PC构件承载力快速评定方法试验研究∗

王华，刘雪锋，彭建新，张建仁

（1.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵州贵阳 550000；2.贵州省交通建设工程质量监督局，贵州贵阳 550000；3.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）



PC构件承载力快速评定方法试验研究∗

王华1，刘雪锋2，彭建新3，张建仁3

（1.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵州贵阳 550000；2.贵州省交通建设工程质量监督局，贵州贵阳 550000；3.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

摘要：基于动弹性模量理论快速评定试验梁PC构件承载力，并与荷载试验承载力评定结果进行对比分析。结果表明，试验梁加载过程中进行动弹性模量测试，各阶段的弹性模量均未出现明显下降，说明砼结构仍处于弹性范畴，具有较大的承载力冗余，承载力满足要求；与现场荷载试验对比，基于动弹性模量理论能准确、快速地评定试验梁PC构件的承载力。

关键词：桥梁；PC构件；动弹性模量；承载力荷载试验

砼材料是典型的应变率敏感性材料，不同应变率下其强度、延性和破坏模式明显改变。结构材料的弹性模量是结构受力特性的一个重要参数，反映砼所受应力与产生应变之间的关系，并体现砼结构截面的刚度，是与桥梁结构挠度变形相关的重要指标，也是研究裂缝开展和温度应力的必要参数之一。

国内外学者对砼静态弹性模量作了大量研究，但在砼动态弹性模量研究，尤其是基于动态弹性模量快速评定结构承载力上的研究甚少。为此，该文基于动弹性模量理论快速评定试验梁PC构件承载力，并与荷载试验承载力评定进行对比研究，验证其合理性。

1　试验方法

1.1材料

试验梁设计荷载标准为公路Ⅰ级，采用40 m标准中跨中梁T梁通用图纸进行浇筑，中梁结构断面见图1，现场养护28 d后进行相关试验准备。

图1　中梁结构断面示意图（单位：cm）

1.2荷载试验检测方法

1.2.1检测项目

（1）挠度测试。在试验梁的支座、1/4L截面、跨中截面、3/4L截面设置挠度测点（见图2），根据现场条件，采用精密光学水准仪进行测试。

图2　挠度测试截面（单位：cm）

（2）应变测试。试验梁应变测试截面共设2个，即跨中最大正弯矩截面J1、3/4L截面正弯矩截面J2（见图3）。

图3　应变测试截面（单位：cm）

根据现场条件及单梁的受力特点，在J1、J2截面布置应变片，测试在试验荷载作用下的应力增量，以分析判断主体结构（构件）控制部位的受力状态。测点布置见图4。

1.2.2试验效率

静力试验荷载按照控制内力、应力或变位等效原则确定，静力荷载试验效率宜为0.95～1.05。进行现场静力试验，在最大正弯矩工况下，J1截面理论计算内力为4 091.65 k N·m，试验计算内力为4 407.86 k N·m，静力试验荷载效率为1.08。

图4　应变测点布置

试验荷载采用钢绞线进行堆载，布置见图5。

图5　钢绞线堆载布置（单位：cm）

2　承载力快速评定方法

2.1检测原理

砼的弹性模量决定结构的变形特性，并与强度、耐久性有着非常密切的关系。准确、快速地测试结构的弹性模量，对控制结构施工质量、提高结构耐久性具有重要意义。

采用动弹性模量分析法，分析结构在设计荷载下弹性模量是否发生突变及非弹性变化，并观察动弹性模量随加载的变化趋势来判断结构是否满足设计荷载的要求。

动弹性模量采用冲击弹性波作为测试媒介，通过测试弹性波的波速，计算材料的动切线弹性模量、推算相应的静切线弹性模量，进而根据静弹性模量与抗压强度的相关关系推算砼的抗压强度和应力水平。其核心在于精确测试砼材料的弹性模量Ec。

砼的弹性模量Ec不仅影响结构的变形，而且是反映砼质量、耐久性的重要指标。它可反映材料的刚性特性，在结构的变形计算中是重要的参数。特别是对于高强度砼，简单地采用抗压强度反推弹性模量的方法往往存在较大的误差。砼材料的老化往往先从弹性模量的降低开始，而新建结构的施工不良也会在弹性模量方面有所显现。

对于一维均质弹性体，其弹性模量E与弹性波P波波速vP1的关系可表示为：

当测试对象为二维或三维时，P波速度有一定变化。对于二维弹性体：

式中：μ为砼的动泊松比。

对于三维弹性体：

而对于表面波（瑞利波），其关系可表示为：

一般来说，砼的动泊松比μ为0.2～0.25，其不同波速间的比较见表1。

表1　砼弹性模量测试结果

这里得到的是材料在小应变条件下的动切线弹性模量Ed，而非弹性模量Ec。对于钢材这样的均质弹性材料，Ed与E非常接近。而对于砼这样的非线性材料，Ed与Ec之间存在一定差异。具体体现在：1）应力水平的影响。如前所述，砼材料的应力水平越高，切线弹性模量越低。2）粘性的影响。在低应力水平条件下（如试块），Ed与Ec的差异主要体现在粘性的影响上。

由于测试对象（构件或试件）和测试位置的不同，形成了多种测试方法，主要有基于反射特性的测试方法（如冲击回波法）和基于透过特性的测试方法（如单面传播法和双面透过法）。

2.2现场测试

根据构件加载方式及受力形式，选取跨中处腹板均匀设置3个测点，对每级加载工况下对应不同测点进行弹性模量测试，每个测点每级加载工况下分别测量3次，取平均值进行计算分析。测点编号从腹板顶部到马蹄处依次为1～3。

3　评定结果分析

3.1荷载试验检测结果分析

3.1.1挠度检测

试验荷载作用下，单梁挠度实测结果见表2，满载实测值与计算满载值的比较见图6，主要测点挠度值与荷载的关系见图7。

表2　挠度检测结果

图6　满载实测挠度值与计算值的比较

图7　F2测点挠度值与荷载的关系曲线

从表2、图6、图7可看出：试验加载下，右2-4号梁实测单梁最大弹性挠度为14.38 mm，挠度结构校验系数为0.72～0.76。卸载后整体上挠度恢复正常，各荷载工况下主要控制测点相对残余挠度均在20%以内。说明在试验荷载下单梁结构整体刚度满足要求。

3.1.2应变检测

试验荷载作用下，各测试截面的实测应变及与计算应变的比较见表3～4，主要测点应变值与荷载的关系见图8。

表3　J1截面应变检测结果

表4　J2截面应变检测结果

图8　J1截面测点应变值沿梁高度的分布

从表3、表4、图8可看出：试验加载下，试验梁应变校验系数为0.51～0.66，卸载后整体上恢复正常，各荷载工况下主要控制测点相对残余应变在20%范围内。说明在试验荷载作用下单梁结构整体强度满足要求。

3.2快速评定方法结果分析

各测点不同加载等级下的弹性波波速及弹性模量测试结果见表5，弹性模量与加载的关系见图9，弹性模量变化率与试验荷载的关系见图10。

表5　弹性模量测试结果

从图9及10可知：1）加载前，腹板下部砼动弹性模量高于腹板上部。其原因可能为腹板下部结构钢筋布置较多，钢筋砼换算弹性模量较大。2）对比1～2级加载，腹板上部砼弹性模量变化率大于腹板下部。其原因可能为加载前腹板上部砼弹性模量基数较小，在荷载作用下变化较明显。3）各测线的弹性模量均在35～37 GPa，未出现上低下高的趋势，表明砼较均匀。4）1级加载后，各测线的弹性模量均有所提高，平均提高约2.7%。其原因在于加载后，砼由单向受力变为双向受力，应力状态有所改善，相应地其弹性模量、强度有所提高。5）各测试阶段的弹性模量均未出现明显下降，说明砼结构仍处于弹性范畴，具有较大的承载力冗余，承载力满足要求。根据对现场梁体的观察，各部位均未出现裂缝和其他损伤，与推算结果相符。6）2级加载后，平均弹性模量几乎没有变化，说明在满载荷载下，梁体呈现良好的线弹性状态，承载能力满足设计荷载等级要求。

图9　弹性模量与加载的关系

图10　弹性模量变化率与试验荷载的关系

4　结论

该文基于动弹性模量理论快速评定试验梁PC构件承载力，并与荷载试验承载力评定进行对比研究，得出结论如下：

（1）试验梁加载过程中，各阶段的弹性模量均未出现明显下降，说明砼结构仍处于弹性范畴，具有较大的承载力冗余，承载力满足要求。

（2）现场对试验梁进行承载力荷载试验，主要控制测点满载时各工况下的挠度校验系数和应变校验系数均满足要求，结构呈良好的线弹性状态，表明单梁承载能力满足设计荷载等级要求。

（3）与现场荷载试验对比，基于动弹性模量理论能准确、快速评定试验梁PC构件的承载力。

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式中：ρ为材料的密度，对于砼，ρ一般约为2 400 kg/m3。

中图分类号：U448.21

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0187-04

基金项目：∗国家自然科学基金资助项目（51008037，51178060）；湖南省自然科学基金资助项目（12JJ6050）；贵州省交通运输厅科技项目（2016-121-038）

收稿日期：2016-02-20