陽 洋 鄧年春, 吳東明

(1.廣西科技大學土木建筑工程學院， 廣西 柳州 545006；2.柳州歐維姆機械股份有限公司， 廣西 柳州 545005)

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新型切槽法測量預應力混凝土梁現(xiàn)存應力實驗

陽 洋1鄧年春1,2吳東明2

(1.廣西科技大學土木建筑工程學院， 廣西 柳州 545006；2.柳州歐維姆機械股份有限公司， 廣西 柳州 545005)

預應力混凝土結構被廣泛地運用于現(xiàn)代工程建設中，結構的現(xiàn)存應力值對評估結構的工作性能發(fā)揮著重要作用，如何準確快速地測量出預應力混凝土結構現(xiàn)存應力一直是工程界較為棘手的問題。在傳統(tǒng)的應力釋放法測量混凝土結構應力技術的基礎上，提出新型切槽法。該方法能通過扁型千斤頂技術消除混凝土彈性性能的不確定性，使測量過程更簡便，測量結果更精確。實驗結果證明新型切槽法測量誤差在工程允許范圍之內。

應力釋放； 現(xiàn)存應力； 預應力混凝土； 扁型千斤頂； 切槽法

在近代工程建設中，預應力結構發(fā)揮著重大作用。尤其在公路橋梁的建設上，預應力混凝土結構的橋梁適用范圍最廣，是一種極其重要的結構形式。在預應力結構的使用過程中由于自然災害及人為因素的影響使得預應力結構不可避免地產生抗力衰減和損傷積累，耐久性問題逐年上升，工程隱患日益突出。現(xiàn)存應力值及實際應力狀態(tài)的確定是評估預應力混凝土結構工作性能和破壞程度的關鍵，可為后續(xù)修復加固提供最為直接可靠的技術依據(jù)。而對于廣泛使用預應力混凝土結構的橋梁而言，由于有著橫、縱、豎3個方向預應力筋的布置，各部位應力狀態(tài)十分復雜，預應力損失估算十分困難。同時，由于在建設和使用過程中存在諸多難以確定的因素，如施工誤差、溫度變化、支座不均勻沉降、徐變引起的應力重分布等因素使得混凝土應力隨時間變化[1]，理論分析所得數(shù)據(jù)與實際結構具有很大差距，真實的應力狀態(tài)只能在實際結構上測得。

切槽法測量預應力混凝土梁現(xiàn)存應力的本質是應力釋放法測量結構應力的運用，也是近年來測量混凝土結構現(xiàn)存應力的較為有效的方法之一[2]。該方法是借助在結構上開槽孔來釋放應力，通過儀器測量釋放區(qū)域的應變變化，再依據(jù)材料應力應變關系以及切割區(qū)域的幾何條件計算出結構應力。在一般的均勻材料里，彈性模量可看作常數(shù)，只要測量出應變，運用胡克定律即可計算出應力，但混凝土材料的彈性模量離散性較大，隨著配合比、環(huán)境條件等因素的不同而發(fā)生變化[3]。傳統(tǒng)的切槽法測得的應力值誤差較大，且操作復雜。本次研究采用新型切槽法將扁型千斤頂技術與切槽法相結合，消除了混凝土彈性模量的不確定性，使得應力測量的結果更接近實際。

1 實驗原理與方法

1.1 實驗原理

新型切槽法測量預應力混凝土梁現(xiàn)存應力首先在被測構件上用機械切割出細長槽進行應力釋放，分別對切割前后構件測點間的應變進行測量，記錄釋放的應變量，然后將扁型千斤頂放入切出的細長孔槽中，并對槽內壁施加垂直的壓力以恢復開孔槽位置混凝土的應變，再根據(jù)應力應變關系推算出現(xiàn)存應力。在以往的切槽法測量現(xiàn)存應力中，采用儀器對切割后的構件的應變進行測量，根據(jù)以往實驗或取值確定混凝土的彈性模量，這樣計算出的應力與實際偏差較大。將扁型千斤頂技術與切槽法相結合能求取結構現(xiàn)存應力所需參數(shù)，能直接測量出結構復雜應力狀態(tài)下的實際應力值。

1.2 實驗方法

測量前需明確所測預應力混凝土結構的受力筋(包括普通鋼筋和預應力筋束)分布，測量時應避免切斷受力筋。在需測量應力的方向選取標距為d0的A、B兩點作為測點。用儀器在選定的2個測點間的中心處切出合適尺寸的細槽，并在細槽兩端用儀器對稱鉆取2個圓柱狀混凝土塊來抑制扁平細槽4個角發(fā)生應力集中，使測點間的應變不易受到扁平細槽的影響，同時加大應變的釋放量，便于測量。切割形成的啞鈴狀槽孔引起試件局部應力釋放，使用儀器對切割后測點間距離進行測量，切割后A、B兩點間的距離記為d1。

槽孔切割完成后，將扁型千斤頂插入細槽中并施加壓力，恢復開槽孔位置的應變。扁型千斤頂施加的壓力與測點間距離的關系如圖1所示。開槽孔后測點間應變恢復至未開槽孔前的應變值所需的扁型千斤頂?shù)牧χ蹬c測點間距離的變化之間存在線性關系。由此，可由式(1)計算出試件的現(xiàn)存應力σ:

(1)

式中：σ— 現(xiàn)存應力，Nmm2；

F— 扁型千斤頂施加的力，N；

B— 通過扁型千斤頂標定實驗得到的應力變換特征系數(shù)，mm2；

A— 扁平細槽的受力面積，在實際操作時可近似認為為扁型千斤頂?shù)氖軌好娣e，mm2；

k— 扁型千斤頂壓力與測點間距離線性關系的斜率，mm3N，；

Δd— 測點間距離的變化量，mm；

ΔP— 扁型千斤頂壓力變化量，Nmm2；

d0— 切割槽孔前測點間距離，mm；

d1— 切割槽孔后測點間距離，mm。

圖1 實驗原理圖

切割啞鈴狀槽前后測點間的距離改變量十分微小，直接測量測點間距離變化難度大，成本高。本實驗采用測量測點間切槽孔前后應變變化的方法，在測點A、B點架設以兩點間距離d0為標距的振弦應變計測量架進行應變測量，具體圖示如圖2所示。根據(jù)圖(1)的實驗原理可由距離與應變間的關系及應力應變定律推出與應變有關系的計算式(2)：

(2)

式中：Δε— 扁型千斤頂作用時測點間應變變化量；

ε— 切割槽孔前后應變變化。

圖2 測點及測量架示意圖

2 實驗概況

2.1 試件設計

實驗采用矩形截面試件，試件尺寸為70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm，試件尺寸與構造詳圖如圖3所示。試件的混凝土采用齡期為28 d，特征抗壓強度為40 MPa的混凝土。

圖3 試件尺寸圖(單位：mm)

扁型千斤頂為厚度很小的液壓式千斤頂，主要材料采用Q235鋼。本實驗采用的扁型千斤頂尺寸為70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm，示意圖如圖4所示。

圖4 扁型千斤頂示意圖(單位：mm)

在扁型千斤頂加壓過程中，其自身強度會抵抗一部分膨脹，扁型千斤頂加壓時受到的壓力要大于其施加給試件的作用力，因此需要對扁型千斤頂進行標定實驗來確定兩者之間的關系系數(shù)。將扁型千斤頂放置于模擬現(xiàn)場的標定專用支架內，其上安裝30 t標準力值傳感器，整套標定裝置放置在試驗機上，進行手動油泵6級加壓，記錄壓力機力值與扁型千斤頂電流值。

2.3 試驗加載及量測

將預應力混凝土試件安裝在反力架中，依次安裝好傳感器、千斤頂及負荷測量儀，并加上鋼墊環(huán)保持力的傳遞。安裝過程中保證試件受壓面平整，受力均勻。在試件上表面沿軸線方向標距為100.0 mm 的2點處安裝2個膨脹螺栓，并將裝有振弦應變計的測量架安裝在膨脹螺栓上，隨后連通振弦讀數(shù)儀進行讀數(shù)。安裝完畢后千斤頂開始加壓，為模擬橋的持久應力不變的情況，試驗中的加載一直保持預壓力在331.2 kN，記錄此時的應變即為受力狀態(tài)下構件的初始應變。

用鏈鋸、取芯機分別在2個膨脹螺栓的中心位置對稱開出一個規(guī)格為70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm 的矩形細槽，并在細槽兩端取出2個直徑為27.0 mm，深度為80.0 mm的圓柱形芯進行應力釋放，細槽的尺寸與扁型千斤頂尺寸相符。取芯切槽后試件的示意圖見圖5。將扁型千斤頂放入試件上表面細槽內，用手動液壓泵對其分級加壓，當應變與初始應變一致時停止加壓。扁型千斤頂按此步驟解壓加壓6次以提高實驗精度。

實驗中需要測量記錄的主要數(shù)據(jù)有：開槽孔前振弦應變計讀數(shù)、開槽孔后應變計讀數(shù)、分級加壓時扁型千斤頂油壓值以及對應的振弦應變計讀數(shù)。

圖5 取芯切槽后試件平面圖

3 實驗結果及分析

3.1 扁型千斤頂標定實驗結果

對扁型千斤頂標定數(shù)據(jù)作圖并進行擬合(圖6)，得到壓力計力值與扁型千斤頂電流值的計算關系式：

y=4.889x-7.109

(3)

圖6 扁型千斤標定擬合曲線

在預壓力達到并維持在331.2 kN時，試件測點間的應變?yōu)?103.437 με(1με=10-6，表示微應變)，切割出啞鈴狀槽孔后，測點間應變變位-307.681 με。切割前后應變的變化量ε為：

ε=-103.437-(-307.681)

=204.244 με

將扁型千斤頂放入試件表面細槽內循環(huán)加載6次，根據(jù)實驗結果繪圖并進行擬合(圖7)，得到扁型千斤頂油壓與測點應變間的關系式：

y=0.026x+11.519

(4)

圖7 扁型千斤頂油壓與應變擬合圖

由式(2)可計算出本次試驗試件所測得的應力為：

=3.708 MPa

本次試驗中試件的截面積較小，因此縱向鋼筋的受力不能忽略?？v向鋼筋的分擔受力為：

F=2.1×105×103.437×10-6×π×42×4

=4.365 kN

試件截面上的理論應力為：

綜合分析誤差主要是由于切割啞鈴狀槽時擾動及加水冷卻鏈鋸，水對應變的影響所導致的。

4 結 語

實驗驗證了將扁型千斤頂技術與切槽法相結合形成的新型切槽法測量預應力混凝土結構現(xiàn)存應力的可能性。該測量過程操作較為簡便，測量得到的應力值與理論值相比，誤差在實際工程允許的范圍內，為實際工程的現(xiàn)存應力測量提供了一種現(xiàn)實可靠的測量方法。后續(xù)需要對影響新型測量方法的各影響因素進行研究以提高實驗精度。

[1] 沈旭凱.開槽法測試混凝土工作應力實驗與研究[D].杭州：浙江大學,2007：20-23.

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

[3] 過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理[M].北京：清華大學出版社,1999：30-35.

Experimental Study on Existing Stress Measurement of the Pre-stress Concrete Beam by New Grooving Method

YANGYang1DENGNianchun1,2WUDongming2

(1. College of Civil and Architecture Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou Guangxi 545006, China; 2. Liuzhou OVM Machinery Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545005, China)

Prestressed concrete structures are widely used in modern construction, and the existing stress is important in the work performance evaluation of structure. So how to quickly and accurately measure the existing stress of the prestressed concrete structure is always a difficult problem. The new grooving method based on the traditional stress release method of concrete structure stress measurement can use the flat jack technology to eliminate the uncertainty of the elastic properties of the concrete, and make the measurement more convenient and accurate. The new grooving method is verified by experiments, and the experimental results show that the error can meet the project requirements.

stress release; existing stress; pre-stress concrete beam; the flat jack; cutting method

2015-03-12

交通運輸部科技項目“在役預應力混凝土橋梁持久應力監(jiān)測與安全預警技術的研發(fā)”(20113182231010)

陽洋(1990 — )，女，湖南岳陽人，在讀碩士研究生，研究方向為混凝土梁應力測量。

TU528

A

1673-1980(2015)05-0104-04