四点弯曲加载下RC梁内钢筋的漏磁效应研究

程 呈, 刘 建, 张宇洁, 龚 娅, 夏润川

(1.重庆物康科技有限公司, 重庆 404000; 2.省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室, 重庆 400074;3.重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074; 4.重庆市智翔铺道技术工程有限公司, 重庆 400067)

钢筋混凝土(RC)桥梁在交通领域应用广泛,目前我国桥梁中约90%为RC桥梁。RC桥梁主要受力结构是内部的钢筋骨架,其承载力直接取决于受拉钢筋的应力,通过测量钢筋的应力水平可直观反映出RC桥梁的服役状态[1],但日益加重的交通负荷和运营多年后桥梁的老龄化日益突出,RC梁结构服役性能退化加剧[2-4],因此,准确检测RC桥梁内部钢筋的应力状态对桥梁安全评估很重要。

目前钢筋应力的检测主要采用无损检测技术[5]。相较传统的有损钢筋应力释放法,无损检测技术不会对检测结构造成损坏,在土建结构的健康检测中[6-7]应用更为广泛。其中漏磁检测方法是一种研究地磁场和应力场耦合作用下铁磁材料表面漏磁场分布特征的无损检测方法[8],源于金属磁记忆检测技术,能够有效反映出铁磁性材料在应力作用下的响应[9-11]。外荷载的作用会改变RC梁内部钢筋的宏观磁化状态并形成自发漏磁场,分布在空气中的漏磁场不受混凝土保护层的影响[12],可用相应的传感器进行采集,通过分析采集到的漏磁信号研究RC梁内部的钢筋应力状态。

许多学者利用漏磁检测技术对钢筋应力检测进行了深入研究。Chen等[13]对Q235钢进行了一系列静态拉伸试验及有限元分析,发现漏磁信号法向分量的梯度决定了加载过程中结构内部建立的应变能密度。Roskosz等[14-16]通过分析切向和法向分量梯度,从测量的残余磁场中估算铁磁钢的残余应力,定量分析了二者与应力之间的关系。童凯等[17]对钢筋开展了反复拉伸试验,发现钢筋应力曲线与磁信号法向分量曲线具有相同的波动周期和相反的波动方向,且钢筋的拉伸应力变化率与漏磁强度变化率相互对等,表明可利用法向分量的变化来定量表征钢筋应力的波动幅值。

本文针对RC梁开展了四点弯曲加载试验,研究了试件在静态加载过程中表面磁信号的变化规律,旨在准确、定量评估RC梁内部钢筋应力状态,以促进漏磁检测技术在钢筋应力检测中的应用与发展[18]。

1 试验概况

1.1 试件材料及尺寸

试验选取3片相同尺寸的RC矩形截面适筋梁为研究对象,梁的尺寸为1 700 mm×150 mm×200 mm,编号为BG-1#～BG-3#。纵向受拉钢筋为2Φ20,纵向受压钢筋为2Φ8,箍筋沿梁的整个长度布置为Φ8@100;混凝土的设计强度等级为C50,纵向受拉钢筋的保护层厚度为25 mm。试验所有的钢筋均为常用的HRB400型号钢筋,其材料参数如表1所示。在浇筑混凝土试件前,于底部纵向受拉钢筋的上缘处粘贴电阻应变片,用于测量纵向受拉钢筋的应变。试件几何尺寸、钢筋及电阻应变片布置如图1所示。

1.2 试验设备

试验采用课题组自主研发的三轴自动化扫描检测装置和uT7121Y静态应变仪,如图2所示。三维扫描装置主要由三维机械位移平台、高精度磁传感器和PC控制系统组成,其中磁传感器为Honeywell公司研发的HMR2300三轴智能数字磁力计,量程为±2×10-4T,分辨率为6.7×10-9T。该设备可同步输出磁通密度(Bx、By和Bz)以及空间位置坐标(X、Y和Z)。应变采集设备为武汉某电子技术有限公司生产的uT7121Y静态应变仪,测量范围为±30 000 με,精度为±1 με,满足试验要求。试验加载装置如图2所示,其由支座、工字钢梁、千斤顶、力传感器和反力架组成,试验时通过控制千斤顶以实现施加不同荷载的目的。

表1 钢筋材料参数

图2 试验设备示意

1.3 试验方法及步骤

1) 四点弯曲加载法

试验时利用分配梁将施加的荷载分配到试件上,以此形成四点弯曲加载方式,加载步长为10 kN,加载点位置如图3所示,加载点到支座的距离为300 mm,试件可简化为跨度1 400 mm且受2个集中力作用的简支梁。

单位:mm

试验采用三轴自动化扫描检测装置进行自发漏磁扫描,设置5个提离高度和5个水平位置以控制不同的检测线,如图4所示。磁传感器的提离高度Z定义为磁传感器与梁底之间的距离,由低到高设置为10 mm、20 mm、30 mm、50 mm、70 mm,每个提离高度Z下设置5条相互平行的水平检测线,分别命名为L1、L2、L3、L4和L5,其中L3位于梁的正中间,L1和L5距离梁边缘5 mm,L2和L4位于2根纵向受拉钢筋的下方,扫描长度为跨中800 mm范围。

图4 漏磁场检测线示意

2) 加载步骤

(1) 在空载情况下利用三维扫描检测装置采集自发漏磁信号,此步是采集环境磁场;

(2) 采用分级加载制度,每增加10 kN后停止加载,并按照设置好的检测线采集试件底部的自发漏磁信号;

(3) 重复上述操作,直到RC梁发生破坏时停止加载。

2 试验结果及分析

试验采用的三轴自动化扫描装置能够测量出3个互相垂直的磁感应强度分量Bx、By和Bz,Roskosz等[19]在研究外应力作用下铁磁性材料的漏磁场特征后,指出磁场的法向分量与材料内部的应力具有较强的相关性。本试验的法向分量Bz强度较大且不易受噪声影响,因此重点将研究RC梁内钢筋应力与自发漏磁场法向分量Bz之间的关系。

2.1 不同荷载下RC梁内钢筋漏磁场分布规律

对RC梁进行整体受力分析可知,在扫描区域内(图4)梁主要承受弯矩作用,为纯弯段。在加载过程中还记录了BG-1#、BG-2#、BG-3#RC梁的裂缝发展过程,如表2所示。

表2 RC梁裂缝开展记录

由表2可知,3根梁的裂缝发展过程具有相似性。根据RC梁的裂缝发展过程,将整个加载过程分为4个阶段:未开裂弹性阶段、微裂缝开展阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。为获取RC梁纯弯段在不同荷载下的自发漏磁曲线规律,绘出提离高度Z为30 mm,水平检测线为L1工况下的曲线。因规律类似,仅给出BG-3#梁的曲线,如图5所示。

(a) 未开裂弹性阶段

(b) 微裂缝开展阶段

(c) 带裂缝工作阶段

(d) 破坏阶段

从图5可以看出,磁感应强度随钢筋位置的变化有较大差异,主要是因为磁感应曲线从试件的N极指向S极,且在两端较密集而中间较稀疏,所以起点和终点处的Bz绝对值较大,扫描区域中间部位的Bz绝对值较小。

1) 未开裂弹性阶段和微裂缝开展阶段。Y-Bz曲线基本重合,整体呈逐渐下降趋势,且曲线的幅值较小,如图5(a)所示。产生该现象的原因是在未开裂弹性阶段,弯矩主要由混凝土截面承担,由于钢筋横截面积较小,因此其应力增量也非常小。

2) 微裂缝开展阶段。当梁底部出现的微裂缝开展至受拉钢筋处,钢筋附近出现应力重分布。这2个阶段的钢筋均处于弹性阶段,应力促使钢筋的磁化状态朝均匀磁化发展,表现为曲线相邻位置的Bz值差异较小,曲线形状变化不大,如图5(b)所示。

3) 带裂缝工作阶段。随着荷载的增加,Y-Bz曲线逆时针旋转,同一位置处的Bz值逐渐减小。图5(c)的Y-Bz曲线出现交点,表明该检测区域内钢筋的磁化状态接近无滞磁磁化状态。应力使磁畴的磁化方向由初始磁化方向转变为应力方向,当初始磁化方向相同时,应力越大,磁畴旋转角度越大,减小了各个位置的法向磁感应强度差值,表现为Y-Bz曲线发生逆时针旋转。

4) 破坏阶段。Y-Bz曲线的形状发生了变化,如图5(d)所示,此阶段RC梁内受压区混凝土被压碎,纵向钢筋的拉应力维持在屈服应力,钢筋发生了大量塑性变形,极大程度改变了磁畴的结构,因此破坏阶段的法向磁感应强度变化较大,Y-Bz曲线形状发生变化。

2.2 不同检测位置处RC梁内钢筋漏磁场分布规律

漏磁信号易受材料的化学组分、初始磁化状态、背景磁场、磁传感器提离高度等多种因素的影响,对这些因素进行单独或耦合分析,可提高检测过程中的精度,使结论更精确。

2.2.1 提离高度的影响

试验在RC梁底部的空间设置了5×5共25条检测线,变量主要为5个提离高度和5条水平检测线。为研究沿提离高度方向即Z方向的RC梁法向漏磁场空间分布规律,以BG-3#梁为例,选取0 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm和790 mm这9个Y坐标处在0 kN、90 kN、160 kN以及破坏前这4个荷载工况下,对水平检测线为L1时的法向磁感应强度值进行分析,绘制了试件在不同提离高度下的Z-Bz曲线,如图6所示。

(a) 荷载为0 kN

(b) 荷载为90 kN

(c) 荷载为160 kN

(d) RC梁破坏前

由图6(a)～(c)可知,在未开裂弹性阶段、微裂缝开展阶段以及带裂缝工作阶段,RC梁的法向分量Bz值随着磁传感器提离高度的增加呈现出逐渐减小的趋势,但在不同检测位置处Bz的减小程度存在差异。随着外加荷载的增加,钢筋不同检测位置处的Z-Bz曲线之间的间距逐渐减小,且测量得到的Bz数值逐渐趋近于0,呈现出“聚拢”现象。综合上述分析可知,随着磁传感器提离高度的增加,漏磁场强度的整体分布特征基本保持不变。

2.2.2 检测路径的影响

进一步分析RC梁在同一高度、不同水平检测线下的磁场分布情况,仍以试件BG-3#为例。控制磁传感器的提离高度Z为30 mm不变,给出试件在0 kN、90 kN、160 kN以及破坏前这4个荷载工况下的Bz曲线,如图7所示。

由图7可知,L1和L2下的Y-Bz曲线较为陡峭,L4和L5下的Y-Bz曲线较为平缓。检测线L1和L2靠近纵向受拉钢筋1,L4和L5靠近纵向受拉钢筋2,由于2根钢筋的初始磁化状态不同,故BG-3#在不同水平检测线下Y-Bz曲线的分布规律存在一定的差异性。随着外荷载的增加,所有水平检测线下的Y-Bz曲线逐渐趋于平缓,曲线的坡度逐渐减小,且不同水平检测线之间Y-Bz曲线在数值上的差异有一定减小,但曲线的总体形状规律没有发生较大的变化。

(a) 荷载为0 kN

(b) 荷载为90 kN

(c) 荷载为160 kN

(d) RC梁破坏前

3 钢筋应力状态定量表征

RC梁桥混凝土内部的钢筋骨架是主要的受力结构,在桥梁的服役过程中发挥着重要作用,因此钢筋的应力状态能够较好地反映出桥梁的安全性能。本文将提取一个特征参数用于定量表征RC梁内钢筋的应力状态。

在实际工程中,RC梁内纵向受拉钢筋的漏磁场受多种因素的影响,相同大小的钢筋应力有时并不能表现出相同数值的漏磁场强度。为了更好地建立钢筋应力σ与漏磁场强度之间的量化关系,基于RC梁内钢筋在不同应力状态下的空间漏磁场分布特征,提取了一个无量纲的特征参数Aσ,具体表达如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

将钢筋应力值作为横坐标,计算所得的Aσ作为纵坐标,可得到RC梁内钢筋在不同提离高度下的σ-Aσ曲线。由于实际工程中大部分的RC梁都处于带裂缝工作的状态,因此主要分析RC梁试件在带裂缝工作阶段Aσ随钢筋应力的变化关系。BG-1#试件在提离高度为10 mm时Aσ与σ的关系曲线如图8所示。

图8 带裂缝工作阶段特征参数随应力的变化趋势

由图8可知,特征参数Aσ与RC梁内钢筋应力σ基本呈现出线性递减的关系。假定特征参数Aσ与钢筋应力σ之间有如下关系式:

Aσ=Kσ+β0

(4)

式中:K、β0是2个与材料自身有关的未知参数。分析不同试件的特征参数Aσ与钢筋应力σ之间的线性程度,采用拟合优度R2来说明回归直线的拟合效果,结果如图9所示。

图9 线性拟合优度R2

一般情况下,拟合优度R2越大表示拟合效果越好。由图9可知,所有样品的拟合优度均在0.95以上,表明磁特征参数Aσ与RC梁内钢筋应力σ之间具有较好的线性关系。由式(1)～式(4)可得到RC梁内部钢筋应力的表征方程,如式(5)所示。

(5)

4 结论

本文开展了RC矩形截面梁四点弯曲加载钢筋应力自发漏磁检测试验,研究了不同荷载和不同检测位置下RC梁内钢筋漏磁场的空间分布规律及演变特征,并得出如下主要结论:

1) 在未开裂弹性阶段和微裂缝开展阶段,Y-Bz曲线基本重叠,表明磁场的变化较微弱。这2个阶段的钢筋均处于弹性阶段,应力促使钢筋的磁化状态朝均匀磁化发展,表现为曲线相邻位置的Bz值差异较小,曲线形状变化不大。

2) 在带裂缝工作阶段,随着荷载的增加,Y-Bz曲线逐渐逆时针旋转,同一位置处的Bz值逐渐减小;RC梁破坏时,钢筋发生了大量塑性变形,材料的磁畴结构被极大改变,故Bz值变化较大,且Y-Bz曲线形状发生变化。

3) 磁传感器提离高度和检测路径的变化会导致漏磁场强度改变,但磁场的整体分布特征不会发生明显变化。RC梁内的箍筋对漏磁场的空间分布具有一定影响,导致底部纵向受拉钢筋的Y-Bz曲线呈现出周期性波动且波动的周期等于箍筋的间距。

4) 提出无量纲特征参数Aσ用于表征钢筋应力与漏磁场法向分量之间的相关性,该参数在RC梁带裂缝工作阶段内随钢筋应力线性递减,且函数的拟合优度R2均大于0.95,表明拟合值与钢筋应力实测值之间的误差较小,因此该参数可用于定量表征RC梁内钢筋的应力状态。