切槽節(jié)段的墩壁混凝土壓應(yīng)力 MPa

根據(jù)《規(guī)范》［5］計(jì)算得到節(jié)段壓應(yīng)力，采用有限元法得到應(yīng)變測(cè)點(diǎn)處的計(jì)算應(yīng)變值，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得到結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。參照《檢規(guī)》［6］對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼絲應(yīng)力(應(yīng)變)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)通常值規(guī)定，結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)條件下的通常值范圍為0.9～1.0。從試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來看，橋墩預(yù)應(yīng)力鋼束的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。在現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力條件下，當(dāng)橋上作用列車荷載時(shí)，通過荷載組合檢算，橋墩截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力小于檢定容許應(yīng)力要求。

表2 4#墩和5#墩切槽法測(cè)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果 ×10－6

表3 測(cè)點(diǎn)處混凝土應(yīng)變分析結(jié)果

參照歷史測(cè)試記錄及現(xiàn)階段橋墩振動(dòng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，為評(píng)定橋墩狀態(tài)，引入了橋墩健全度指數(shù)SI，SI=實(shí)測(cè)橋墩自振頻率/自振頻率基準(zhǔn)值。

橋墩健全度評(píng)估準(zhǔn)則［7］見表4。

表4 橋墩健全度評(píng)估準(zhǔn)則

橋墩自振頻率基準(zhǔn)值可采用橋墩建成初期或在健全狀態(tài)下的自振頻率初始測(cè)試值。如沒有初始測(cè)試值，則基于大量橋墩的自振頻率測(cè)試結(jié)果，用統(tǒng)計(jì)回歸的方法建立的公式來計(jì)算橋墩的自振頻率基準(zhǔn)值。采用動(dòng)測(cè)法進(jìn)行橋梁動(dòng)力參數(shù)測(cè)試，結(jié)合蘭州鐵路局橋檢隊(duì)的歷史檢測(cè)記錄(見表5)，橋墩健全度評(píng)估［7］結(jié)果見表6。從橋墩表觀檢測(cè)結(jié)果來看，橋墩墩身未發(fā)現(xiàn)明顯病害特征，振動(dòng)測(cè)試得到的健全度指數(shù) SI在0.95以上，判定等級(jí)為B，橋墩狀態(tài)健全。

表5 比利溝橋墩自振頻率歷史檢測(cè)記錄 Hz

表6 比利溝橋墩健全度評(píng)估結(jié)果(2010年9月) Hz

4 結(jié)論

根據(jù)應(yīng)力釋放法原理，在有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，研究了應(yīng)力、槽間距、槽長(zhǎng)、開槽深度等條件變化下混凝土構(gòu)件的工作應(yīng)力變化規(guī)律，比利溝空心薄壁橋墩現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的檢測(cè)及振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，切槽法實(shí)測(cè)應(yīng)變結(jié)果與理論結(jié)果基本吻合，該方法可以在橋梁現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力評(píng)定中采用。

［1］王柏生.開槽法測(cè)試混凝土工作應(yīng)力試驗(yàn)研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，44(9):1754-1759.

［2］楊新華.開槽法測(cè)試結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力的有限元分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1998(4):50-52.

［3］楊勇，王燦，朱新實(shí).既有橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)存應(yīng)力測(cè)量與分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，27(2):198-202.

［4］王蘇，王春生，李淑媛.建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法評(píng)析與展望［J］.沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，16(1):49-52.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社.2004.

［7］戰(zhàn)家旺.既有鐵路橋墩健全度評(píng)估和試驗(yàn)方法研究［D］.北京:北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.