程 呈, 劉 建, 張宇潔, 龔 婭, 夏潤川

(1.重慶物康科技有限公司, 重慶 404000; 2.省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074;3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074; 4.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司, 重慶 400067)

鋼筋混凝土(RC)橋梁在交通領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,目前我國橋梁中約90%為RC橋梁。RC橋梁主要受力結(jié)構(gòu)是內(nèi)部的鋼筋骨架,其承載力直接取決于受拉鋼筋的應(yīng)力,通過測(cè)量鋼筋的應(yīng)力水平可直觀反映出RC橋梁的服役狀態(tài)[1],但日益加重的交通負(fù)荷和運(yùn)營多年后橋梁的老齡化日益突出,RC梁結(jié)構(gòu)服役性能退化加劇[2-4],因此,準(zhǔn)確檢測(cè)RC橋梁內(nèi)部鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)橋梁安全評(píng)估很重要。

目前鋼筋應(yīng)力的檢測(cè)主要采用無損檢測(cè)技術(shù)[5]。相較傳統(tǒng)的有損鋼筋應(yīng)力釋放法,無損檢測(cè)技術(shù)不會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)造成損壞,在土建結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)中[6-7]應(yīng)用更為廣泛。其中漏磁檢測(cè)方法是一種研究地磁場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下鐵磁材料表面漏磁場(chǎng)分布特征的無損檢測(cè)方法[8],源于金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù),能夠有效反映出鐵磁性材料在應(yīng)力作用下的響應(yīng)[9-11]。外荷載的作用會(huì)改變RC梁內(nèi)部鋼筋的宏觀磁化狀態(tài)并形成自發(fā)漏磁場(chǎng),分布在空氣中的漏磁場(chǎng)不受混凝土保護(hù)層的影響[12],可用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行采集,通過分析采集到的漏磁信號(hào)研究RC梁內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力狀態(tài)。

許多學(xué)者利用漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼筋應(yīng)力檢測(cè)進(jìn)行了深入研究。Chen等[13]對(duì)Q235鋼進(jìn)行了一系列靜態(tài)拉伸試驗(yàn)及有限元分析,發(fā)現(xiàn)漏磁信號(hào)法向分量的梯度決定了加載過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部建立的應(yīng)變能密度。Roskosz等[14-16]通過分析切向和法向分量梯度,從測(cè)量的殘余磁場(chǎng)中估算鐵磁鋼的殘余應(yīng)力,定量分析了二者與應(yīng)力之間的關(guān)系。童凱等[17]對(duì)鋼筋開展了反復(fù)拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鋼筋應(yīng)力曲線與磁信號(hào)法向分量曲線具有相同的波動(dòng)周期和相反的波動(dòng)方向,且鋼筋的拉伸應(yīng)力變化率與漏磁強(qiáng)度變化率相互對(duì)等,表明可利用法向分量的變化來定量表征鋼筋應(yīng)力的波動(dòng)幅值。

本文針對(duì)RC梁開展了四點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn),研究了試件在靜態(tài)加載過程中表面磁信號(hào)的變化規(guī)律,旨在準(zhǔn)確、定量評(píng)估RC梁內(nèi)部鋼筋應(yīng)力狀態(tài),以促進(jìn)漏磁檢測(cè)技術(shù)在鋼筋應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展[18]。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件材料及尺寸

試驗(yàn)選取3片相同尺寸的RC矩形截面適筋梁為研究對(duì)象,梁的尺寸為1 700 mm×150 mm×200 mm,編號(hào)為BG-1#～BG-3#?？v向受拉鋼筋為2Φ20,縱向受壓鋼筋為2Φ8,箍筋沿梁的整個(gè)長度布置為Φ8@100;混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50,縱向受拉鋼筋的保護(hù)層厚度為25 mm。試驗(yàn)所有的鋼筋均為常用的HRB400型號(hào)鋼筋,其材料參數(shù)如表1所示。在澆筑混凝土試件前,于底部縱向受拉鋼筋的上緣處粘貼電阻應(yīng)變片,用于測(cè)量縱向受拉鋼筋的應(yīng)變。試件幾何尺寸、鋼筋及電阻應(yīng)變片布置如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用課題組自主研發(fā)的三軸自動(dòng)化掃描檢測(cè)裝置和uT7121Y靜態(tài)應(yīng)變儀,如圖2所示。三維掃描裝置主要由三維機(jī)械位移平臺(tái)、高精度磁傳感器和PC控制系統(tǒng)組成,其中磁傳感器為Honeywell公司研發(fā)的HMR2300三軸智能數(shù)字磁力計(jì),量程為±2×10-4T,分辨率為6.7×10-9T。該設(shè)備可同步輸出磁通密度(Bx、By和Bz)以及空間位置坐標(biāo)(X、Y和Z)。應(yīng)變采集設(shè)備為武漢某電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的uT7121Y靜態(tài)應(yīng)變儀,測(cè)量范圍為±30 000 με,精度為±1 με,滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示,其由支座、工字鋼梁、千斤頂、力傳感器和反力架組成,試驗(yàn)時(shí)通過控制千斤頂以實(shí)現(xiàn)施加不同荷載的目的。

表1 鋼筋材料參數(shù)

圖2 試驗(yàn)設(shè)備示意

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

1) 四點(diǎn)彎曲加載法

試驗(yàn)時(shí)利用分配梁將施加的荷載分配到試件上,以此形成四點(diǎn)彎曲加載方式,加載步長為10 kN,加載點(diǎn)位置如圖3所示,加載點(diǎn)到支座的距離為300 mm,試件可簡化為跨度1 400 mm且受2個(gè)集中力作用的簡支梁。

單位:mm

試驗(yàn)采用三軸自動(dòng)化掃描檢測(cè)裝置進(jìn)行自發(fā)漏磁掃描,設(shè)置5個(gè)提離高度和5個(gè)水平位置以控制不同的檢測(cè)線,如圖4所示。磁傳感器的提離高度Z定義為磁傳感器與梁底之間的距離,由低到高設(shè)置為10 mm、20 mm、30 mm、50 mm、70 mm,每個(gè)提離高度Z下設(shè)置5條相互平行的水平檢測(cè)線,分別命名為L1、L2、L3、L4和L5,其中L3位于梁的正中間,L1和L5距離梁邊緣5 mm,L2和L4位于2根縱向受拉鋼筋的下方,掃描長度為跨中800 mm范圍。

圖4 漏磁場(chǎng)檢測(cè)線示意

2) 加載步驟

(1) 在空載情況下利用三維掃描檢測(cè)裝置采集自發(fā)漏磁信號(hào),此步是采集環(huán)境磁場(chǎng);

(2) 采用分級(jí)加載制度,每增加10 kN后停止加載,并按照設(shè)置好的檢測(cè)線采集試件底部的自發(fā)漏磁信號(hào);

(3) 重復(fù)上述操作,直到RC梁發(fā)生破壞時(shí)停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)采用的三軸自動(dòng)化掃描裝置能夠測(cè)量出3個(gè)互相垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx、By和Bz,Roskosz等[19]在研究外應(yīng)力作用下鐵磁性材料的漏磁場(chǎng)特征后,指出磁場(chǎng)的法向分量與材料內(nèi)部的應(yīng)力具有較強(qiáng)的相關(guān)性。本試驗(yàn)的法向分量Bz強(qiáng)度較大且不易受噪聲影響,因此重點(diǎn)將研究RC梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力與自發(fā)漏磁場(chǎng)法向分量Bz之間的關(guān)系。

2.1 不同荷載下RC梁內(nèi)鋼筋漏磁場(chǎng)分布規(guī)律

對(duì)RC梁進(jìn)行整體受力分析可知,在掃描區(qū)域內(nèi)(圖4)梁主要承受彎矩作用,為純彎段。在加載過程中還記錄了BG-1#、BG-2#、BG-3#RC梁的裂縫發(fā)展過程,如表2所示。

表2 RC梁裂縫開展記錄

由表2可知,3根梁的裂縫發(fā)展過程具有相似性。根據(jù)RC梁的裂縫發(fā)展過程,將整個(gè)加載過程分為4個(gè)階段:未開裂彈性階段、微裂縫開展階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。為獲取RC梁純彎段在不同荷載下的自發(fā)漏磁曲線規(guī)律,繪出提離高度Z為30 mm,水平檢測(cè)線為L1工況下的曲線。因規(guī)律類似,僅給出BG-3#梁的曲線,如圖5所示。

(a) 未開裂彈性階段

(b) 微裂縫開展階段

(c) 帶裂縫工作階段

(d) 破壞階段

從圖5可以看出,磁感應(yīng)強(qiáng)度隨鋼筋位置的變化有較大差異,主要是因?yàn)榇鸥袘?yīng)曲線從試件的N極指向S極,且在兩端較密集而中間較稀疏,所以起點(diǎn)和終點(diǎn)處的Bz絕對(duì)值較大,掃描區(qū)域中間部位的Bz絕對(duì)值較小。

1) 未開裂彈性階段和微裂縫開展階段。Y-Bz曲線基本重合,整體呈逐漸下降趨勢(shì),且曲線的幅值較小,如圖5(a)所示。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是在未開裂彈性階段,彎矩主要由混凝土截面承擔(dān),由于鋼筋橫截面積較小,因此其應(yīng)力增量也非常小。

2) 微裂縫開展階段。當(dāng)梁底部出現(xiàn)的微裂縫開展至受拉鋼筋處,鋼筋附近出現(xiàn)應(yīng)力重分布。這2個(gè)階段的鋼筋均處于彈性階段,應(yīng)力促使鋼筋的磁化狀態(tài)朝均勻磁化發(fā)展,表現(xiàn)為曲線相鄰位置的Bz值差異較小,曲線形狀變化不大,如圖5(b)所示。

3) 帶裂縫工作階段。隨著荷載的增加,Y-Bz曲線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),同一位置處的Bz值逐漸減小。圖5(c)的Y-Bz曲線出現(xiàn)交點(diǎn),表明該檢測(cè)區(qū)域內(nèi)鋼筋的磁化狀態(tài)接近無滯磁磁化狀態(tài)。應(yīng)力使磁疇的磁化方向由初始磁化方向轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力方向,當(dāng)初始磁化方向相同時(shí),應(yīng)力越大,磁疇旋轉(zhuǎn)角度越大,減小了各個(gè)位置的法向磁感應(yīng)強(qiáng)度差值,表現(xiàn)為Y-Bz曲線發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

4) 破壞階段。Y-Bz曲線的形狀發(fā)生了變化,如圖5(d)所示,此階段RC梁內(nèi)受壓區(qū)混凝土被壓碎,縱向鋼筋的拉應(yīng)力維持在屈服應(yīng)力,鋼筋發(fā)生了大量塑性變形,極大程度改變了磁疇的結(jié)構(gòu),因此破壞階段的法向磁感應(yīng)強(qiáng)度變化較大,Y-Bz曲線形狀發(fā)生變化。

2.2 不同檢測(cè)位置處RC梁內(nèi)鋼筋漏磁場(chǎng)分布規(guī)律

漏磁信號(hào)易受材料的化學(xué)組分、初始磁化狀態(tài)、背景磁場(chǎng)、磁傳感器提離高度等多種因素的影響,對(duì)這些因素進(jìn)行單獨(dú)或耦合分析,可提高檢測(cè)過程中的精度,使結(jié)論更精確。

2.2.1 提離高度的影響

試驗(yàn)在RC梁底部的空間設(shè)置了5×5共25條檢測(cè)線,變量主要為5個(gè)提離高度和5條水平檢測(cè)線。為研究沿提離高度方向即Z方向的RC梁法向漏磁場(chǎng)空間分布規(guī)律,以BG-3#梁為例,選取0 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm和790 mm這9個(gè)Y坐標(biāo)處在0 kN、90 kN、160 kN以及破壞前這4個(gè)荷載工況下,對(duì)水平檢測(cè)線為L1時(shí)的法向磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行分析,繪制了試件在不同提離高度下的Z-Bz曲線,如圖6所示。

(a) 荷載為0 kN

(b) 荷載為90 kN

(c) 荷載為160 kN

(d) RC梁破壞前

由圖6(a)～(c)可知,在未開裂彈性階段、微裂縫開展階段以及帶裂縫工作階段,RC梁的法向分量Bz值隨著磁傳感器提離高度的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),但在不同檢測(cè)位置處Bz的減小程度存在差異。隨著外加荷載的增加,鋼筋不同檢測(cè)位置處的Z-Bz曲線之間的間距逐漸減小,且測(cè)量得到的Bz數(shù)值逐漸趨近于0,呈現(xiàn)出“聚攏”現(xiàn)象。綜合上述分析可知,隨著磁傳感器提離高度的增加,漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的整體分布特征基本保持不變。

2.2.2 檢測(cè)路徑的影響

進(jìn)一步分析RC梁在同一高度、不同水平檢測(cè)線下的磁場(chǎng)分布情況,仍以試件BG-3#為例。控制磁傳感器的提離高度Z為30 mm不變,給出試件在0 kN、90 kN、160 kN以及破壞前這4個(gè)荷載工況下的Bz曲線,如圖7所示。

由圖7可知,L1和L2下的Y-Bz曲線較為陡峭,L4和L5下的Y-Bz曲線較為平緩。檢測(cè)線L1和L2靠近縱向受拉鋼筋1,L4和L5靠近縱向受拉鋼筋2,由于2根鋼筋的初始磁化狀態(tài)不同,故BG-3#在不同水平檢測(cè)線下Y-Bz曲線的分布規(guī)律存在一定的差異性。隨著外荷載的增加,所有水平檢測(cè)線下的Y-Bz曲線逐漸趨于平緩,曲線的坡度逐漸減小,且不同水平檢測(cè)線之間Y-Bz曲線在數(shù)值上的差異有一定減小,但曲線的總體形狀規(guī)律沒有發(fā)生較大的變化。

(a) 荷載為0 kN

(b) 荷載為90 kN

(c) 荷載為160 kN

(d) RC梁破壞前

3 鋼筋應(yīng)力狀態(tài)定量表征

RC梁橋混凝土內(nèi)部的鋼筋骨架是主要的受力結(jié)構(gòu),在橋梁的服役過程中發(fā)揮著重要作用,因此鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)能夠較好地反映出橋梁的安全性能。本文將提取一個(gè)特征參數(shù)用于定量表征RC梁內(nèi)鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)。

在實(shí)際工程中,RC梁內(nèi)縱向受拉鋼筋的漏磁場(chǎng)受多種因素的影響,相同大小的鋼筋應(yīng)力有時(shí)并不能表現(xiàn)出相同數(shù)值的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了更好地建立鋼筋應(yīng)力σ與漏磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的量化關(guān)系,基于RC梁內(nèi)鋼筋在不同應(yīng)力狀態(tài)下的空間漏磁場(chǎng)分布特征,提取了一個(gè)無量綱的特征參數(shù)Aσ,具體表達(dá)如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

將鋼筋應(yīng)力值作為橫坐標(biāo),計(jì)算所得的Aσ作為縱坐標(biāo),可得到RC梁內(nèi)鋼筋在不同提離高度下的σ-Aσ曲線。由于實(shí)際工程中大部分的RC梁都處于帶裂縫工作的狀態(tài),因此主要分析RC梁試件在帶裂縫工作階段Aσ隨鋼筋應(yīng)力的變化關(guān)系。BG-1#試件在提離高度為10 mm時(shí)Aσ與σ的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 帶裂縫工作階段特征參數(shù)隨應(yīng)力的變化趨勢(shì)

由圖8可知,特征參數(shù)Aσ與RC梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力σ基本呈現(xiàn)出線性遞減的關(guān)系。假定特征參數(shù)Aσ與鋼筋應(yīng)力σ之間有如下關(guān)系式:

Aσ=Kσ+β0

(4)

式中:K、β0是2個(gè)與材料自身有關(guān)的未知參數(shù)。分析不同試件的特征參數(shù)Aσ與鋼筋應(yīng)力σ之間的線性程度,采用擬合優(yōu)度R2來說明回歸直線的擬合效果,結(jié)果如圖9所示。

圖9 線性擬合優(yōu)度R2

一般情況下,擬合優(yōu)度R2越大表示擬合效果越好。由圖9可知,所有樣品的擬合優(yōu)度均在0.95以上,表明磁特征參數(shù)Aσ與RC梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力σ之間具有較好的線性關(guān)系。由式(1)～式(4)可得到RC梁內(nèi)部鋼筋應(yīng)力的表征方程,如式(5)所示。

(5)

4 結(jié)論

本文開展了RC矩形截面梁四點(diǎn)彎曲加載鋼筋應(yīng)力自發(fā)漏磁檢測(cè)試驗(yàn),研究了不同荷載和不同檢測(cè)位置下RC梁內(nèi)鋼筋漏磁場(chǎng)的空間分布規(guī)律及演變特征,并得出如下主要結(jié)論:

1) 在未開裂彈性階段和微裂縫開展階段,Y-Bz曲線基本重疊,表明磁場(chǎng)的變化較微弱。這2個(gè)階段的鋼筋均處于彈性階段,應(yīng)力促使鋼筋的磁化狀態(tài)朝均勻磁化發(fā)展,表現(xiàn)為曲線相鄰位置的Bz值差異較小,曲線形狀變化不大。

2) 在帶裂縫工作階段,隨著荷載的增加,Y-Bz曲線逐漸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),同一位置處的Bz值逐漸減小;RC梁破壞時(shí),鋼筋發(fā)生了大量塑性變形,材料的磁疇結(jié)構(gòu)被極大改變,故Bz值變化較大,且Y-Bz曲線形狀發(fā)生變化。

3) 磁傳感器提離高度和檢測(cè)路徑的變化會(huì)導(dǎo)致漏磁場(chǎng)強(qiáng)度改變,但磁場(chǎng)的整體分布特征不會(huì)發(fā)生明顯變化。RC梁內(nèi)的箍筋對(duì)漏磁場(chǎng)的空間分布具有一定影響,導(dǎo)致底部縱向受拉鋼筋的Y-Bz曲線呈現(xiàn)出周期性波動(dòng)且波動(dòng)的周期等于箍筋的間距。

4) 提出無量綱特征參數(shù)Aσ用于表征鋼筋應(yīng)力與漏磁場(chǎng)法向分量之間的相關(guān)性,該參數(shù)在RC梁帶裂縫工作階段內(nèi)隨鋼筋應(yīng)力線性遞減,且函數(shù)的擬合優(yōu)度R2均大于0.95,表明擬合值與鋼筋應(yīng)力實(shí)測(cè)值之間的誤差較小,因此該參數(shù)可用于定量表征RC梁內(nèi)鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)。