李曉超

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司, 山西 太原 030024)

拉脫法(反拉法)檢測(cè)技術(shù)作為一種預(yù)應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有操作便捷、精度較高等特點(diǎn)，在施工期預(yù)應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于自然環(huán)境中，經(jīng)受周期性溫度變化、太陽(yáng)輻射等因素影響，其內(nèi)部形成明顯的溫度梯度。鋼絞線張拉完成時(shí)和檢測(cè)時(shí)溫度不能保證完全一致，不同溫度梯度下的鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力也會(huì)不同。

已有研究表明：溫度變化對(duì)鋼絞線的預(yù)應(yīng)力值存在一定影響，且溫度變化越大鋼絞線松弛率越大；Sallal R Abid開(kāi)展了混凝土箱梁溫度場(chǎng)測(cè)試研究，建立了豎向及橫向最大溫度梯度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，但未涉及溫度效應(yīng)影響下的鋼絞線應(yīng)力變化；周浩等測(cè)試了鋼絞線在15個(gè)溫度水平下的熱膨脹應(yīng)變，但該研究是在高溫或過(guò)火條件下開(kāi)展的材料性能試驗(yàn)，對(duì)大氣環(huán)境中的鋼絞線力學(xué)變化規(guī)律指導(dǎo)意義不大；楊錫階就溫度對(duì)松弛率的影響及不確定度進(jìn)行了評(píng)定。

綜上所述，目前預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中溫度效應(yīng)的研究主要集中在預(yù)應(yīng)力抵抗結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的影響方面。在周期性變化的環(huán)境溫度場(chǎng)作用下，鋼絞線預(yù)應(yīng)力值本身的變化規(guī)律未能得到足夠重視。研究截面溫度梯度對(duì)預(yù)應(yīng)力變化的影響，不僅對(duì)拉脫法檢測(cè)結(jié)果可進(jìn)行精確修正，保證拉脫法測(cè)試值的準(zhǔn)確性，有效控制張拉施工質(zhì)量，而且對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性起到積極作用。

該文依托北京軌道交通燕房線01標(biāo)高架區(qū)間的30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，采用溫度傳感器及錨下壓力傳感器同步采集，開(kāi)展為期2 d的錨下有效預(yù)應(yīng)力與溫度梯度測(cè)試，研究截面溫度梯度對(duì)不同鋼束預(yù)應(yīng)力變化的影響規(guī)律，為進(jìn)一步研究溫度梯度對(duì)拉脫法檢測(cè)結(jié)果修正奠定基礎(chǔ)。

1 梁體截面溫度梯度與錨下預(yù)應(yīng)力測(cè)試

1.1 工程概況

依托工程預(yù)制箱梁共186片，箱梁長(zhǎng)度有32、30、28、26、25、20 m 共6種形式。

因?yàn)榭缍?0 m的箱梁數(shù)量最多，所以選擇30 m箱梁預(yù)制為研究對(duì)象。

跨度30 m梁體共有10束鋼絞線，其中N1、N2、N5鋼束內(nèi)均為5根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，N3、N4鋼束內(nèi)有6根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1 395 MPa，張拉過(guò)程采用兩端張拉，張拉力與延伸量雙參數(shù)控制張拉應(yīng)力，梁體截面尺寸如圖1所示。

圖1 梁體尺寸(單位：mm)

1.2 張拉要求

為了保證預(yù)應(yīng)力張拉的施工質(zhì)量和安全，張拉施工做好張拉“雙控”。

張拉前檢查千斤頂、油壓表是否在有效期范圍，千斤頂有效工作期限為3個(gè)月(且張拉不超過(guò)200次，主要部件更換后應(yīng)重新檢定)。油壓表應(yīng)選用防震型，表面最大讀數(shù)為張拉力的1.5～2.0倍，精度不應(yīng)低于1.0級(jí)，另外，檢查千斤頂、錨環(huán)、傳力筒以及預(yù)留孔道四軸線是否同心。保證兩端對(duì)稱(chēng)同步。

張拉過(guò)程中做好應(yīng)力的控制。根據(jù)張拉摩阻試驗(yàn)結(jié)果確定摩阻損失，再計(jì)算出張拉力。張拉時(shí)要兩端、左右同步對(duì)稱(chēng)張拉，保證兩端伸長(zhǎng)量一致。認(rèn)真量取并記錄油表讀數(shù)、夾片回縮量、鋼絞線伸長(zhǎng)量以及持壓時(shí)間。以油壓表讀數(shù)控制張拉力，伸長(zhǎng)值作校核，如果張拉油表讀數(shù)與計(jì)算的油表讀數(shù)不相符以及實(shí)際伸長(zhǎng)量超出計(jì)算伸長(zhǎng)量的±6%時(shí)，張拉操作人員要立即停止張拉,分析原因并處理后，方可繼續(xù)進(jìn)行張拉。

1.3 測(cè)試方案

1.3.1 測(cè)試設(shè)備

澆筑混凝土前，在距梁端1 m位置的鋼筋骨架內(nèi)，沿高度方向間隔15 cm布置溫度傳感器(預(yù)埋式JMT-36B 智能溫度傳感器)，共計(jì)10個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，1號(hào)、10號(hào)溫度傳感器距梁頂及梁底均為3 cm，各測(cè)點(diǎn)分布位置如表1所示。

表1 溫度測(cè)點(diǎn)布置

采用穿心式壓力傳感器測(cè)試鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力值，傳感器沿截面高度方向置于N1～N5束錨下，采用溫度計(jì)直接測(cè)試大氣溫度的變化。梁體中溫度傳感器沿截面高度方向的布置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置截面(單位：cm)

1.3.2 測(cè)試過(guò)程

進(jìn)行錨下壓力及梁體截面溫度48 h同步測(cè)試，溫度及錨下壓力傳感器采集頻率為1次/(10 min)，測(cè)試過(guò)程如圖3所示。

圖3 測(cè)試過(guò)程

1.4 溫度梯度

測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為48 h，沿截面高度各溫度測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖4可以看出：48 h內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間呈周期性變化，白天梁體溫度整體上升，夜晚溫度整體下降。沿截面高度方向存在明顯的溫度梯度，靠近梁體上緣位置的1號(hào)測(cè)點(diǎn)由于受到太陽(yáng)直射的影響，變化規(guī)律與其他測(cè)點(diǎn)存在明顯差異，其他各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)基本相同。進(jìn)一步分析溫度分布規(guī)律，測(cè)試過(guò)程中第2 700～2 940 min(08：00～12：00時(shí)段)，混凝土內(nèi)部溫度存在明顯溫度梯度變化，選取此時(shí)間范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，以溫度最低的測(cè)點(diǎn)7為基準(zhǔn)溫度得到截面豎向溫度梯度如圖5所示。

圖5 梁體豎向溫度梯度(7號(hào)測(cè)點(diǎn))

由圖5可知，梁體截面豎向溫度分布變化明顯，頂板位置溫度變化量最大，腹板上層與頂板交界位置受翼緣遮蔭作用影響，溫度變化并不明顯。在腹板下層及底板仍能受到部分陽(yáng)光照射，使得該位置處的溫度變化較腹板上層相對(duì)明顯。后續(xù)將利用該溫度梯度分布開(kāi)展進(jìn)一步分析。

1.5 時(shí)間效應(yīng)修正后考慮溫度效應(yīng)影響的錨下有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試值

鋼絞線錨下預(yù)應(yīng)力殘余率時(shí)程變化參見(jiàn)圖6。

由圖6可知：張拉結(jié)束后，受時(shí)間及溫度效應(yīng)雙重作用影響變化顯著，預(yù)應(yīng)力值隨時(shí)間變化而逐漸減小，前期衰減變化顯著，后期逐漸趨于平穩(wěn)。同時(shí)錨下預(yù)應(yīng)力隨溫度變化產(chǎn)生一定的周期性波動(dòng)，當(dāng)白天溫度升高時(shí)，錨下預(yù)應(yīng)力值增大，夜晚溫度降低時(shí)，錨下預(yù)應(yīng)力隨之減小，該變化特征與文獻(xiàn)[8]中的研究結(jié)論一致。

圖6 鋼絞線錨下預(yù)應(yīng)力時(shí)程曲線

該文主要研究溫度對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響，因此需對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，采用文獻(xiàn)[8]中的修正公式剔除時(shí)間效應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響，公式為：

y=taeb(t-1)

(1)

式中：t為張拉錨固后經(jīng)歷的時(shí)間，t≥1 min；y為鋼絞線錨下預(yù)應(yīng)力殘余率，即每個(gè)時(shí)刻鋼絞線剩余預(yù)應(yīng)力與初始預(yù)應(yīng)力的比值；a與b為待定系數(shù)。

基于式(1)，對(duì)N1～N5束鋼絞線分別采用線性擬合，得到僅考慮時(shí)間效應(yīng)的錨下預(yù)應(yīng)力變化曲線和實(shí)測(cè)曲線對(duì)比如圖7所示。

將圖6中各束鋼絞線實(shí)測(cè)值分別減去對(duì)應(yīng)修正值，即得到僅考慮溫度效應(yīng)影響下的錨下有效預(yù)應(yīng)力變化量，選取2 700～2 940 min(08:00到12:00時(shí)段)溫度變化最大的時(shí)間段進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 溫度效應(yīng)影響下錨下有效預(yù)應(yīng)力變化

由圖7可知：在溫度效應(yīng)影響下，除N5束外，其余鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力值隨溫度升高均有增大趨勢(shì)。各束預(yù)應(yīng)力值變化量存在差異，靠近截面上緣的N1束變化最大達(dá)到4 kN，沿梁體截面高度方向，從上至下各束預(yù)應(yīng)力值變化量逐漸減小。分析其原因?yàn)椋涵h(huán)境溫度整體升溫和溫度梯度綜合影響下，梁體頂部變形較大從而引起靠近截面上緣的鋼絞線預(yù)應(yīng)力值變化顯著，而截面下緣受溫度梯度影響較小，錨下預(yù)應(yīng)力值變化并不明顯。由此可見(jiàn)豎向溫度梯度效應(yīng)對(duì)錨下預(yù)應(yīng)力變化存在一定影響，針對(duì)此規(guī)律進(jìn)一步開(kāi)展基于數(shù)值模擬的截面溫度梯度對(duì)鋼絞線應(yīng)力特性的影響分析。

2 基于數(shù)值模型的截面溫度梯度下鋼絞線應(yīng)力特性分析

2.1 有限元模型

利用Abaqus有限元分析軟件開(kāi)展考慮截面溫度梯度下鋼絞線預(yù)應(yīng)力值的變化研究，采用鋼筋混凝土數(shù)值模型中的分離式有限元模型進(jìn)行模擬。將箱梁沿高度方向分層，每層厚度根據(jù)分層高度處的尺寸進(jìn)行調(diào)整，每層的厚度及高度參見(jiàn)圖8及表2。

圖8 截面高度方向分層(單位：mm)

表2 數(shù)值模型的參數(shù)設(shè)置

采用二維桁架的建模方式模擬預(yù)應(yīng)力束，先通過(guò)二維曲線生成幾何形狀，再將預(yù)應(yīng)力束賦予截面面積，預(yù)應(yīng)力束的截面面積及空間位置參見(jiàn)表3及圖9。

表3 預(yù)應(yīng)力束的截面參數(shù)

圖9 預(yù)應(yīng)力束布置示意

取全模型開(kāi)展數(shù)值模擬分析，混凝土和鋼筋單元縱向尺寸均為18 cm，共劃分2 319個(gè)單元，混凝土采用CPS4單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用T2D2單元?；炷僚c鋼筋之間的黏結(jié)采用Embedded Region實(shí)現(xiàn)。為方便在混凝土上施加溫度力變化，全模型采用孤立網(wǎng)格，由圖5的計(jì)算結(jié)果逐層在孤立單元節(jié)點(diǎn)處施加溫度梯度。對(duì)應(yīng)各節(jié)點(diǎn)的層數(shù)參見(jiàn)圖10。分析過(guò)程中同時(shí)考慮大氣的整體升溫。

圖10 部分單元節(jié)點(diǎn)高度方向的分層

2.2 計(jì)算結(jié)果

施加節(jié)點(diǎn)溫度后鋼絞線預(yù)應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

由圖11可看出：鋼絞線預(yù)應(yīng)力值變化量沿截面高度從上至下(N1～N5)逐漸減小，且與溫度梯度呈正相關(guān)，分析其原因?yàn)椋毫喉敳渴芴?yáng)直射，溫度較高引起的梁體變形也較大，導(dǎo)致靠近梁體截面上部的鋼絞線預(yù)應(yīng)力值變化較大。

提取圖11中鋼絞線預(yù)應(yīng)力值變化量結(jié)果，將有限元計(jì)算結(jié)果、錨下壓力傳感器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖11 考慮截面溫度梯度后鋼絞線預(yù)應(yīng)力值變化結(jié)果(單位：Pa)

圖12 預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值及數(shù)值模擬值對(duì)比(單根鋼絞線)

由圖12可以看出：

(1) 有限元計(jì)算結(jié)果和錨下壓力傳感器的測(cè)試結(jié)果總體吻合，數(shù)值有限元模型能有效預(yù)測(cè)溫度梯度對(duì)錨下有效預(yù)應(yīng)力的影響。但是N5的規(guī)律有所差異，分析其原因：N5的錨下壓力環(huán)安裝時(shí)由于在梁底部，空間狹小，導(dǎo)致壓力環(huán)和錨墊板之間存在安裝縫隙，測(cè)試出現(xiàn)一定偏差。

(2) 數(shù)值模擬和測(cè)試結(jié)果均顯示：大氣升溫和正溫度梯度綜合作用下，錨下有效預(yù)應(yīng)力有增大趨勢(shì)，該文測(cè)試值和模擬值最大達(dá)到4 kN。反之在日最高溫度張拉時(shí)，會(huì)導(dǎo)致夜間預(yù)應(yīng)力損失4 kN左右。綜合考慮預(yù)應(yīng)力的張拉時(shí)間，宜選擇夜晚溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉施工。

3 結(jié)論

(1) 梁體截面豎向溫度分布變化明顯，頂板位置溫度變化量最大，腹板上層與頂板交界位置受翼緣遮蔭作用影響，溫度變化并不明顯。在腹板下層及底板仍能受到部分陽(yáng)光照射，使得該位置處的溫度變化較腹板上層相對(duì)明顯。

(2) 考慮大氣整體升溫和正溫度梯度的數(shù)值有限元模型能夠有效預(yù)測(cè)溫度對(duì)錨下有效預(yù)應(yīng)力的影響。

(3) 綜合考慮預(yù)應(yīng)力的張拉時(shí)間，燕房線01標(biāo)的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁張拉，盡量選擇一天中溫度相對(duì)較低時(shí)進(jìn)行，從而確保預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁張拉施工質(zhì)量。