新型切槽法测量预应力混凝土梁现存应力实验

阳 洋 邓年春, 吴东明

(1.广西科技大学土木建筑工程学院， 广西 柳州 545006；2.柳州欧维姆机械股份有限公司， 广西 柳州 545005)



新型切槽法测量预应力混凝土梁现存应力实验

阳 洋1邓年春1,2吴东明2

(1.广西科技大学土木建筑工程学院， 广西 柳州 545006；2.柳州欧维姆机械股份有限公司， 广西 柳州 545005)

预应力混凝土结构被广泛地运用于现代工程建设中，结构的现存应力值对评估结构的工作性能发挥着重要作用，如何准确快速地测量出预应力混凝土结构现存应力一直是工程界较为棘手的问题。在传统的应力释放法测量混凝土结构应力技术的基础上，提出新型切槽法。该方法能通过扁型千斤顶技术消除混凝土弹性性能的不确定性，使测量过程更简便，测量结果更精确。实验结果证明新型切槽法测量误差在工程允许范围之内。

应力释放； 现存应力； 预应力混凝土； 扁型千斤顶； 切槽法

在近代工程建设中，预应力结构发挥着重大作用。尤其在公路桥梁的建设上，预应力混凝土结构的桥梁适用范围最广，是一种极其重要的结构形式。在预应力结构的使用过程中由于自然灾害及人为因素的影响使得预应力结构不可避免地产生抗力衰减和损伤积累，耐久性问题逐年上升，工程隐患日益突出。现存应力值及实际应力状态的确定是评估预应力混凝土结构工作性能和破坏程度的关键，可为后续修复加固提供最为直接可靠的技术依据。而对于广泛使用预应力混凝土结构的桥梁而言，由于有着横、纵、竖3个方向预应力筋的布置，各部位应力状态十分复杂，预应力损失估算十分困难。同时，由于在建设和使用过程中存在诸多难以确定的因素，如施工误差、温度变化、支座不均匀沉降、徐变引起的应力重分布等因素使得混凝土应力随时间变化[1]，理论分析所得数据与实际结构具有很大差距，真实的应力状态只能在实际结构上测得。

切槽法测量预应力混凝土梁现存应力的本质是应力释放法测量结构应力的运用，也是近年来测量混凝土结构现存应力的较为有效的方法之一[2]。该方法是借助在结构上开槽孔来释放应力，通过仪器测量释放区域的应变变化，再依据材料应力应变关系以及切割区域的几何条件计算出结构应力。在一般的均匀材料里，弹性模量可看作常数，只要测量出应变，运用胡克定律即可计算出应力，但混凝土材料的弹性模量离散性较大，随着配合比、环境条件等因素的不同而发生变化[3]。传统的切槽法测得的应力值误差较大，且操作复杂。本次研究采用新型切槽法将扁型千斤顶技术与切槽法相结合，消除了混凝土弹性模量的不确定性，使得应力测量的结果更接近实际。

1 实验原理与方法

1.1 实验原理

新型切槽法测量预应力混凝土梁现存应力首先在被测构件上用机械切割出细长槽进行应力释放，分别对切割前后构件测点间的应变进行测量，记录释放的应变量，然后将扁型千斤顶放入切出的细长孔槽中，并对槽内壁施加垂直的压力以恢复开孔槽位置混凝土的应变，再根据应力应变关系推算出现存应力。在以往的切槽法测量现存应力中，采用仪器对切割后的构件的应变进行测量，根据以往实验或取值确定混凝土的弹性模量，这样计算出的应力与实际偏差较大。将扁型千斤顶技术与切槽法相结合能求取结构现存应力所需参数，能直接测量出结构复杂应力状态下的实际应力值。

1.2 实验方法

测量前需明确所测预应力混凝土结构的受力筋(包括普通钢筋和预应力筋束)分布，测量时应避免切断受力筋。在需测量应力的方向选取标距为d0的A、B两点作为测点。用仪器在选定的2个测点间的中心处切出合适尺寸的细槽，并在细槽两端用仪器对称钻取2个圆柱状混凝土块来抑制扁平细槽4个角发生应力集中，使测点间的应变不易受到扁平细槽的影响，同时加大应变的释放量，便于测量。切割形成的哑铃状槽孔引起试件局部应力释放，使用仪器对切割后测点间距离进行测量，切割后A、B两点间的距离记为d1。

槽孔切割完成后，将扁型千斤顶插入细槽中并施加压力，恢复开槽孔位置的应变。扁型千斤顶施加的压力与测点间距离的关系如图1所示。开槽孔后测点间应变恢复至未开槽孔前的应变值所需的扁型千斤顶的力值与测点间距离的变化之间存在线性关系。由此，可由式(1)计算出试件的现存应力σ:

(1)

式中：σ— 现存应力，Nmm2；

F— 扁型千斤顶施加的力，N；

B— 通过扁型千斤顶标定实验得到的应力变换特征系数，mm2；

A— 扁平细槽的受力面积，在实际操作时可近似认为为扁型千斤顶的受压面积，mm2；

k— 扁型千斤顶压力与测点间距离线性关系的斜率，mm3N，；

Δd— 测点间距离的变化量，mm；

ΔP— 扁型千斤顶压力变化量，Nmm2；

d0— 切割槽孔前测点间距离，mm；

d1— 切割槽孔后测点间距离，mm。

图1 实验原理图

切割哑铃状槽前后测点间的距离改变量十分微小，直接测量测点间距离变化难度大，成本高。本实验采用测量测点间切槽孔前后应变变化的方法，在测点A、B点架设以两点间距离d0为标距的振弦应变计测量架进行应变测量，具体图示如图2所示。根据图(1)的实验原理可由距离与应变间的关系及应力应变定律推出与应变有关系的计算式(2)：

(2)

式中：Δε— 扁型千斤顶作用时测点间应变变化量；

ε— 切割槽孔前后应变变化。

图2 测点及测量架示意图

2 实验概况

2.1 试件设计

实验采用矩形截面试件，试件尺寸为70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm，试件尺寸与构造详图如图3所示。试件的混凝土采用龄期为28 d，特征抗压强度为40 MPa的混凝土。

图3 试件尺寸图(单位：mm)

扁型千斤顶为厚度很小的液压式千斤顶，主要材料采用Q235钢。本实验采用的扁型千斤顶尺寸为70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm，示意图如图4所示。

图4 扁型千斤顶示意图(单位：mm)

在扁型千斤顶加压过程中，其自身强度会抵抗一部分膨胀，扁型千斤顶加压时受到的压力要大于其施加给试件的作用力，因此需要对扁型千斤顶进行标定实验来确定两者之间的关系系数。将扁型千斤顶放置于模拟现场的标定专用支架内，其上安装30 t标准力值传感器，整套标定装置放置在试验机上，进行手动油泵6级加压，记录压力机力值与扁型千斤顶电流值。

2.3 试验加载及量测

将预应力混凝土试件安装在反力架中，依次安装好传感器、千斤顶及负荷测量仪，并加上钢垫环保持力的传递。安装过程中保证试件受压面平整，受力均匀。在试件上表面沿轴线方向标距为100.0 mm 的2点处安装2个膨胀螺栓，并将装有振弦应变计的测量架安装在膨胀螺栓上，随后连通振弦读数仪进行读数。安装完毕后千斤顶开始加压，为模拟桥的持久应力不变的情况，试验中的加载一直保持预压力在331.2 kN，记录此时的应变即为受力状态下构件的初始应变。

用链锯、取芯机分别在2个膨胀螺栓的中心位置对称开出一个规格为70.0 mm×110.0 mm×7.5 mm 的矩形细槽，并在细槽两端取出2个直径为27.0 mm，深度为80.0 mm的圆柱形芯进行应力释放，细槽的尺寸与扁型千斤顶尺寸相符。取芯切槽后试件的示意图见图5。将扁型千斤顶放入试件上表面细槽内，用手动液压泵对其分级加压，当应变与初始应变一致时停止加压。扁型千斤顶按此步骤解压加压6次以提高实验精度。

实验中需要测量记录的主要数据有：开槽孔前振弦应变计读数、开槽孔后应变计读数、分级加压时扁型千斤顶油压值以及对应的振弦应变计读数。

图5 取芯切槽后试件平面图

3 实验结果及分析

3.1 扁型千斤顶标定实验结果

对扁型千斤顶标定数据作图并进行拟合(图6)，得到压力计力值与扁型千斤顶电流值的计算关系式：

y=4.889x-7.109

(3)

图6 扁型千斤标定拟合曲线

在预压力达到并维持在331.2 kN时，试件测点间的应变为-103.437 με(1με=10-6，表示微应变)，切割出哑铃状槽孔后，测点间应变变位-307.681 με。切割前后应变的变化量ε为：

ε=-103.437-(-307.681)

=204.244 με

将扁型千斤顶放入试件表面细槽内循环加载6次，根据实验结果绘图并进行拟合(图7)，得到扁型千斤顶油压与测点应变间的关系式：

y=0.026x+11.519

(4)

图7 扁型千斤顶油压与应变拟合图

由式(2)可计算出本次试验试件所测得的应力为：

=3.708 MPa

本次试验中试件的截面积较小，因此纵向钢筋的受力不能忽略。纵向钢筋的分担受力为：

F=2.1×105×103.437×10-6×π×42×4

=4.365 kN

试件截面上的理论应力为：

综合分析误差主要是由于切割哑铃状槽时扰动及加水冷却链锯，水对应变的影响所导致的。

4 结 语

实验验证了将扁型千斤顶技术与切槽法相结合形成的新型切槽法测量预应力混凝土结构现存应力的可能性。该测量过程操作较为简便，测量得到的应力值与理论值相比，误差在实际工程允许的范围内，为实际工程的现存应力测量提供了一种现实可靠的测量方法。后续需要对影响新型测量方法的各影响因素进行研究以提高实验精度。

[1] 沈旭凯.开槽法测试混凝土工作应力实验与研究[D].杭州：浙江大学,2007：20-23.

[2] 杨勇,王灿,朱新实.既有桥梁结构混凝土现存应力测量与分析[J].同济大学学报,1999,27(2):198-202.

[3] 过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京：清华大学出版社,1999：30-35.

Experimental Study on Existing Stress Measurement of the Pre-stress Concrete Beam by New Grooving Method

YANGYang1DENGNianchun1,2WUDongming2

(1. College of Civil and Architecture Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou Guangxi 545006, China; 2. Liuzhou OVM Machinery Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545005, China)

Prestressed concrete structures are widely used in modern construction, and the existing stress is important in the work performance evaluation of structure. So how to quickly and accurately measure the existing stress of the prestressed concrete structure is always a difficult problem. The new grooving method based on the traditional stress release method of concrete structure stress measurement can use the flat jack technology to eliminate the uncertainty of the elastic properties of the concrete, and make the measurement more convenient and accurate. The new grooving method is verified by experiments, and the experimental results show that the error can meet the project requirements.

stress release; existing stress; pre-stress concrete beam; the flat jack; cutting method

2015-03-12

交通运输部科技项目“在役预应力混凝土桥梁持久应力监测与安全预警技术的研发”(20113182231010)

阳洋(1990 — )，女，湖南岳阳人，在读硕士研究生，研究方向为混凝土梁应力测量。

TU528

A

1673-1980(2015)05-0104-04