王天昊，蘭春光

(1． 北京理工大學(xué)自動化學(xué)院，北京　100043；2．北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京　100039)

0　引言

加到混凝土構(gòu)件上的初始預(yù)應(yīng)力，由于種種原因(諸如混凝土的彈性壓縮、混凝土的收縮及徐變、錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮及滑移和預(yù)應(yīng)力筋的松弛等因素)會隨著時間增長而發(fā)生應(yīng)力損失[1-2]。設(shè)計預(yù)應(yīng)力混凝土梁時，合理地計算預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力損失是極其重要的。對預(yù)應(yīng)力損失估計過高，可能使梁端混凝土局部破壞或梁體預(yù)拉區(qū)開裂；對預(yù)應(yīng)力損失估計不足，則不能有效地提高預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗裂度和剛度。現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力損失的主要計算方法為分項計算預(yù)應(yīng)力損失，而后匯總各單項預(yù)應(yīng)力損失得總得預(yù)應(yīng)力損失。已有多國規(guī)范采用這一途徑，例如美國ACI-ASCE委員會規(guī)范[3]，英國CEB-FIP(1990)規(guī)范、我國公路橋涵規(guī)范(JTGD62-2004)[4]以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010-2002)等。從各國規(guī)范所采用的計算方法多樣性可見預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失計算的復(fù)雜性，難以取得一致的意見。因此，采用實測方法獲得準(zhǔn)確的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失，不但可以進行實際工程安全評估，同時可以指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失的理論計算方法。

從預(yù)應(yīng)力損失的測試方法來看，目前的手段無外乎粘貼應(yīng)變片或振弦應(yīng)變計測試鋼絞線應(yīng)變；在相應(yīng)預(yù)應(yīng)力混凝土中埋入鋼筋計或振弦傳感器測試混凝土應(yīng)變，再反算鋼絞線應(yīng)力；采用壓力環(huán)測試整體張力；液壓千斤頂通過油表測試其整體外張力等[5-8]。但是，由于布設(shè)工藝和傳感器自身的缺陷以及測試方法的不足，針對實際工程應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力損失長期監(jiān)測技術(shù)，還處于起步階段。增強纖維光纖布里淵(FRP-BOTDA)傳感筋的出現(xiàn)為解決預(yù)應(yīng)力損失全壽命監(jiān)測提供了必要手段[9]。增強纖維光纖布里淵傳感筋充分結(jié)合光纖布里淵的全尺度分布式測試、高精度、采樣頻率高等優(yōu)點[10]，并采用FRP材料對傳感元件進行封裝，使得智能復(fù)合筋兼具受力與傳感特性、集結(jié)構(gòu)材料和功能材料于一體。因此針對預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力監(jiān)測特點，在增強纖維光纖布里淵智能傳感筋的基礎(chǔ)上研制開發(fā)適合預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測用傳感器件顯得十分迫切。

文中分析混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失機理，提出基于光纖傳感技術(shù)的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變單項損失測試方法，并研制滿足實際工程需要的智能鋼絞線；然后通過預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗，驗證了該方法的有效性，并采用智能鋼絞線監(jiān)測結(jié)果與各國規(guī)范計算值進行了對比分析。

1　預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失理論計算

混凝土的收縮和徐變是混凝土材料本身固有的時變特性，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形隨著時間的變化而變化，對結(jié)構(gòu)的受力性能及長期變形影響很大。在預(yù)應(yīng)力各項損失中，由于混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失既與時間有關(guān)，又彼此相關(guān)，因此，在估算預(yù)應(yīng)力損失時，通常將混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失一起考慮。

(1)混凝土收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失

σl5 s=Epεth(t，ts)

(1)

式中：σl5 s為混凝土收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失；Ep為鋼絞線的彈性模量，MPa．

εsh(t，ts)=εsh∞·βs

(2)

式中：εsh(t，ts)為混凝土收縮開始齡期ts(通?？烧J(rèn)為即養(yǎng)護結(jié)束時的混凝土齡期)到t時刻混凝土發(fā)生的收縮應(yīng)變;εsh∞為混凝土收縮應(yīng)變極限值；βsh(t，t0)為收縮隨時間變化的函數(shù)。

(2)混凝土徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失：

σl5 c=Epεc(t，t0)=nφ(t，t0)σc(t0)

(3)

式中：σl5 c為混凝土徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失；Ep為鋼絞線的彈性模量；n為鋼絞線的彈性模量與混凝土的彈性模量之比；φ(t，t0) 為徐變系數(shù)，含義為混凝土從t0時刻加載到t時刻所發(fā)生的徐變應(yīng)變與t0時刻發(fā)生的瞬時彈性應(yīng)變的比值；σc(t0) 為t0時刻加載的應(yīng)力。

(3)混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失：

σl5=σl5 s+σl5 c

(4)

目前國內(nèi)外學(xué)者提出了較多的混凝土收縮徐變模型，其中影響較大、應(yīng)用較多的有CEB-FIP系列模型、ACI系列模型，以及我國的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010-2002)、公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(JTGD62-2004)等。從計算方法的多樣性亦可見到預(yù)應(yīng)力損失計算的復(fù)雜性，難以取得一致的意見。

2　預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失監(jiān)測方法

2．1光纖Bragg光柵傳感技術(shù)

光纖光柵是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)中最具發(fā)展前途的光纖器件之一，是光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性變化的無源器件，其作用相當(dāng)于一個窄帶的反射鏡，只反射某一波長附近的光，其它波長的光波無損耗地透過。光纖光柵主要有Bragg光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)、長周期光柵、啁啾光柵等。光纖Bragg光柵(無特殊說明，文中光纖光柵均指光纖Bragg光柵)是最簡單、最普遍的一種光纖光柵，其折射率調(diào)制深度和光柵周期都是常數(shù)。圖1是光纖光柵傳感系統(tǒng)的工作原理圖。

圖1　光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)的工作原理圖

圖1中纖芯的明暗變化代表了光纖光柵所在位置。用寬帶光源從光纖布拉格光柵一端入射，由于折射率的周期變化，使纖芯中向前和向后的光波耦合。當(dāng)滿足布拉格條件的波長的光頻率耦合到向后的傳輸波中，在反射譜中形成峰值，在透射譜中形成凹陷。

2．2智能鋼絞線

根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋的監(jiān)測需要，設(shè)計制作FRP-FBG智能傳感筋，然后將上述FRP -FBG智能傳感筋替代常規(guī)7絲智能鋼絞線的中絲(如圖2所示)。為保證FRP -FBG智能傳感筋與普通鋼絞線外絲協(xié)同變形，在智能筋表面包裹一層或幾層高延性的金屬薄片(該研究選用0.02 mm的銅箔)，通過增加智能筋直徑的方法增加智能筋與普通鋼絞線外絲的層間摩擦力。借助鋼絞線受力狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和端部的錨固，智能傳感筋會被自然握裹，達到協(xié)同變形的效果。

圖2　智能鋼絞線結(jié)構(gòu)示意圖

FRP-FBG智能傳感筋與普通鋼絞線的6根外層鋼絲是協(xié)同變形的，智能筋所測應(yīng)變即為整根智能鋼絞線的應(yīng)變?？紤]光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器傳感特性，通過傳感器測試得到的鋼絞線應(yīng)力值為：

(5)

式中：ΔλB為光纖Bragg光柵中心波長變化值；αε為光柵軸向應(yīng)變與中心波長變化關(guān)系的靈敏度系數(shù)；EIC為智能鋼絞線的彈性模量。

2．3智能鋼絞線

智能鋼絞線是在普通鋼絞線中，用一根FRP智能傳感筋替換鋼絞線的中芯絲，利用外層鋼絲的握裹力，使外層鋼絲和FRP智能傳感筋協(xié)同工作，從而結(jié)合成為一根新的鋼絞線。預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失是通過智能鋼絞線中光纖光柵傳感器測試得鋼絞線應(yīng)變測試數(shù)據(jù)后計算而得。考慮后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的與時間有關(guān)的預(yù)應(yīng)力損失項主要包括由混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失和由鋼絞線應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失兩項；且預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛概念是預(yù)應(yīng)力筋在定長的情況下，預(yù)應(yīng)力值隨著時間的增長而逐漸減少的現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力筋是定長情況，也就是預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變是恒定的，因此智能鋼絞線是無法測試得到預(yù)應(yīng)力應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失，從而說明智能鋼絞線測試數(shù)據(jù)就是由于混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失項。

試驗梁張拉錨固時，通過光纖光柵解調(diào)儀采集智能鋼絞線內(nèi)光纖光柵中心波長值(記為λ0)作為由于混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失的零點；而后隨著時間的增長，在錨固后某一時間間隔i時，記錄光纖光柵傳感器的中心波長值(記為λi)。那么通過智能鋼絞線測試得到后張拉預(yù)應(yīng)力筋某一時間間隔i時，由于混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失為：

(6)

混凝土的收縮徐變要在一個較長的時間內(nèi)完成，智能鋼絞線所在的溫度場會產(chǎn)生較大的變化。考慮智能鋼絞線的測試原理，其傳感元件同時對溫度和應(yīng)變敏感，因此為了消除溫度場對測試影響，應(yīng)該在測試過程中引入溫度補償傳感器對測試結(jié)果進行修正。因此(6)改寫為：

(7)

式中ΔλTi為某間隔時溫度變化導(dǎo)致的中心波長漂移。

2．4試驗概況

試驗梁采用后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，梁截面尺寸為200 mm×400 mm，跨度為4 m，混凝土標(biāo)號為C40。預(yù)應(yīng)力筋配置單束5根智能鋼絞線，強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 660 MPa，公稱直徑為15.24 mm，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗裝置示意圖如圖3所示。非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用HRB335級，在試驗梁的受拉區(qū)和受壓區(qū)分別布置3Ф12。張拉端和錨固端預(yù)埋鋼墊板和螺旋筋以承受局部壓力，鋼墊板厚10 mm，螺旋筋直徑6 mm，內(nèi)徑為100 mm，8匝?；炷两?jīng)強制式攪拌機拌勻后澆筑至預(yù)制的木模中，并用振搗棒振搗密實后成型。

圖3　配有智能鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗裝置示意圖

為放大由鋼絞線應(yīng)力松弛產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失的作用，減少由混凝土收縮徐變產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失，特在混凝土梁澆注養(yǎng)護結(jié)束后2個月后進行張拉。張拉控制應(yīng)力為σcon=0.75fptk，最大張拉荷載為170 kN．

張拉結(jié)束后5 min、10 min、35 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h，而后以前密后疏的原則，每天選擇合適時間點采集智能鋼絞線中光纖光柵傳感器的測試數(shù)據(jù)，直到約1 000 h時為止。

3　試驗結(jié)果與分析

采用案例試驗梁的幾何、材料、環(huán)境和荷載信息根據(jù)國際常用規(guī)范(英國規(guī)范CEB-FIP(1990)、中交04規(guī)范、美國ACI209規(guī)范)計算方法計算得預(yù)應(yīng)力混凝土梁的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失值，并進行了對比，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4　各規(guī)范計算混凝土收縮徐變損失對比圖

由圖4可知，各規(guī)范預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失計算結(jié)果具有相同的隨時間演化規(guī)律，即在預(yù)應(yīng)力損失開始的前期(1～2 d)其預(yù)應(yīng)力損失開展迅速，隨著時間的延續(xù)，預(yù)應(yīng)力損失的變化率趨于平緩。在試驗過程中(約為30 d)3個規(guī)范的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失值由大到小的排列順序依次為根據(jù)英國規(guī)范CEB-FIP(1990)計算值、根據(jù)中交04規(guī)范計算值、根據(jù)美國ACI209規(guī)范計算值，其最大值分別為59 MPa、41 MPa和35 MPa．

圖5為預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失計算值較小的美國ACI209規(guī)范計算值和監(jiān)測實測值的對比圖。由5圖可知，實測得到的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失與計算值具有相同的演化規(guī)律，并且在測試的前期實測值和規(guī)范計算值吻合度較好，隨著時間的增長，規(guī)范計算值的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失還有明顯的上漲趨勢，而實測值已經(jīng)趨于平緩，變化率很小。表1為在試驗結(jié)束時候(時間歷時約30 d)，3種規(guī)范計算結(jié)果和實測結(jié)果最大值的比較。通過比較可知，監(jiān)測方法實測得到的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失均小于3種規(guī)范的計算結(jié)果，從而說明3種規(guī)范的計算方法均偏于安全。以實測值為依據(jù)，分別計算英國規(guī)范CEB-FIP(1990)、中交04規(guī)范、美國ACI209規(guī)范的安全度系數(shù)依次為2.1，1.5和1.25。

表1　預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失實測和計算最大值的對比(時間：30 d)

圖5　ACI209規(guī)范計算值和實測值對比圖

4　結(jié)束語

文中分析了預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失的特性，提出了基于光纖傳感技術(shù)的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變單項損失的監(jiān)測方法，設(shè)計制作了滿足監(jiān)測方法需要的光纖光柵智能鋼絞線。并將其應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土梁內(nèi)，對預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失進行了監(jiān)測，并與各國規(guī)范規(guī)定方法的計算結(jié)果進行了對比，基于試驗與分析結(jié)果，得到了如下結(jié)論：

(1)此新型智能鋼絞線可以采用傳統(tǒng)鋼絞線的張拉和錨固工具進行施工，并未增加施工工藝，方便易行；

(2)提出的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失監(jiān)測方法理論清楚、直觀，易于實現(xiàn)；

(3)智能鋼絞線光纖光柵傳感器測試結(jié)果可以正確反應(yīng)預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變的長期演化規(guī)律；

(4)各國規(guī)范關(guān)于混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失從大到小排列依次為CEB-FIP(1990)、中交04規(guī)范(JTGD62-2004)、ACI209規(guī)范和實測值。各國規(guī)范計算結(jié)果和實測值具有相同的演化規(guī)律，各種計算值比實測值大，均是偏于安全的。其安全度系數(shù)依次為2.1，1.5和1.25。

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