王春芬，高以健，鐘文森

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

預應力空心薄壁橋墩由預應力鋼絞線和鋼筋混凝土箱式塊件在現(xiàn)場拼裝而成，具有截面積小、截面模量大、自重輕等特點?？招谋”跇蚨赵谠O計和施工階段時的預應力確定主要依據(jù)規(guī)范提供的理論公式。若計算值與現(xiàn)存預應力值之間偏差較大，預應力混凝土結構的現(xiàn)存預應力與結構的力學參數(shù)存在一定的關系，但目前還無法通過儀器直接測出結構的現(xiàn)存預應力值。通過間接試驗方法，研究現(xiàn)存預應力與上述力學參量之間的關系，找出一套簡便、實用、可靠的檢測方法，評估空心薄壁橋墩的現(xiàn)存預應力，解決橋梁的安全評估及技術改造過程中的關鍵問題，無論是對在役結構的性能評估還是今后進行加固設計、施工都具有重要的工程意義。

本文結合切槽法應力釋放法原理［1］，在有限元計算分析的基礎上，通過研究荷載、槽間距、槽長、開槽深度等條件變化下的混凝土工作應力變化規(guī)律，進行現(xiàn)存預應力測試過程中的影響參數(shù)分析，提出應力釋放所需的開槽深度、間距等計算參數(shù)。以在役鐵路空心薄壁橋墩為試驗對象，進行了橋墩內壁切槽及振動試驗驗證，為今后混凝土橋梁使用性能評估、維護以及加固提供了技術參考。

1 橋梁概況

比利溝大橋位于銀川市平羅縣境內，由7孔跨度31.7 m的預應力混凝土簡支梁組成，下部結構采用拼裝式預應力混凝土空心薄壁橋墩，T型橋臺。5#，6#橋墩為沉井基礎，其余均為明挖基礎，基底均置于基巖上。預應力混凝土梁的設計活載為中 －26級，墩、臺為中－22級。空心橋墩混凝土設計強度等級為400號，砌縫砂漿400號、厚度1.0 cm，橋墩每隔4～6 m設隔板1道，每階段設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，為判定長期服役后拼裝橋墩的現(xiàn)存預應力，通過有限元分析、空心墩內壁切槽試驗及振動測試等方法［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)局部應力解除法的力學原理，為了測試結構構件中某一點的工作應力，采用切割工具在測點上下分別開兩條橫槽，解除測試點處的約束，使之產生彈性恢復變形，從而導致構件的應力重新分布。當切槽達到一定深度時，可使測點處局部工作應力完全釋放。通過對測點應變釋放的量測，可以求出該點的工作應力［3-4］。

采用切槽法測量混凝土工作應力時，關注的是量測點上應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有限元計算軟件，建立結構計算模型。計算時，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構重力作用及預應力作用效應，結構計算模型及切槽測試布置見圖2。

圖2 混凝土構件測點位置示意及網格劃分(單位:mm)

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

為了解結構在承受不同壓應力時，切槽過程中混凝土測點的工作應力釋放規(guī)律，分別計算上表面壓應力作用 3 500 kPa，3 000 kPa，2 500 kPa 及2 000 kPa 時的應力變化。不同壓應力作用下，測點應力釋放計算結果見圖3。

圖3 不同壓應力條件下測點應力計算結果

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

其次，為分析結構在不同切槽間距下測點的應力特點，取開槽間距分別為15 cm，20 cm，25 cm，30 cm，35 cm時進行比較。計算時，在模型的上表面施加相同的均布壓應力3 000 kPa，切槽寬取5 mm，槽長40 cm。不同切槽間距下測點處混凝土應力計算結果見圖4。

由圖4可見，切槽間距對應力釋放速度和應力釋放率影響較大。在切槽過程中，隨著槽間距的增大，應力釋放為零時的切槽深度逐步增大，減小槽間距可以加快應力釋放，但受應變片尺寸、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度時，測點處混凝土工作應力釋放的規(guī)律，分別計算切槽長度為40 cm，35 cm，30 cm，25 cm及15 cm時測點處的應力釋放過程。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，不同槽長下混凝土應力釋放規(guī)律見圖5。

圖5 不同槽長下測點處的混凝土應力計算結果

在切槽過程中，隨著槽長的降低，在槽間距及模型上表面的壓應力保持不變的情況下，應力釋放為零點的切槽深度在6 cm左右。但當間距20 cm、槽長為15 cm時，應力未能完全釋放。因此，在采用切槽法進行混凝土應力釋放時，為保證測點位置的應力能夠完全釋放，切槽長度應大于切槽間距。

3 橋墩現(xiàn)存預應力的切槽法試驗

為判定空心薄壁橋墩的現(xiàn)存預應力，試驗時，首先采用鋼筋混凝土雷達在墩身內壁進行預應力鋼束定位，在豎向鋼束中間布置切槽測區(qū)。對測區(qū)打磨清理后，進行環(huán)氧打底及防潮處理。對切槽位置劃線定位后，粘貼混凝土應變片。在試驗開始后，使用混凝土切割機在測區(qū)上下邊緣切兩道橫槽，用應變儀記錄混凝土應力釋放所產生的應變值。根據(jù)有限元計算結果，選取4#墩和5#墩為對象進行切槽檢測，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#墩測區(qū)布置

比利溝大橋空心薄壁橋墩的豎向預應力筋為高強鋼絲束，采用后張法施工。單束預應力筋由16根φ5 mm的高強鋼絲組成。預應力筋抗拉極限強度為1 600 MPa，屈服強度1 280 MPa。施工時張拉力為32.6 t，伸長率為0.005 78，超張拉時張拉力為34.2 t，伸長率為0.006 07。鋼絲束彈性模量 Ep=2.05×105MPa，張拉應力 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應力混凝土結構設計規(guī)范》(TB 10002.3—2005)，4#墩和 5#墩切槽位置所在節(jié)段由結構自重及預應力影響而產生的壓應力計算值見表1。切槽試驗在夜間進行，應變測試采用DH3816靜態(tài)應變儀。墩身內壁切槽過程中，應變測試試驗結果見表2。

表1 4#墩和5#墩切槽節(jié)段的墩壁混凝土壓應力 MPa

根據(jù)《規(guī)范》［5］計算得到節(jié)段壓應力，采用有限元法得到應變測點處的計算應變值，與試驗結果對比分析得到結構校驗系數(shù)，計算結果見表3。參照《檢規(guī)》［6］對預應力混凝土梁鋼絲應力(應變)結構校驗系數(shù)通常值規(guī)定，結構荷載試驗條件下的通常值范圍為0.9～1.0。從試驗結果對比來看，橋墩預應力鋼束的現(xiàn)存預應力滿足設計要求。在現(xiàn)存預應力條件下，當橋上作用列車荷載時，通過荷載組合檢算，橋墩截面未出現(xiàn)拉應力，且最大壓應力小于檢定容許應力要求。

表2 4#墩和5#墩切槽法測點應變測試結果 ×10－6

表3 測點處混凝土應變分析結果

參照歷史測試記錄及現(xiàn)階段橋墩振動參數(shù)測試結果，為評定橋墩狀態(tài)，引入了橋墩健全度指數(shù)SI，SI=實測橋墩自振頻率/自振頻率基準值。

橋墩健全度評估準則［7］見表4。

表4 橋墩健全度評估準則

橋墩自振頻率基準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試值。如沒有初始測試值，則基于大量橋墩的自振頻率測試結果，用統(tǒng)計回歸的方法建立的公式來計算橋墩的自振頻率基準值。采用動測法進行橋梁動力參數(shù)測試，結合蘭州鐵路局橋檢隊的歷史檢測記錄(見表5)，橋墩健全度評估［7］結果見表6。從橋墩表觀檢測結果來看，橋墩墩身未發(fā)現(xiàn)明顯病害特征，振動測試得到的健全度指數(shù) SI在0.95以上，判定等級為B，橋墩狀態(tài)健全。

表5 比利溝橋墩自振頻率歷史檢測記錄 Hz

表6 比利溝橋墩健全度評估結果(2010年9月) Hz

4 結論

根據(jù)應力釋放法原理，在有限元計算分析的基礎上，研究了應力、槽間距、槽長、開槽深度等條件變化下混凝土構件的工作應力變化規(guī)律，比利溝空心薄壁橋墩現(xiàn)存預應力的檢測及振動測試結果表明，切槽法實測應變結果與理論結果基本吻合，該方法可以在橋梁現(xiàn)存預應力評定中采用。

［1］王柏生.開槽法測試混凝土工作應力試驗研究［J］.浙江大學學報(工學版)，2010，44(9):1754-1759.

［2］楊新華.開槽法測試結構工作應力的有限元分析［J］.建筑結構，1998(4):50-52.

［3］楊勇，王燦，朱新實.既有橋梁結構現(xiàn)存應力測量與分析［J］.同濟大學學報，1999，27(2):198-202.

［4］王蘇，王春生，李淑媛.建筑結構現(xiàn)場檢測方法評析與展望［J］.沈陽建筑工程學院學報，2000，16(1):49-52.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

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

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