盧文良，李曉壯，馬學(xué)朋

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 概述

截止到2019年底，我國鐵路營業(yè)里程將達到13.9萬km以上，其中高鐵3.5萬km。高速鐵路建設(shè)中大量采用“以橋代路”，高鐵橋梁數(shù)量達到3.5萬余座，長度達到1.9萬余km[1-3]。簡支箱梁具有受力簡單明確.形式簡潔.抗扭剛度大.后期養(yǎng)護工作量小.經(jīng)濟性好等優(yōu)點，在工程實踐中被廣泛采用[4-5]。高鐵預(yù)制簡支箱梁的常用跨度為32 m，梁體質(zhì)量為800 t左右。箱梁在移梁.架梁過程中要經(jīng)歷數(shù)次起吊環(huán)節(jié)，有時出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象。起吊狀態(tài)下裂紋既與起吊工藝有關(guān)，也與前續(xù)工序質(zhì)量狀態(tài)有關(guān)，影響因素比較復(fù)雜。裂紋在落梁后通常會閉合。起吊時產(chǎn)生的裂紋在落梁后不能完全閉合時，應(yīng)進行裂紋封閉處理，否則將對橋梁的耐久性及高速鐵路運輸安全產(chǎn)生不利影響[6-7]。

箱梁結(jié)構(gòu)的細(xì)小裂紋不容易被發(fā)現(xiàn)[8]。聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡稱AE)技術(shù)利用結(jié)構(gòu)材料開裂時發(fā)出的彈性波信號進行開裂判別，只需適當(dāng)布置傳感器即可實現(xiàn)對整個結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，不但克服了大型結(jié)構(gòu)裂紋的檢測困難，還具有實時.動態(tài)等獨特的優(yōu)勢[9]。Lacidogna[10]采用聲發(fā)射技術(shù)和共振頻率提取技術(shù)，對預(yù)制混凝土梁試件在三點彎曲條件下的裂紋擴展過程進行了監(jiān)測。Nguyen-Tat等[11]采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測了混凝土梁在受彎循環(huán)荷載作用下的損傷過程。王余剛等[12]采集了混凝土材料三點彎曲破壞全過程的聲發(fā)射信號，并對聲發(fā)射累積能量曲線進行了研究。顧愛軍等[13]利用聲發(fā)射技術(shù)對鋼筋混凝土梁進行了損傷識別研究。張賽等[14]在梁三點破壞試驗過程中采集了聲發(fā)射信號，研究了梁損傷過程的信號頻率范圍?；炷亮旱拈_裂原因及裂縫控制是工程技術(shù)人員的研究熱點[15-19]，但將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到混凝土箱梁等大型構(gòu)件裂紋損傷監(jiān)測的研究較少。針對預(yù)制箱梁從制梁臺座起吊時的開裂問題，采用現(xiàn)場調(diào)研.有限元分析和聲發(fā)射監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究起吊時裂紋的產(chǎn)生原因和位置，為預(yù)制箱梁裂紋發(fā)現(xiàn)和抗裂措施提供技術(shù)支持。

2 整孔預(yù)制箱梁起吊狀態(tài)裂紋調(diào)研

2.1 箱梁概況

調(diào)研箱梁為某高速鐵路梁場從制梁臺座起吊到存梁臺座后的36片整孔預(yù)制雙線箱梁。主梁采用C50混凝土，梁長32.6 m，頂板寬12.6 m，底板寬5.5 m，梁高3.05 m。箱梁有8個吊裝孔，吊裝孔直徑為120 mm，具體位置參數(shù)如圖1所示。

圖1 整孔預(yù)制雙線箱梁吊裝孔位置(單位：mm)

2.2 箱梁起吊工藝

制梁完畢，經(jīng)養(yǎng)護.初張拉等環(huán)節(jié)后，使用提梁機將箱梁從制梁臺座上提起，在場內(nèi)進行箱梁縱橫向吊移作業(yè)。起吊前確認(rèn)箱梁與底模無任何連接，對吊裝孔的相對間距和垂直度進行檢查，確認(rèn)吊具能正確安放到位。采用專用吊具與箱梁進行可靠聯(lián)結(jié)，然后將箱梁吊起至100 mm左右停車制動，檢查梁體縱.橫向水平度是否滿足要求。最后待梁體緩慢落梁至存梁臺座上方約300 mm位置，調(diào)整梁體位置，將梁位各支點縱橫向標(biāo)線與存梁臺座“十字”標(biāo)線對中后，平緩落梁至存梁臺座。

2.3 裂紋調(diào)研結(jié)果

對36片從制梁臺座起吊至存梁臺座的雙線箱梁進行了詳細(xì)檢查，重點查看了吊裝孔周邊.跨中及1/4跨附近箱內(nèi)頂板及腹板。發(fā)現(xiàn)36片箱梁均有表面保護層開裂現(xiàn)象，其中12片箱梁有3處開裂，24片箱梁有4處開裂，共計132處裂紋，裂紋損傷統(tǒng)計結(jié)果見表1。裂紋均發(fā)生在吊裝孔附近箱梁腹板內(nèi)表面.靠近上梗腋的部位，部分裂紋沿縱向延伸至變截面處。裂紋位置如圖2所示。

表1 裂紋損傷統(tǒng)計結(jié)果

圖2 箱梁縱向裂紋

3 箱梁起吊狀態(tài)受力分析

3.1 有限元模型

為分析起吊狀態(tài)箱梁應(yīng)力變化情況，建立有限元模型對箱梁平衡起吊狀態(tài)進行模擬分析。混凝土單元和鋼墊板單元采用三維實體線性減縮積分單元C3D8R?；炷敛捎盟苄該p傷模型，在箱梁起吊階段，C50混凝土抗拉極限強度取0.8倍折減系數(shù)，為2.48 MPa[20]。僅考慮箱梁自重荷載。鋼墊塊與混凝土接觸關(guān)系設(shè)定為綁定接觸。采用映射網(wǎng)格劃分方法，在箱梁端部吊裝孔附近的單元尺寸較小，以提高計算精度。在箱梁跨中部分，則采用較低的網(wǎng)格密度，以減少單元的數(shù)量，提高計算的效率。

3.2 有限元計算結(jié)果

箱梁在平衡起吊狀況下，除去吊點位置應(yīng)力集中的情況以外，箱梁橫向與縱向應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在頂板上表面的吊裝孔之間，拉應(yīng)力值分別為1.77 MPa和1.76 MPa。數(shù)值模擬時，頂板腹板交界處有限元模型做了近似處理，與實際工程中此處的光滑圓角略有區(qū)別，導(dǎo)致頂腹板交界區(qū)域計算應(yīng)力偏大。剔除該區(qū)域后，豎向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距吊裝孔豎向距離為150 mm腹板內(nèi)側(cè)靠近上梗腋處，拉應(yīng)力值為1.96 MPa，腹板豎向應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 箱梁腹板豎向應(yīng)力(單位：MPa)

不考慮加載點及上梗腋應(yīng)力集中區(qū)域的計算值，箱梁頂板上下表面及腹板拉應(yīng)力的計算值小于規(guī)范規(guī)定的混凝土拉應(yīng)力容許值。計算結(jié)果表明，在箱梁起吊狀態(tài)下，豎向應(yīng)力最大值在吊裝孔附近箱梁腹板內(nèi)表面.靠近上梗腋的部位。計算發(fā)現(xiàn)的危險區(qū)域和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)的裂紋區(qū)域一致，可推斷裂紋與受力狀態(tài)密切相關(guān)。有限元計算結(jié)果，也可為起吊過程中聲發(fā)射監(jiān)測的傳感器布置提供參考。

4 箱梁起吊狀態(tài)聲發(fā)射監(jiān)測

4.1 起吊聲發(fā)射監(jiān)測方案

聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)主要由聲發(fā)射傳感器.數(shù)據(jù)采集儀.聲發(fā)射軟件等組成。本次監(jiān)測所用傳感器諧振頻率為150 kHz，工作頻率為50～400 kHz。為探明起吊階段箱梁裂紋的發(fā)展，對某片預(yù)制梁從制梁臺座起吊的全過程進行了聲發(fā)射監(jiān)測。

(1)聲發(fā)射傳感器的布置

傳感器布置依據(jù)除了有限元計算以及調(diào)研結(jié)果外，還有斷鉛試驗等聲發(fā)射前期分析，比如不同距離時傳感器對斷鉛信號的響應(yīng)幅值大小。梁體易開裂位置在吊裝孔附近頂板與腹板交界處的箱梁內(nèi)側(cè)。在監(jiān)測箱梁大里程端的內(nèi)側(cè)共布置8個傳感器，對稱布置在箱梁室內(nèi)左右兩側(cè)，左側(cè)4個編號為1號～4號，右側(cè)4個編號為5號～8號。每側(cè)頂板和腹板各2個傳感器，沿箱梁橫向距離為400 mm，沿箱梁縱向距離為300 mm。傳感器間距布置合適，傳感器之間響應(yīng)良好。箱梁右側(cè)傳感器布置如圖4所示。為保證傳感器與試驗梁表面接觸良好，用酒精擦拭傳感器標(biāo)定位置，并在聲發(fā)射傳感器表面均勻涂抹耦合劑，然后將聲發(fā)射傳感器用磁性夾具固定于既定位置。

圖4 箱梁右側(cè)傳感器布置(單位：mm)

(2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

混凝土材料中的聲發(fā)射源定位受多種因素影響，為保證監(jiān)測到損傷源信號，并去除噪聲信號，需要在正式監(jiān)測前，通過斷鉛試驗確定相關(guān)聲發(fā)射采集系統(tǒng)的參數(shù)。在箱梁腹板內(nèi)側(cè)進行斷鉛試驗，分析斷鉛時采集到的全波形信號。通過試驗分析，確定當(dāng)各傳感器的門檻值為50 mV時，可以將噪聲信號排除在外，能接收到斷鉛試驗的首波，做出更為精確地定位。根據(jù)斷鉛試驗的結(jié)果，50 μs可作為峰值定義時間。根據(jù)斷鉛試驗信號到達傳感器的時間差來確定波速，本次試驗波速為3 202 m/s。為了真實的描述和識別AE信號，撞擊定義時間值取為100 μs，撞擊閉鎖時間值取為200 μs。

4.2 聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果

起吊時的聲發(fā)射監(jiān)測和現(xiàn)場檢查均表明，箱梁在起吊過程中產(chǎn)生了裂紋，開裂位置在吊裝孔附近箱梁腹板內(nèi)表面.靠近上梗腋的部位。裂紋位置與現(xiàn)場檢查和有限元計算顯示的開裂區(qū)域一致。裂紋為水平方向，沿箱梁縱向延伸擴展，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測箱梁裂紋

對所有傳感器監(jiān)測的聲發(fā)射信號進行分析，發(fā)現(xiàn)8個傳感器信號發(fā)展趨勢相同，在此以1號聲發(fā)射傳感器信號波形為例進行分析。損傷過程和聲發(fā)射監(jiān)測情況簡介如下。

提梁機的提梁托板剛與預(yù)制箱梁頂板接觸時，箱梁重力尚未完全轉(zhuǎn)移到提梁機，箱梁部分重力仍由制梁臺座承擔(dān)，箱梁表面并未出現(xiàn)肉眼可見的裂紋。此時聲發(fā)射采集儀上的波形信號顯示少量的突變，這是由于混凝土中水泥砂漿和集料界面存在著原始缺陷，原有缺陷的微小進展會產(chǎn)生彈性波信號，如圖6(a)所示。

隨著梁體逐漸脫離制梁臺座，箱梁重力全部轉(zhuǎn)移到8個吊點，構(gòu)件內(nèi)部不斷產(chǎn)生新的損傷，有些微裂紋發(fā)展到了構(gòu)件的表面，形成1號裂紋。此時，聲發(fā)射信號開始密集，且隨著箱梁的提升不斷增大，如圖6(b)所示。

提梁機將箱梁提升，并完全脫離底模板后，箱梁受力存在一定程度動荷載效應(yīng)，2號裂紋出現(xiàn)，1號裂紋擴展并向箱梁跨中方向延伸。聲發(fā)射信號劇烈出現(xiàn)，如圖6(c)所示。

當(dāng)箱梁被勻速提升后，作用在結(jié)構(gòu)上的荷載不再增大，裂紋停止擴展，未產(chǎn)生新的裂紋。聲發(fā)射信號趨于穩(wěn)定，波形少有突變，如圖6(d)所示。

圖6 聲發(fā)射傳感器在箱梁起吊各階段信號波形

4.3 聲發(fā)射參數(shù)分析

采用累積能量.累積撞擊計數(shù)和幅值3個常用于分析損傷發(fā)展的參數(shù)，研究箱梁在起吊過程中損傷的發(fā)展特性。以1號聲發(fā)射傳感器為例對箱梁起吊的聲發(fā)射信號進行參數(shù)分析，累積能量.累積撞擊計數(shù)及幅值隨梁體損傷變化情況如圖7所示。

圖7 聲發(fā)射信號參數(shù)與箱梁起吊裂紋的關(guān)系

箱梁剛開始起吊，能量緩慢積累，累計計數(shù)穩(wěn)定增長，幅值增長較快，達到5 000 mV，微觀裂紋連通，形成1號裂紋。隨著箱梁繼續(xù)提升，與底板脫離，聲發(fā)射現(xiàn)象劇烈，能量快速積累，累計撞擊計數(shù)增長速率提升，幅值信號密集出現(xiàn)，幅值最高可達到10 000 mV，此階段裂紋擴展.延伸程度較大，2號裂紋出現(xiàn)，1號裂紋向跨中延伸。箱梁勻速提升階段，聲發(fā)射事件減少，能量積累和累計計數(shù)增長減緩，幅值開始降低，裂紋不再增大。

4.4 聲發(fā)射損傷定位

本次試驗中裂紋監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域為吊裝孔附近腹板與頂板交界區(qū)域，根據(jù)彈性波傳播特性，可展開為平面進行損傷點定位。采用平面時差定位法，在箱梁左側(cè)4個傳感器坐標(biāo)形成的矩形區(qū)域內(nèi)損傷源定位點如圖8所示。從圖8可以看出，箱梁的損傷點集中在傳感器監(jiān)測區(qū)域的中下部，表明試驗過程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號主要來自于頂板與腹板交界的腹板內(nèi)側(cè).靠近上梗腋處，和箱梁起吊過程中觀察到的裂紋出現(xiàn)位置一致，其余部分也有少量聲源點，但未形成密集.連通的條帶狀，表明內(nèi)部有一些微損傷，但未形成宏觀裂紋。矩形平面時差定位算法和合理的聲發(fā)射參數(shù)設(shè)置，在一定程度上保證了聲發(fā)射技術(shù)定位損傷源的準(zhǔn)確性。

圖8 損傷源定位點

5 箱梁起吊狀態(tài)開裂原因及對策建議

5.1 開裂原因分析

計算表明，起吊狀態(tài)下箱梁腹板內(nèi)側(cè)靠近上梗腋處的拉應(yīng)力為1.96 MPa，小于箱梁混凝土的極限抗拉強度。因此，實際工程中箱梁起吊狀態(tài)下的裂紋是多種因素疊加造成的結(jié)果。箱梁起吊狀態(tài)裂紋發(fā)展的原因主要有以下幾點：(1)澆筑養(yǎng)護工藝不規(guī)范。比如，澆筑混凝土?xí)r振搗操作不當(dāng).現(xiàn)場養(yǎng)護不到位等，導(dǎo)致箱梁起吊前箱梁內(nèi)部已有微損傷存在。(2)箱梁吊點處為混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋保護層偏差對裂紋寬度影響較大。(3)箱梁起吊時各吊點處受力不均衡，導(dǎo)致有的吊點附近混凝土局部應(yīng)力過大。(4)梁體在起吊時操作不平穩(wěn)，存在振動沖擊力，加劇梁端腹板與頂板交界處的損傷。

5.2 抗裂措施建議

為了避免或減小箱梁起吊裂紋，建議考慮以下抗裂措施：(1)完善混凝土澆筑及養(yǎng)護工藝?；炷翝仓r振搗充分，改善澆筑質(zhì)量，嚴(yán)格實施混凝土養(yǎng)護流程。(2)改善吊裝工藝，研發(fā)吊點自平衡裝置。(3)降低起吊時箱梁振動，平穩(wěn)操作。(4)在梁端腹板與頂板交界處嚴(yán)格控制鋼筋位置準(zhǔn)確，避免保護層過大。(5)必要時在箱梁吊點位置附近增設(shè)臨時豎向預(yù)應(yīng)力。

6 結(jié)語

通過對整孔預(yù)制簡支箱梁起吊狀態(tài)裂紋調(diào)研.受力分析及開裂監(jiān)測研究，可得如下結(jié)論。

(1)預(yù)制箱梁起吊環(huán)節(jié)，腹板存在豎向拉應(yīng)力，但小于混凝土抗拉強度。吊裝孔附近頂板及腹板交界處的裂紋是多種不利因素疊加的結(jié)果，需要對制造.提梁各環(huán)節(jié)給予充分重視。

(2)各吊點平衡起吊時，箱梁腹板最大豎向拉應(yīng)力為1.96 MPa；吊點受力不均衡時，拉應(yīng)力數(shù)值還會略大一些。箱梁起吊時，應(yīng)保持各吊點受力平衡，平穩(wěn)緩慢上升，減小起吊時沖擊力。

(3)聲發(fā)射信號累計能量.累計計數(shù)和幅值與箱梁起吊時的裂紋發(fā)展存在密切相關(guān)性，聲發(fā)射技術(shù)可用于大型箱梁起吊裂紋監(jiān)測。

(4)通過多個聲發(fā)射傳感器的信號分析，可以對預(yù)制箱梁起吊過程中裂紋進行基本定位。