钻孔测试已服役预应力混凝土梁板现存应力评估模型★

许红叶 杨维国 俞丽婷 邹常进 柳 霆

(1.湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳 421002;2.湖南恒德检测有限公司，湖南衡阳 421002)

1 概述

预应力混凝土结构在工程结构中应用非常广泛，已服役预应力混凝土梁板现存应力的大小对于工程结构的可靠性评估具有重要意义。现存应力的获得有两种方法，理论法和试验法，两种方法各有优缺点。课题组依据现有的检测规范，结合理论与实践，计划开展钻孔测试预应力混凝土梁板现存应力的研究，虽然在评估过程中，结构可能会有损伤，但是应力释放法在计算现存应力方向具有良好的工程学前景和研究价值。

2 评估因子的赋值规则

课题组经过前序分析研究，在应力释放法解决现存应力评估方法的体系设计中确定了8个评估因子:1)弹性模量;2)钻孔孔径;3)应变片距钻孔中心距离;4)材料密度(容重);5)收缩徐变;6)微损类型;7)振动;8)温度。其中1)，2)，4)，5)，7)，8)为主因子，3)和 6)为副因子。

经过统计分析，我们可以确定8大评估因子的分级标准，具体见表1～表8。为了区分主副因子的重要性，即权重，我们取γ0为主副因子重要性系数，分三级取值，具体见表9。

2.1 弹性模量因子赋值规则(E)

弹性模量的计算一般采用本构关系，但是本构关系并非线性变化，变化规律是非线性的，无法用单一方程来表达。在实际计算中，一般是通过分段式简化来完成，最常见的是两段式。弹性模量有两类，静弹性模量和动弹性模量，课题组所研究的内容涉及的是静弹性模量。当考虑预应力混凝土结构耐久性和抗冻性时，动弹性模量将成为评估因子，可以根据工程实际情况将静弹性模量增大1.1倍～1.4倍，即可满足需求，弹性模量的精确值通过试验实测，特别要指出的，弹性模量的实测是一种破损试验，对结构性能有一定损伤，见表1。

表1 弹性模量(主因子)赋值规则(α为计算标线与x轴夹角)

2.2 钻孔孔径因子赋值规则(K)

钻孔孔径一般有两种，一种是常规芯样，一种是小芯样(直径小于70 mm)。孔周围圆顺应力集中效应对现存应力的影响小，反之则大，见表2。

表2 钻孔孔径(主因子)赋值规则

2.3 应变片距钻孔中心距离因子赋值规则(Y)

应用于预应力混凝土结构测试的应变片属于大应变片，主要原因是预应力混凝土结构不是均匀材料组成的，钢筋采用小应变片，测试时需要考虑应变片的适应性，选择合适的应变片，可降低尺寸效应的影响。应变片距钻孔中心距将直接影响测试结果，见表3。

表3 应变片距钻孔中心距离(副因子)赋值规则

2.4 材料密度(容重)因子赋值规则(C)

材料密度，即体密度对于预应力是有重要影响的。以规范中规定的材料密度为标准，其他情形可以取相对值考虑，见表4。

表4 材料密度(容重)(主因子)赋值规则

2.5 收缩徐变因子赋值规则(S-X)

收缩和徐变的变化规律和影响因素基本上是相同的，因此，科研人员一般将二者合二为一考虑。但是由于其变化机理非常复杂，因此我们通常采用简化法进行赋值计算，见表5。

表5 收缩徐变(主因子)赋值规则

2.6 微损类型因子赋值规则(W)

表6 微损类型(副因子)赋值规则

由于微损类型不同，比如试验方法、开孔条件以及空洞大小、形状的影响，可能产生的应力集中效应也会有所不同。因此，课题组计划采用应力集中系数KT来考虑应力集中的影响，应力集中系数可以考虑利用经验公式、试验法和查工程表格获得，建议以经验公式法为主，其他方法辅助。考虑应力集中现象，需要考虑误差影响，一般在10%～20%，建议粘贴应变片时不宜靠近钻孔中心太近。钻孔时最好避开钢筋，以防钻断钢筋，影响测试结果，赋值时需要同时考虑尺寸效应和圣维南原理影响，尽量使得应变测试结果真实有效，见表6。

2.7 振动因子赋值规则(Z)

动荷载对于数据的结果是有重要影响的，钻机在工作时，会有动应变，如果动应变过大，则测试结果不可靠。因此，需要控制钻机钻速，减少对结构的扰动和应变的干扰，见表7。

表7 振动(主因子)赋值规则

2.8 温度影响因子赋值规则(T)

温度影响因子在现存应力的试验和理论研究中具有重要意义。测试过程中尽可能降低其影响，可以考虑在气温变化幅度小的时段或引入温度补偿应变片，尤其是试验设备，比如钻机造成的应变，见表8。

表8 温度(主因子)赋值规则

2.9 主副因子重要性系数赋值规则

主副因子的重要性是有所区别的，主因子之间也是如此。为了进行定量计算，需要将主副因子的重要性等级及赋值规则列表，以利于分析计算，主副因子重要性系数具体如表9所示，根据专家意见进行微调，见表9。

表9 主副因子重要性系数(γ0)赋值规则

3 评估模型的构建

3.1 层次分析模型

将主副8个因子，按照逻辑关系排列，采用层次分析法确定各自具体权重，其权重数值将随着检测数据库和专家库完善程度而浮动。

层次分析课题组采用yaahpV10.5版本进行建模分析。模型分为3层，决策层、中间层和备选层，具体如图1所示。

图1 主副因子权重确定图

3.2 灰色系统模型

3.2.1 灰色定权聚类白化数

课题组经过对比分析，选择灰色定权聚类。聚类白化数、聚类元素和聚类对象分类及编码如表10所示。

3.2.2 白化权函数

判断矩阵是灰色系统建模的关键，课题组计划采用灰色定权聚类来进行分析。聚类指标(E，K，Y，C，S-X，W，Z，T)的灰类白化权函数如表11所示，按照升降序规律，对号入座即可。

表10 灰色定权聚类白化数分类及编码

表11 8大评估因子白化权函数类别

3.2.3 灰色建模流程

将目标值、白化权函数、层次分析模型主副因子权重，按照标准格式Excel导入灰色系统建模软件，经过计算，即可得到灰色定权聚类模型。

4 结语

已服役预应力混凝土梁板的现存应力评估是一个工程学难点，需要做精细化、定制化研究，本文通过对预设的评估因子赋值规律的研究，借助层次分析法、灰色理论构建了灰色系统分析模型，将复杂的工程学问题转化为多种研究方法有机结合，方便易算的研究模型，为工程检测技术人员提供了借鉴和应用支持。