大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究



大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究

Research on Prestressed Detection Technology of Large and Medium-span Concrete Bridges

西部交通建设科技项目“大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究”(合同号：2005 318 812 15)

编者按：西部交通建设科技项目“大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究”，针对混凝土中预应力筋位置检测技术、管道压浆状况检测技术、预应力筋锈蚀状况检测技术、预应力筋有效预应力检测技术和预应力混凝土桥梁评价技术进行了全面调研分析，并综合考虑预应力筋位置偏差、管道压浆状况、普通钢筋及预应力筋锈蚀状况及预应力筋有效预应力对桥梁结构性能的影响，建立了预应力混凝土桥梁安全性评价等级标准及综合评估模型。本篇对该项目研究所取得的成果进行推介，为大、中跨径混凝土桥梁的预应力检测工作提供参考与借鉴。

Editor’s Note：West Transportation Construction Technology Project“Research on Pres-tressed Detection Technology of Large and Medium-span Concrete Bridges”conducted a comprehensive investigation and analysis regarding the prestressed rebar position detec-tion technology in concrete，pipeline grouting status detection technology，prestressed rebar corrosion status detection technology，effective prestressing detection technology of pres-tressed rebar，and prestressed concrete bridge evaluation technology，it fully considered the impact of prestressed rebar position deviation，pipeline grouting status，corrosion status of ordinary rebar and prestressed rebar，and effective prestressing of prestressed rebar on bridge structure performance，and established the prestressed concrete bridge safety eval-uation level standards and comprehensive evaluation model.This article is to promote the results achieved in this project research，thereby providing the information and reference for the prestressed detection work of large and medium-span concrete bridges.

0引言

西部交通建设科技项目“大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究”由长安大学、招商局重庆交通科研设计院有限公司、哈尔滨工业大学、中交第一公路勘察设计研究院有限公司和陕西省公路局共同承担，本篇对该项目研究的内容

及创新点进行介绍，以期为大、中跨径混凝土桥梁预应力检测提供方法借鉴。

1研究内容

本项目主要工作包括：(1)国内外混凝土桥梁预应力检测技术研究现状调研；(2)预应力筋定位检测方法、设备及评价技术研究；(3)预应力管道压浆状况检测方法、设备及评价技术研究；(4)预应力筋锈蚀状况检测方法、设备及评价技术研究；(5)预应力筋有效预应力检测方法、设备及评价技术研究；(6)缺损预应力混凝土桥梁综合评价方法研究；(7)实桥检测应用研究；(8)制订在用大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术指南。

2主要技术成果

2.1研究成果

经过三年多的研究攻关，本项目按合同要求完成全部研究内容，取得研究成果有：

(1)研究报告

①大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究总报告；

②分报告之一：调研分析报告；

③分报告之二：预应力筋定位检测技术研究报告；

④分报告之三：预应力管道压浆状况检测技术研究报告；

⑤分报告之四：预应力筋锈蚀状况检测技术研究报告；

⑥分报告之五：预应力筋有效预应力检测技术研究报告；

⑦分报告之六：预应力混凝土桥梁综合评价方法研究报告；

⑧分报告之七：实桥检测应用研究报告；

⑨分报告之八：预应力钢索张力测试仪研制报告。

(2)技术指南：大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术指南。

(3)专利：发明专利一项，新型实用专利一项。

(4)软件登记：三项。

2.2项目创新

项目的主要创新点有：

(1)理论创新：建立了预应力混凝土梁的力学参数与预应力的数学关系模型；建立了复杂预应力体系桥梁钢束有效预应力沿程分布预测模型及其分析评价方法；构造了预应力混凝土桥梁安全性、适用性及耐久性评价及其综合性能评价模型，提出了评价方法。

(2)技术创新：开发了接触式直接法检测预应力束有效预应力技术；给出了钢绞线锈蚀程度分级评定标准；开发了预应力混凝土桥梁的应力释放法检测技术。

(3)实用技术：预应力管道位置检测技术；预应力管道灌浆状况检测技术；开发了预应力筋拟摩阻损失等效参数(PresPS V1.0)、截面应力释放值分析(StrAN V1.0)及预应力混凝土桥梁评价系统V1.0软件；编制了“大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术指南。

3混凝土桥梁预应力检测技术研究现状调研分析

针对混凝土中预应力筋位置检测技术、管道压浆状况检测技术、预应力筋锈蚀状况检测技术、预应力筋有效预应力检测技术和预应力混凝土桥梁评价技术进行了全面调研分析后认为：

探地雷达法应用于预应力管道定位检测是可行的，但缺乏系统的研究；扫描式冲击回波法和超声脉冲法应用于预应力管道的定位检测有一定的可行性，但实际效果还有待进一步的试验研究；表面波频谱法、声发射技术、红外热像检测技术、计算机断层X射线CT技术、超声波CT技术等对于预应力管道定位检测的可行性不好。

扫描式冲击回波法应用于预应力管道压浆状况检测是可行的，但该技术仍然还不成熟，需进一步开展研究；探地雷达法和超声脉冲法应用于预应力管道压浆状况检测有一定的可行性，但检测效果还有待进一步研究；表面波频谱分析法、声发射技术、红外热像检测技术等应用于预应力管道压浆状况检测的可行性不好。

漏磁法、X射线CT技术及超声波检测是属于直接检测预应力筋的锈蚀；而地质雷达法是间接的检测空洞，认为此处会出现预应力筋的锈蚀。经过总结文献资料并对比择优分析，认为漏磁法和X射线CT技术针对本课题可行性比较大的检测技术，但应寻求其他检测方法。

目前对在建桥梁，可以用振弦式传感器、光纤Bragg光栅传感技术或应变式传感器对其预应力进行检测，还没有能用于在役桥梁预应力检测的成熟技术，需要专门研究并开发设备。

在对缺损桥梁评价进行评价时，评价因素众多、计算分析复杂，绝大部分影响因素是随机的，同时也是模糊的。另外，对构件及结构整体的评价方式也不尽相同，针对构件可采用单因素或主要评价指标进行分析，可利用最不利的单项评价结果来描述当前构件劣化的程度；而对于结构整体，由于不同构件的缺损对于结构服役功能的影响互不相同造成各个构件在评价时所占权重也是互异的，因此遵循“构件→体系”的评价思路是一种可行的方法。考虑到服役桥梁的实际状况，选用层次分析法的原理，建立多层次的综合评估模型：即由底层向顶层逐步确定评估模型中各层指标的分级评定标准，并确定评估模型中各层指标的初始权重，再从评估模型的底层逐级评估(通过对检测结果的模糊评判或根据检测结果进行结构分析计算，确定底层指标的分数，对各层指标变权；除底层外，每一层的评估以下一层评估结果为依据)等到服役桥梁服役性能的综合评价结果。

4预应力筋定位检测技术研究

分别选择对探地雷达法、对冲击回波法和超声脉冲法对10个混凝土模型(见图1)进行了检测试验。研究结果表明：探地雷达能对管道的位置进行定量检测，天线阵雷达比单天线雷达的检测效果更好。研究成果在实桥上进行了应用。这是国内外首次系统地开展预应力管道位置定量检测的试验研究，研究成果具有重要的理论意义、实用价值以及应用前景。

图1　模型实体图

5预应力管道压浆状况检测技术研究

分别选择探地雷达法、冲击回波法和超声脉冲法对10个混凝土模型(见图2)进行了检测试验。

图2　模型设计图

研究结果表明，通过对比同一测线上管道的偏移量，扫描式冲击回波法能定量检测出管道内灌浆状况，并将研究成果在实桥上进行了应用。这是国内首次系统地开展预应力管道内灌浆状况定量检测的试验研究，研究成果具有重要的理论意义、实用价值以及应用前景。

6预应力筋锈蚀状况检测技术研究

分别采用漏磁检测法和自然电位法对5个模型试件进行了试验研究(见图3)。

图3　预应力筋锈蚀状况检测试验示意图

自然电位法能用于先张法混凝土桥梁中的预应力束锈蚀检测。漏磁检测法在一定条件下可用来检测后张法预应力束的锈蚀情况，但精度不高。

鉴于此，针对77束原始锈蚀样本进行了钢束表观锈蚀分级检测法研究，给出了5级锈蚀分级，即：一级：钢绞线全新；二级：钢绞线已发生锈蚀，表面有明显锈迹，锈迹呈粉末状，人工打磨能呈现原钢绞线金属光泽，可见锈蚀为斑点状无锈坑；三级：钢绞线表面较多锈迹，锈迹呈粉末状活片状，人工打磨能使钢绞线呈现灰黑色，钢绞线表面有片状或条带状分布锈点，局部呈现锈坑，锈点(坑)面积1～3 mm2；四级：钢绞线钢丝间已经被锈迹填满，钢绞线表面有满布锈迹，人工打磨钢绞线呈灰黑色，且钢绞线一周表面有明显连续≥0.2 mm深的锈坑，锈坑面积3～5 mm2；五级：钢绞线表观锈蚀程度严重于四级，一周表面有明显连续≥0.2 mm深的锈坑，锈坑面积>5 mm2。同时研究了其表观特征与各种力学性能的关系，建立了预应力钢束表观锈蚀分级标准。

7预应力筋有效预应力检测技术研究

(1)在研发预应力钢索张力测试仪(型号：LCZL-50，见图4)的基础上，提出了横张增量法检测有效预应力技术。

图4　张力仪实例图

对于静力法检测(见图5)：

(1)

式中：F——纵向预张力(kN)；

ΔT——两级横向力差(kN)；

Δδ——两级横向位移差(m)；

K——修正系数，K=0.179；

F0——回归常数，F0=-15.5。

图5　静力法测定有效预应力示意图

对于动力法检测(见图6)，计算式见表1。

图6　动力法测定有效预应力示意图

静力法检测、动力法检测可分别用于体内、体外预应力束有效预应力的检测，并得到实梁验证。

表1　动力法检测有效预应力计算式表

(2)分别制作了形心直线配束、偏心直线配束、曲线配束的矩形模型梁、T形模型梁和空心板模型梁(见图7)共18片进行了试验预应力与梁结构的力学参数关系研究。研究得出预应力混凝土简支梁有效刚度比计算式(见表2)。

基于动力参数测试的有效预应力检测流程见图8，基于静力参数测试的有效预应力检测流程见下页图9。

表2　预应力混凝土简支梁有效刚度比计算式表

(a)曲线束矩形板梁(J2梁)

(b)T形梁(T梁)

(d)空心板梁(K梁)

图8　动力测试法检测有效预应力流程图

(3)梁体应力释放方法进行了大量试验研究(见下页图10)和数值分析，认为普通钢筋的应力释放精度较高，可以用于实际检测中，并给出了检测方法。结合检测到的钢筋应力，按照平截面原理，提出了预应力混凝土桥梁有效预应力的计算分析方法，并编制了分析软件。

图9　静力测试法检测有效预应力流程图

图10　应力释放试验示意图

(4)分别定义力名义损失参数、应力界限波动率等概念，基于界限波动率率β：

(2)

将桥梁中的测试预应力束分为波动束，β的参考区间为(10.0，15.0)；平缓束，β的参考区间为(0，10.0]；间接预测钢束：位于测试截面内层不具备测试条件的钢束及未测试钢束。建立了全桥有效预应力预测模型(见图11)和预测的数学关系。针对常见的“直+曲+直”型、“直+曲+曲”型和“复合曲线”型束(见图12～14)及预应力变化的大小定义的等差、等比、混合分布模式建立了其算法，编制了计算软件。

图11　钢束有效预应力预测模型图

在考虑时变效应的实用截面分析及截面预应力合力效应分析方法基础上，定义截面有效预应力储备度λ，储备度衰减率η及名义裂缝宽度wfkr三项指标，并将其应用于在役桥梁基于有效预应力衰减程度的正常使用状态评估及精细化分级研究中，建立了桥梁整体性能分析及安全预警体系。研究成果得到了实桥模拟分析验证。

图12　“直+曲+直”型钢束模型图

图13　“直+曲+曲”型钢束模型图

图14　“复合曲线”型钢束模型图

8预应力混凝土桥梁综合评价方法研究

综合考虑预应力筋位置偏差、管道压浆状况、普通钢筋及预应力筋锈蚀状况及预应力筋有效预应力对结构性能影响，研究的元素评价指标、评估等级及评估值区间如表3～6所示。

表3　预应力筋位置偏差等级评估标准表

表4　预应力管道压浆等级评估标准表

表5　力筋锈蚀状况等级评估标准表

表6　预应力筋有效预应力等级评估标准表

桥梁安全性评估模型如下页图15所示。

图15　预应力混凝土桥梁安全性评价分析模型图

给出预应力混凝土桥梁安全性评价各元素等级评估标准，如表7所示。

适用性评价模型如图16所示。

图16　缺损预应力混凝土桥梁正常使用功能评估模型图

评估元素评价指标评估等级及评估值区间A类B类C类D类E类抗弯承载能力正截面裂缝αWB/mm(0)[0,0.1)[0.1,0.3)[0.3,0.6)(≥0.6)混凝土强度(RD-RM)/RD(-0.02,0)[0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.2)(≥0.2)结构表观损伤面积破损率(0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.2)[0.2,0.35)(≥0.35)普通钢筋锈蚀截面积损失率(0,0.015)[0.015,0.05)[0.05,0.12)[0.12,0.2)(≥0.2)预应力纵筋锈蚀截面积损失率(0,0.01)[0.01,0.03)[0.03,0.1)[0.1,0.15)(≥0.15)纵筋有效预应力|ND-NM|/NM(0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.15)[0.15,0.2)(≥0.2)抗剪承载能力斜截面裂缝βWC/mm(0)[0,0.05)[0.05,0.2)[0.2,0.4)(≥0.4)混凝土强度(RD-RM)/RD(-0.02,0)[0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.2)(≥0.2)结构表观损伤面积破损率(0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.2)[0.2,0.35)(≥0.35)箍筋锈蚀箍筋截面积损失率(0,0.015)[0.015,0.05)[0.05,0.12)[0.12,0.2)(≥0.2)预应力弯筋锈蚀截面面积损失率(0,0.01)[0.01,0.03)[0.03,0.1)[0.1,0.15)(≥0.15)弯筋有效预应力|ND-NM|/NM(0,0.05)[0.05,0.1)[0.1,0.15)[0.15,0.2)(≥0.2)

耐久性评价模型如图17所示。

图17　预应力混凝土桥梁耐久性评估模型图

分别研究给出了评估标准和预应力混凝土桥梁综合评价模型及指标如图18所示。

根据评价分析思路，采用VB编制预应力混凝土桥梁评价系统。

图18　预应力混凝土桥梁综合评估模型图

9实桥检测应用研究

本项目研究的依托工程包括重庆市S103线渝巴路春天门大桥、重庆市云阳县月亮包大桥、福建省宁德大桥、福建省厦门坂头大桥、贵州省贵阳新寨河特大桥、、广东省清(远)连(州)一级公路桥、陕西省铜川玉皇阁特大桥、吉林省松花江大桥和宁夏自治区石嘴山黄河公路大桥。实桥应用的过程中，在进行检测的同时研究相关对策，给出改进措施，通过实体依托工程的应用，达到了增强检测技术实用性的目标。

10检测指南编制

检测指南内容主要涉预应力混凝土桥梁缺损

状况检测、预应力钢束定位检测、预应力管道压浆状况检测、预应力钢束锈蚀状况检测、预应力钢束有效预应力检测、预应力混凝土桥梁分项指标评价及预应力混凝土桥梁综合评价等九方面内容，可用于指导预应力混凝土桥梁的检测与评价。

11结语

本项目从立项到完成经历了三年半的时间，研究成果的特点是系统性和工程适用性，尤其是用于指导在役和在建预应力混凝土桥梁缺损状况检测技术的《大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术指南》凝聚了课题组全体成员的心智与汗水，是项目研究成果精华的集中体现。

(来源于交通部西部交通建设科技项目管理中心网站)

文章编号：1673-4874(2016)02-0001-09

中图分类号：U446

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.001

基金项目