唐偉 張航

摘? 要：相對(duì)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有抗裂度高、自重小、跨越能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于橋梁工程和建筑工程中，但在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，由于預(yù)應(yīng)力筋的松弛、混凝土的收縮與徐變和錨具變形等因素將產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的損失，從而降低預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力，最終影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全性能。有效預(yù)應(yīng)力的檢測(cè)一直以來(lái)受到工程界的高度重視，專(zhuān)家學(xué)者們對(duì)此開(kāi)展了許多理論研究，也開(kāi)發(fā)出許多檢測(cè)設(shè)備，文章針對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)有效預(yù)應(yīng)力的檢測(cè)方法展開(kāi)綜述性研究，總結(jié)目前常用的有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)方法及它們的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，旨在更清晰地認(rèn)識(shí)在役結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力的檢測(cè)，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);有效預(yù)應(yīng)力;應(yīng)力檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.57? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）05-0135-02

Abstract： Compared with ordinary reinforced concrete structures， prestressed concrete structures have many advantages such as high crack resistance， low self-weight， and strong spanning ability. Therefore， they are widely used in bridge engineering and construction engineering， but during the service process of prestressed structures， factors such as the relaxation of prestressed tendons， the shrinkage and creep of concrete， and the deformation of anchorage will cause the loss of prestress， thereby reducing the effective prestress of prestressed tendons， and ultimately affecting the safety performance of prestressed concrete structures. The detection of effective prestress has always been highly valued by the engineering community. Experts and scholars have carried out many theoretical studies on this and developed many detection equipment. This article conducts a review of the methods for detecting effective prestress in structures， and summarizes the commonly used methods. The effective prestress detection methods and their principles， advantages and disadvantages， and research status are aimed at a clearer understanding of the effective prestress detection of existing structures， and also provide a reference for researchers in related fields.

Keywords： prestressed concrete structure; effective prestressing; stress detection

引言

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，就是為了彌補(bǔ)混凝土材料抗拉強(qiáng)度較小而過(guò)早出現(xiàn)裂縫的弱點(diǎn)，在投入使用前事先人為施加一個(gè)預(yù)壓力的混凝土結(jié)構(gòu)。該預(yù)壓力一般由張拉后的預(yù)應(yīng)力筋提供，利用鋼筋的回縮力使混凝土結(jié)構(gòu)先受壓力，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外部荷載時(shí)，荷載在結(jié)構(gòu)受拉區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力首先要抵消掉混凝土中的壓應(yīng)力才能進(jìn)一步使混凝土受拉，因此降低了截面應(yīng)力的峰值，這就使截面較晚出現(xiàn)裂縫或不出現(xiàn)裂縫，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋，改善了結(jié)構(gòu)的耐久性能。相對(duì)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱度使結(jié)構(gòu)的下?lián)现禍p小，且降低了構(gòu)件的截面尺寸，減小了結(jié)構(gòu)自重，提升了結(jié)構(gòu)的跨越能力。與純鋼結(jié)構(gòu)相比，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)不僅能節(jié)約大量鋼材，降低了工程造價(jià)，而且有著更好的耐火性能，不至于在高溫環(huán)境下強(qiáng)度完全喪失。有效預(yù)應(yīng)力是在役預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋實(shí)際保有的預(yù)應(yīng)力值，也是預(yù)應(yīng)力筋張拉控制力扣除第一批應(yīng)力損失和第二批應(yīng)力損失后剩余的應(yīng)力值，一般第一批預(yù)應(yīng)力損失在張拉完成時(shí)就可以通過(guò)材料參數(shù)、錨具類(lèi)別等大致算出，但是第二批預(yù)應(yīng)力損失是在結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中由預(yù)應(yīng)力筋的松弛、混凝土的收縮徐變等因素產(chǎn)生的，它隨結(jié)構(gòu)服役的時(shí)間增加而增加，無(wú)法通過(guò)理論進(jìn)行精確計(jì)算。有效預(yù)應(yīng)力過(guò)小輕則引起結(jié)構(gòu)下?lián)蠂?yán)重，影響結(jié)構(gòu)的正常使用，重則導(dǎo)致橋梁的垮塌，危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，在役結(jié)構(gòu)的有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)是結(jié)構(gòu)安全使用的關(guān)鍵因素。

1 有效預(yù)應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)研究現(xiàn)狀

無(wú)損檢測(cè)是指在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能、不傷害被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部組織的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谝鸬臒帷⒙?、光、電、磁等反應(yīng)的變化，以物理或化學(xué)方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷的類(lèi)型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法[1]。對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的檢測(cè)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可分為電磁效應(yīng)法、聲發(fā)射技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)、形狀記憶合金技術(shù)、拉脫法、振動(dòng)法和智能鋼絞線檢測(cè)法等。

1.1 電磁效應(yīng)法

電磁效應(yīng)檢測(cè)法是以電場(chǎng)變化為原則來(lái)探究物體的工作狀態(tài)，美國(guó)學(xué)者Ghorbanpoor AI[2]于1998年首次將電磁效應(yīng)法用于在役預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋檢測(cè)，其基本原理是利用預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失導(dǎo)致其磁通量的變化，進(jìn)而使其周?chē)袘?yīng)電場(chǎng)的改變，通過(guò)檢測(cè)此感應(yīng)電場(chǎng)可得到預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化，該方法可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制電腦連接現(xiàn)場(chǎng)的感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在役結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力狀態(tài)。張立永[3]基于磁彈效應(yīng)原理，利用磁彈傳感器針對(duì)云南省昭通市新建牛欄江特大橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力張拉階段試驗(yàn)鋼束有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試，驗(yàn)證了此方法的有效性和可行性。

1.2 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)現(xiàn)代儀器接收和分析由結(jié)構(gòu)局部損傷或變形等原因引起應(yīng)變能釋放產(chǎn)生的應(yīng)力波的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，1997年，Ahlborn[4]首次將聲發(fā)射技術(shù)用于預(yù)應(yīng)力筋的檢測(cè)，該研究通過(guò)長(zhǎng)期記錄2片預(yù)應(yīng)力混凝土梁在荷載作用下預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失和應(yīng)力波的頻率，得到了預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失值和應(yīng)力波頻率值隨時(shí)間變化的曲線，說(shuō)明了聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力方法的可行性，為結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的檢測(cè)開(kāi)辟了一條新途徑。但聲發(fā)射波的抗噪性能差、傳播距離有限，因此不適用于尺寸較大構(gòu)件的檢測(cè)。

1.3 超聲波檢測(cè)技術(shù)

由于超聲波容易激發(fā)、穿透力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，超聲波檢測(cè)因此適用于多個(gè)領(lǐng)域的檢測(cè)。利用超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力狀態(tài)是通過(guò)研究預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)應(yīng)力的大小與超聲波波長(zhǎng)的關(guān)系，再通過(guò)分析檢測(cè)得到的超聲波波長(zhǎng)來(lái)探究預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的大小。同聲發(fā)射技術(shù)一樣，超聲波信號(hào)容易受環(huán)境的影響，因此也較少使用。

1.4 形狀記憶合金技術(shù)

該技術(shù)利用部分金屬具有的形狀記憶效應(yīng)來(lái)反映物體的受力情況，1998年Maji等人采用形狀記憶合金技術(shù)反映力筋的受力性能，并利用鎳一鈦合金的智能特性對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償[5]，但該方法不適用于在役結(jié)構(gòu)中沒(méi)有使用形狀記憶合金的預(yù)應(yīng)力筋。

1.5 拉脫法

拉脫法是對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)外露部分的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行反拉，通過(guò)分析張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力筋的荷載-應(yīng)變曲線來(lái)反映預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力大小，由于對(duì)預(yù)應(yīng)力筋張拉工藝簡(jiǎn)單以及原理清晰明了，無(wú)需繁瑣的理論推導(dǎo)計(jì)算，因此拉脫法是目前工程中比較常用的方法。但此方法只適用于無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)于灌漿后的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，端部張拉很難使結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生應(yīng)變，因此拉脫法不再適用。

1.6 振動(dòng)法

振動(dòng)法的基本原理是激勵(lì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋使其產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)分析振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)頻率來(lái)探究預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力狀態(tài)。該方法由于錨具的不同會(huì)使預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生差異，因此應(yīng)用范圍不是很廣。

1.7 智能鋼絞線法

該方法是在預(yù)應(yīng)力鋼絞線加工制作過(guò)程中嵌入光纖/光纖光柵傳感器，利用光纖/光纖光柵傳感器應(yīng)變的敏感性來(lái)檢測(cè)鋼絞線的應(yīng)力狀態(tài)[6]，雖然此方法對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力檢測(cè)比較精確，但不適用于沒(méi)有使用智能鋼絞線的在役結(jié)構(gòu)。

2 有效預(yù)應(yīng)力有損檢測(cè)研究現(xiàn)狀

有損檢測(cè)在檢測(cè)時(shí)會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生輕微損傷，通過(guò)分析損傷后構(gòu)件的受力狀態(tài)反推損傷前構(gòu)件原本的受力狀態(tài)，從而評(píng)估構(gòu)件的工作性能。預(yù)應(yīng)力筋的有損檢測(cè)技術(shù)有應(yīng)力釋放法、開(kāi)裂力矩法、橫張?jiān)隽糠ǖ取?/p>

2.1 應(yīng)力釋放法

是指對(duì)預(yù)應(yīng)力筋事先進(jìn)行人為的局部損傷，通過(guò)分析由設(shè)備檢測(cè)到的損傷部位附近應(yīng)力或應(yīng)變數(shù)據(jù)，從而獲知預(yù)應(yīng)力筋的工作應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力釋放法可根據(jù)在預(yù)應(yīng)力筋上的損傷形式又可細(xì)分為剝層法、套孔法、鉆孔法、盲孔法、開(kāi)槽法和SSRHT檢測(cè)法。此類(lèi)方法在力學(xué)理論推導(dǎo)上較為復(fù)雜，因此較多出現(xiàn)在學(xué)術(shù)研究中，而在實(shí)際工程應(yīng)用中較少。

2.2 開(kāi)裂力矩法

該方法的原理是結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力大小與結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂彎矩有關(guān)，通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂荷載則可評(píng)估預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的大小，2012年GP Osborn[7]基于此原理開(kāi)展了有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并將測(cè)到的應(yīng)力與美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO LRFD）中計(jì)算出的應(yīng)力對(duì)比，結(jié)果誤差在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明該方法的可行性。但該方法對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷較大，因此也無(wú)法廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中，后續(xù)的相關(guān)研究也較少。

2.3 橫張?jiān)隽糠?/p>

該方法是基于靜力學(xué)原理，推導(dǎo)預(yù)應(yīng)力筋橫向力內(nèi)部張力的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量橫向力大小來(lái)考察預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力[8]。李世安[9]等利用此方法對(duì)華東地區(qū)某橋梁進(jìn)行了有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)，得到良好的結(jié)果。但該方法比較適合于檢測(cè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力大小，而對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋則無(wú)法測(cè)量。

3 有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)方法總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，有損檢測(cè)方法由于會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p害等原因而逐漸被無(wú)損檢測(cè)方法代替，同時(shí)，由于現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)為了解結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)情況帶來(lái)方便?；诖艔椃z測(cè)結(jié)構(gòu)的有效預(yù)應(yīng)力具有抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，或可成為有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)的主要方法。

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