已服役20年预应力结构现存预应力的试验研究

黄颖，房贞政

(1.福州大学 土木工程学院 福建福州350108;2.福建船政交通职业学院，福建 福州350007)

在役预应力混凝土梁安全性能评估中，预应力是其中最重要的一个指标，许多工程实例说明由于预应力水平不可预估的降低给结构带来的危害是十分可怕的［1］。目前，规范［2］中对各项预应力损失的计算给出了明确的计算公式，但是各项预应力损失都是一个时间函数，而且都是相互影响的，再加上施工方法上的差异性，造成通过计算根本不能准确估计结构的预应力损失。所以，如何有效地进行预应力结构中有效预应力的量测对于实际工程是非常重要的［3］。

当前国内外的预应力混凝土结构试验检测分析方法包括电磁效应检测法［4］、形状记忆合金(SMA)技术［5］、声发射技术［6］、SSRHT 法［7］等，这些方法都需要预埋一些仪器设备到工程结构中，这就造成在大量已建结构上这些方法的局限性，而且设备的维护成本较高，不易推广。本文运用应力释放法对已经服役20年的预应力空心板梁进行切槽法试验。

1 应力释放法基本原理及适用范围

应力释放法是目前常用的一种预应力混凝土应力的测试方法，其最早应用在测量结构构件的残余应力上，之后用于测定钢筋结构的工作应力［8-9］。其基本原理是利用机械加工进行割断的方法使由约束产生的应力被释放。经测量分割前后的位移和应变，再经换算即可得到此处的残余应力。应力释放法包括钻孔法［10-12］、套孔法［13-14］、切槽法［15］。

钻孔法的基本原理是通过测试钻孔前后孔边应变的变化，利用钻取的芯样推定混凝土的抗压强度和弹性模量，得到混凝土的工作应力。现阶段，钻孔法的研究仍然集中在残余应力测试中［16］，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。该方法操作相对复杂，受干扰因素较多。

套孔法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(如孔壁应变、表面应变、孔径变形等)来推算原母体的应力。该方法目前主要应用于岩体应力的测试方面。

切槽法(环孔法)是应力释放法测量残余应力比较常用的一种方法。该方法就是在构件上进行切槽，由于切槽而形成残余应力的释放区，测定此部分的应变求出构件中的残余应力。该方法相对操作简单，数据测量方便，对结构破坏最小，在实际工程中较易推广。

本文利用切槽法对一根已经服役20年的实桥梁单元进行应力释放法试验，就切槽深度、切槽间距展开研究，测试其现存预应力并与计算值进行比较，对准确评估桥梁承载能力提供一定的参考。

2 试验模型介绍

本试验模型取至福建省福州市鳌峰大桥(原福州闽江三桥)。该桥已建成通车20年，为适应当前交通的需求，将对鳌峰大桥的北引桥进行改造，其中北向东侧的引桥需要拆除另建。需拆除的引桥为19 m×16 m的多跨连续预应力混凝土空心板梁。从该桥预应力空心板梁中截取2片单孔空心板单元，试验前对构件的材料性质进行检测，以此获得该构件材料的强度及弹性模量，具体试验梁单元参数及检测值见表1。

表1 试验梁参数Table 1 Test beam parameters

把这2片梁单元运送至福州大学结构试验馆进行试验，研究服役20年后预应力混凝土梁的实际结构性能。虽然原桥梁属于连续梁桥，从切割下来的单跨梁单元的设计图纸可以看出，梁内钢筋呈对称布见图1，试验梁安装就位如图2所示。

图1 试验梁单元构件及截面示意图Fig.1 Test beam unit and sectional diagram

图2 试验梁安装就位示意图Fig.2 Test beam installation diagram

在梁顶面1/3点处对称施加9T的外荷载，此时梁底L/2截面处混凝土的工作应力是3.43 MPa，应力观测点设置在梁底沿梁跨方向L/4、L/2及3L/4截面处，在这3处均匀布置6片应变片，同一截面应变片布置如图3所示，每个断面切割缝位置如图4所示。每个截面分3个测区，最终的结果取3个测区的平均值。

图3 梁底各截面应变片粘贴位置示意图Fig.3 The strain gauges location diagram of cross section of beam bottom

图4 梁底截面切割缝示意图Fig.4 The cutting seam of beam bottom section

3 试验结果分析

3.1 沿深度变化应力释放情况分析

试验中因为切割仪器为S1M-MH-150A的角向磨光机，切槽长约为20 cm，根据试验前对构件进行有限元建模，采用单元生死法进行模拟分析，得知当测区切割总深度约40 mm时截面应力全面释放，因此试验切割总深度取60 mm，切割槽间距为150 mm。由于切割仪器的限制，切割槽为每隔10 mm一个工况，共计6个工况，分别得到切割过程中切割深度与混凝土残余应力对应值，每个截面3个测区结果取平均值记录于表2。

表2 各个截面应力释放随切槽深度的变化值Table 2 Variations of stress release with groove depth

根据表2的数据，定义混凝土残余应力与混凝土初始工作应力比值为β，绘制β与切割深度h的关系曲线如图5所示。从图5可以看出，1/4截面时切槽深度在34.7 mm时应力释放为0，1/2截面时切槽深度在46.8 mm时应力释放为0，3/4截面时切槽深度在38.7 mm时应力释放为0，由此可以说明截面初始应力越大，应力释放越慢，跨中截面应力释放最慢，1/4截面和3/4截面初始应力基本一致，所以应力释放情况基本一致。

图5 应力释放随切槽深度的变化Fig.5 Variations of stress release with groove depth

3.2 切槽间距变化应力释放情况分析

如图3所示，考虑切割缝间距d变化应力释放情况，由于实际使用的应变片长度为110 mm，为了避免切割中对连接线的扰动，切割缝取2种间距:150 mm、200 mm，得到应力释放情况见表3，同理绘制β与切割深度h的关系曲线如图6所示，从图6中可以看出，切槽间距150 mm时切割深度为34.7 mm时应力释放为0，切槽间距200 mm时深度为55.4 mm，应力得以完全释放，可知切槽间距越大，应力释放越慢。

表3 切槽间距不同应力释放随切槽深度的变化值Table 3 Variations of stress release with groove depth in different cutting gap space

图6 切槽间距不同时应力释放随切槽深度的变化Fig.6 Variations of stress release with groove depth in different cutting gap space

4 现存预应力估计

4.1 试验梁有效预应力计算公式推导

本试验梁材料参数及力学参数见表1，先推导试验梁的预应力计算公式如下，此推导公式适用于预应力混凝土简支梁:

梁的自重在梁1/2处产生的弯矩为

自重在下缘产生的应力为

预加力在下缘产生的应力为

梁体下缘应力理论值为

下缘应力实测值为σ0，由σ0=σl可得，

则可以推算出预应力值:

4.2 试验梁现存预应力估计

应力释放法推算结构现存预应力的原理［17］是:对试验梁底部进行逐层切割，获得切割深度对应的测点纵向应力值，建立切割深度与测点纵向应力值之间的回归方程，从而推算出未切割前测点的初始应力值，通过该应力就可以推算出构件现存预应力的大小。利用数理统计分析软件LLSTAT对试验数据进行回归分析，建立3个截面切割深度与测点应力值的回归方程列于表4，从表中数据可以看出，各个截面拟合函数曲线的相关系数都在0.98以上，拟合程度高，从建立的回归方程可以计算出在梁底表面(也就是h=0时)未切割前的初始应力σ0列于表4。结合式(1)、(4)和(6)以及表1中各参数的取值，计算出试验梁现存预应力值Ny。从设计图纸可知，该梁单元内预应力钢筋的设计张拉应力是1 600 MPa，张拉力为565 kN，定义现存预应力与设计预应力偏差值为△，从表4中可以看出，现存预应力与设计预应力存在较大偏差，L/2截面处偏差达到20.5%。

表4 各个截面切割深度与测点应力值(σ～h)回归分析表Table 4 The regression analysis table of cutting depth and the measured stress value

5 结论

本文利用切槽法对在役预应力混凝土空心板梁进行试验研究，得出如下结论:

1)对梁单元底部1/4、1/2、3/4 3个截面进行切槽法试验，可知当切槽间距为150 mm时，1/4和3/4截面槽深达到35 mm左右应力完全释放，1/2截面处槽深达到37 mm应力完成释放，说明梁体初始应力越大，应力释放时所需要的切割深度也越大。

2)应力释放的速度与切槽间距有很大关系，对1/4截面的试验表明，当切槽间距为150 mm时，要使应力释放为零，切割深度为34.7 m;当切槽间距扩大为200 mm时，切缝深度达到55.4 mm时应力才能完全释放，说明切槽间距越大切割时应力释放的越慢。

3)相关系数R及方差σ可以反映出数据资料与所构造函数之间的密切程度，相关系数R越接近于1，方差σ越小，说明回归关系越显著。本文应用数理统计分析软件LLSTAT处理分析试验数据进行回归分析，建立3个截面切割深度与测点应力值的拟合函数，相关系数均在0.98以上，说明构造函数是非常可靠的。

4)通过试验数据的回归分析，通过这个构造公式可以计算出未切割前混凝土表面的应力，利用这个应力结合相关计算公式就可以比较准确推测结构的现存预应力。通过本文的分析验证了这种既有结构现存预应力检测方法及分析方法的有效性和可行性，具有一定的工程实际意义。

［1］吕志涛，潘钻峰.大跨径预应力混凝土箱梁桥设计中的几个问题［J］.土木工程学报，2010，43(1):70-76.LYU Zhitao，PAN Zuanfeng.Issues in design of long-span prestressed concrete box girder bridges［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43(1):70-76.

［2］JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.JTG D62-2004.Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridge and culverts［S］.Beijing:China Communication Press，2004.

［3］STEINBERG E P.Probabilisstic assessment of prestress loss in pretensioned prestressed concrete［J］.PCI Journal，1995，40(6):76-85.

［4］GHOTHAN P A I.Magnetie-based NDE of steel in pres-tressed and post-tensioned concrete bridges［J］.Proceedings of SPIE:The International Society for Optical Engineering，1998，3400(1):343-347.

［5］MA J I，ARUP K，NEGRET I.Smart prestressing with shape-memory alloy［J］.Journal of Engineering Mechanlcs，1998，124(10):1121-1128.

［6］HELENE P，PEREIRA M F，CASTRO P.Performance of a 40-year-old concrete bridge with embedded，prestressed galvanized strands［J］.Materials Performance，2004，43(10):42-45.

［7］FOWLER T J，YEPEZ L O，BAMES C A.Acoustic emission monitoring of reinforced and prestressed concrete structures［J］.Proceedings of SPIE:The International Society for Optical Engineering，1998，34(1):281-298.

［8］吴东云，杨树标，安新正.钢结构工作应力测定试验研究［J］.煤矿设计，2000(6):27-28.WU Dongyun，YANG Shubiao，AN Xinzheng.Experimental study of working stress testing of steel structures［J］.Coalmine Design，2000(6):27-28.

［9］MATHER J.Determination of initial stress by measuring the deformation around drilled hole［J］.Trans ASME，1934，56:103-114.

［10］SASAKI K，KISHIDA M，LTOH T.The accuracy of residual stress measurement by the hole-drilling method［J］.Experimental Mechanics，1997，37(3):250-257.

［11］KABIRI M.Toward more accurate residual-stress measurement by the hole-drilling method［J］.Experimental Mechanics，1986(3):14-20.

［12］刘忠亚，刘丹娜，贾巧燕.利用钻孔法估算在役混凝土结构现存预应力［J］.武汉工程大学学报，2008，30(4):62-64.LIU Zhongya，LIU Dannan，JIA Qiaoyan.Permanent prestress evaluation of prestressed concrete bridges in-service by hole-drilling method［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，30(4):62-64.

［13］WANG Jiayong.Measurement of residual stresses by the hole-rilling method:general stress-strain relating ship and its solution［J］.Experimental Mechanies，1987，27(4):355-358.

［14］REDNER S.Measurement of residual stresses by blind hole drilling method，principle and application［R］.Malvem:Photo elastic Inc，1971.

［15］王柏生，沈旭凯，林湘祁.开槽法测试混凝土工作应力的试验研究［J］.浙江大学学报:工学版，2010，44(9):1754-1759.WANG Baisheng，SHEN Xukai，LIN Xiangqi.Experimental study on working stress measurement of concrete by grooving method［J］.Journal of Zhejiang University:Engineering Science，2010，44(9):1754-1759.

［16］SEHAJER G S，TOOTOONIAN M A.New rosette design for more reliable hole-drilling residual stress measurements［J］.Experimental Mechanizes，1997，37(3):299-306.

［17］蔡美峰.岩石力学与工程［M］.北京:科学出版社，2002:137-150.CAI Meifeng.Rock mechanics and engineeing［M］:Beijing:Science Publishing House Press，2002:137-150.