混凝土应力释放法研究综述

冯朝勇，刘大洋，禹 鹏

（1.重庆北碚区交通局，重庆 400700；2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

0 前言

目前，国内的桥梁事业正从一个建设高潮逐步过渡到检测和加固维修高潮。由于修建年代久远，施工质量问题，以及目前公路运输中超载现象严重等原因造成大量的现役桥梁需要进行检测和加固维修。据报告统计，我国桥梁总数的40%已经处于老龄期，而且随着时间的推移，其数量将不断增长[1]。因此，掌握这些桥梁的真实受力状态，对于桥梁结构的安全运营具有重要作用。目前对于混凝土的工作应力的量测方法较多，主要有在结构中预埋应变传感器，或在结构表面粘贴应变片，通过应变仪输出结果。但是在桥梁结构混凝土的实际应力的量测方面研究较少，下面将介绍混凝土应力释放法在量测混凝土实际应力中的应用，准确掌握结构的真实应力状态，为桥梁结构的安全评估和加固设计提供重要依据。

1 混凝土应力释放法发展介绍

最初应力释放法主要用于量测钢筋的残余应力。其基本原理是利用机械对构件所测应力区进行切割或钻孔，使原来受力的部位变为自由状态，该部位的应力被释放，量测应力释放前后的应变变化，再经换算可得到该部位的实际应力。该方法后来发展到量测钢筋和混凝土的实际应力，在量测混凝土的实际应力这一方面研究较晚。2004年长安大学对在役混凝土桥梁混凝土应力释放法的钢筋应力释放法进行了研究，选用矩形梁试件，预应力作用在中心截面。2008年浙江大学林湘祁硕士在以开槽法释放混凝土工作应力的基础上，通过对3根不同骨料粒径的钢筋混凝土柱进行了试验研究，分析了由切割机的切割作用对混凝土产生的扰动应变的各个因素[2]。目前混凝土应力释放法主要有剥层法、套孔法、钻孔法、盲孔法和开槽法。

2 混凝土应力释放法

2.1 剥层法

剥层法是量测在应力释放过程中混凝土所产生的应变值。通过应变与应力的关系，可获得测试点的实际应力。即在测试点沿X轴方向贴应变片，用专门的机具取出贴有应变片的混凝土保护层，使取出的混凝土块中的应力得以释放。量测方法及测点示意如图1。

图1 测点及横断面尺寸示意图

该方法以混凝土保护层为工作对象[3]，属于半无损检测范畴。但是这种方法在桥梁检测中由于实际操作时影响因素较多，测试精度难以保证，故实际采用得比较少。

2.2 套孔法

套孔法的基本原理是将隔离体与母体的联系解除即应力解除，通过测定应力解除前后隔离体某些部位的应变来推算原母体的应力。套孔法是发展时间最长，技术比较成熟的一种地应力测试法。目前主要应用于岩体应力的测试方面，该方法就是使测点岩体完全脱离应力作用，因而也称套孔应力解除法。套孔解除法量测步骤如下。

首先从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道、恫室或者其它开挖体的表面向岩体内部打大孔，直至需要量测岩体应力的部位。大孔钻完后需将孔底磨平，并打出锥形孔，以利于下一步钻同心小孔，清洗钻头和使探头顺利进入小孔。其次，从大孔底打同心小孔，供安装探头，小孔直径由所选用的探头直径决定，小孔深度一般为孔径的10倍左右，从而保证小孔中央部位处于平面应变状态。再次，用一套专用装置将量测探头，如孔壁应变计、孔径变形计等安装到小孔中央部位。最后，用第一步打大孔的薄壁钻头继续延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。由于应力解除引起的小孔变形或应变由包裹测试探头在内的量测系统测定，根据测得的小孔变形或应变通过有关公式求出小孔周围的原岩应力状态。套孔应力解除法示意如图2。

图2 套孔应力解除法示意图

2.3 钻孔法

该方法由德国学者J.Mathar1934年提出，在残余应力测试的机械测定法中以钻孔—电测法为主，这就是最早的钻孔法，又称Mathar-Soet。到现阶段为止，钻孔法的研究仍然集中在残余应力测试中，并基本上是在小孔下利用孔边应力的释放来测试残余应力。

钻孔法量测工作应力的原理来源于弹性力学，如图3所示的矩形薄板或长柱，在承受轴向拉力时，根据圣维南原理，认为在板或柱的中心截面上截面的应力为均匀分布，在板中间区域应力为q。如果在板中心位置O处钻一个小孔，在孔边应力状态将发生变化，此时截面应力分布见图3。钻孔后孔边区域应力状态发生变化，孔边A，C处区域的应力释放，孔边B，D处区域将出现应力集中。在孔边A，C处量测应变变化，乘上材料的弹性模量，所得结果在理论上就应该是构件工作应力。但在孔边B，D处区域量测应变变化，可以得到3倍的工作应变值，即该处的应力从q变化至3q，测试的灵敏度提高。

图3 钻孔法应力分布示意图

2.4 盲孔法

套孔法的基本原理：当构件内存在残余应力场和弹性应变场，在应力场内任意处钻一盲孔，该处的应力即被释放，原应力场失去平衡，这时盲孔周围将产生一定量的释放应变，并使原应力场达到新的平衡，形成新的应力场和应变场，测出释放应变，即可利用相应公式计算出初始测试点的应力。盲孔法是由钻孔法发展而来的，因此其计算式大致是在环孔分析方法的基础上做些修正。套孔法的应变计粘贴方式如图4。

图4 盲孔法应变计粘贴示意图

由图示应变计测得的释放应变，其应力计算公式为：

式中，ε1、ε2、ε3分别为相应各应变计钻孔后测得的释放应变；A、B为应变释放系数；σ1、σ2为主应力。

通孔应变释放系数可由Kirsch理论得到

式中，E，v分别为被测材料的泊松比和弹性模量；d、r1、r2分别为孔径和盲孔中心到应变计近孔端、远孔端距离。

盲孔法是量测残余应力的一种较成熟的方法，近年来科学工作者对其作了大量研究工作，从量测原理到实际操作中的各种工艺因素、误差来源等进行了深入的研究，使其日益完善。

2.5 开槽法

2.5.1 圆弧形开槽法

圆弧形开槽法也称环孔法，其工作原理是依据局部应力解除法的力学原理。将构件完全截断以此来测试结构构件中某一点的工作应力是没有必要的，实际上只需要在测试点附近开一定深度的槽，解除测试点周围的约束使之产生弹性恢复变形，从而使构件的应力重新分布，当槽深达到一定深度时，即可使测点处局部工作应力完全释放，通过对测点应变释放梁的测定，就可以求出该点的工作应力。环孔法测试混凝土工作应力如图5所示。

图5 环孔法测试混凝土工作应力示意图

2.5.1.1 对于单向工作应力状态，只需沿工作应力方向贴一片电阻应变计作为测点，然后在应变计周围开槽，当槽达到一定深度时，即可完全解除测点处的工作应力，量测应变释放值ε，由下式计算出测点处的工作应力：

2.5.1.2 对于平面工作应力状态，可以在测点处用电阻应变花取代单向应变计，然后在应变花四周开一个圆形环槽，当槽深达到一定深度时，即可完全解除测点处的工作应力，量测应变释放值ε1、ε2、ε3，根据弹性力学理论计算出测点处的主应力大小和方向。设在直角坐标系中，构件测点处的主应力为σ1和σ2，开槽后沿与成夹角α方向的释放应变ε（α）以可用下式表示：

式中，系数K（α）、K（90-α）为α呈周期性变化的参变量，可用三角级数描述。

圆弧形开槽法测试混凝土工作应力，原理比较简单。最主要的问题在于确定环孔的深度。一般认为，钻孔深度为0.7d时，此时测区的应力降为零，测读电阻应变片的数值变化，并估计材料的泊松比和弹性模量，可计算出测区原主应力的数值及方向。但是，由于测试混凝土应力的电阻应变片标距比较大，因此，孔径d也就比较大，钻孔深度就变得比较深，在这个情况下，这种方法一般只适用体积较大的混凝土构件的测定。但是在实际工程中，圆弧形开槽法切割混凝土很难操作，由于应变片要通过电源线连接到应变测试仪上，在切割环孔时，切割机会不可避免地碰到电源线，导致应变数据采集困难。除非在浇注混凝土时事先将环形孔预制好，否则很难切割成环孔。

刘永淼等对环孔法检测混凝土实际应力进行了试验研究，结果表明，当钻孔深度达到3.3cm时，内芯表明的应力可以完全释放，由于钻孔时冷却水、温度变化的影响，以及钻孔时对测点的扰动，内芯存在一定不能释放的应力，并且该值高达10%～30%[4]。

2.5.2 直线形开槽法

由于圆弧形开槽法的种种缺陷，使其始终无法在工程中得以运用。浙江大学王柏生[5]教授对开槽法进行研究，通过有限元计算表明，开方形槽甚至横槽，与环孔法结论是一致的，且发现在单向应力的情况下，采用切割两条横槽的效果与矩形切割槽的效果基本一致，因此可以采用只切割两条横槽的方式，这样可以大大减少工作量，并且可以减小切割混凝土时引起的扰动误差。此方法应变片及混凝土槽如图6所示。

图6 直线形开槽法测试混凝土工作应力示意图

线型开槽法是在圆弧形开槽法基础上的改进和创新，它使开槽法由理论变为现实，真正地运用到实践中。在预应力混凝土桥梁结构中，通常工程界在现存预应力检测方面主要关系的仍然是纵向应力，即钢绞线张拉产生的结构预应力值，这是一个单向应力问题，由上面的理论可知：仅需切割两条横缝，即可得到测试区混凝土的应力。这种方法对结构的损伤、破坏程度低，进一步提高了试验及工程的可行性。

3 结论

混凝土应力释放法作为量测混凝土实际应力的一种方法，目前，该方法在工程中的应用不成熟，需要继续开展大量的研究。

3.1 研究表明盲孔法量测残余应力套用Kirsh公式进行计算是可行的，但是A，B系数需由实验标定。这就使得盲孔法测试工作应力这种方法变得比较烦杂，并且标定时的实验条件和材料也不可能完全与现场测试的一致，这也给测试工作带来误差。国内外学者开始研究把这种方法运用到混凝土结构中，目前的研究结果表明，效果并不理想。

3.2 钻孔法的推导公式是针对矩形薄板或长柱在承受均匀拉力及小孔的条件下推导出来的，对钢筋混凝土梁和板这种由非均质材料组成结构是否仍然适用，还有待于实验去验证。

3.3 相比套孔法、钻孔法、盲孔法等方法，开槽法的实用性更好，研究也更加深入，但方法仍不十分成熟。

在切割混凝土时切割机的震动对应变测试会产生扰动，而扰动的影响是多方面的，很多影响因素目前仍不清楚；由于混凝土材料的非均匀性，导致切割引起的应力释放与变形并不成协调关系，即释放的应力值与变形本身存在差异；由于切割深度与切割槽间距成正比，研究表明，要减少切割扰动，必须提高切割间距。因此，这种方法在实际工程结构的运用还需要进一步的研究。

[1]潘松林，张红阳.公路桥梁检测概述[J].城市道桥与防洪，2003，（5）：5-8.

[2]林湘祁.混凝土工作压力测试的若干问题研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[3]杨勇，王灿，等.既有桥梁结构混凝土现存应力测量与分析[J].同济大学学报，1999，37（2）：198-202.

[4]占毅，刘永淼.环孔法测试混凝土工作应力试验研究[A].董石麟.第四届海峡两岸结构与岩土工程学术研讨会论文集 [C].杭州：浙江大学出版社，2007.425-430.

[5]王柏生，沈旭凯，等.开槽法测试混凝土工作应力试验研究 [J].浙江大学学报：工学版，2010，44（9）：1754-1758.