铁路空心薄壁桥墩现存预应力测试试验研究

2012-11-27王春芬高以健钟文森

铁道建筑 2012年3期

王春芬，高以健，钟文森

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055;2.兰州铁路局工务处，甘肃兰州 730000;3.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

预应力空心薄壁桥墩由预应力钢绞线和钢筋混凝土箱式块件在现场拼装而成，具有截面积小、截面模量大、自重轻等特点。空心薄壁桥墩在设计和施工阶段时的预应力确定主要依据规范提供的理论公式。若计算值与现存预应力值之间偏差较大，预应力混凝土结构的现存预应力与结构的力学参数存在一定的关系，但目前还无法通过仪器直接测出结构的现存预应力值。通过间接试验方法，研究现存预应力与上述力学参量之间的关系，找出一套简便、实用、可靠的检测方法，评估空心薄壁桥墩的现存预应力，解决桥梁的安全评估及技术改造过程中的关键问题，无论是对在役结构的性能评估还是今后进行加固设计、施工都具有重要的工程意义。

本文结合切槽法应力释放法原理［1］，在有限元计算分析的基础上，通过研究荷载、槽间距、槽长、开槽深度等条件变化下的混凝土工作应力变化规律，进行现存预应力测试过程中的影响参数分析，提出应力释放所需的开槽深度、间距等计算参数。以在役铁路空心薄壁桥墩为试验对象，进行了桥墩内壁切槽及振动试验验证，为今后混凝土桥梁使用性能评估、维护以及加固提供了技术参考。

1 桥梁概况

比利沟大桥位于银川市平罗县境内，由7孔跨度31.7 m的预应力混凝土简支梁组成，下部结构采用拼装式预应力混凝土空心薄壁桥墩，T型桥台。5#，6#桥墩为沉井基础，其余均为明挖基础，基底均置于基岩上。预应力混凝土梁的设计活载为中－26级，墩、台为中－22级。空心桥墩混凝土设计强度等级为400号，砌缝砂浆400号、厚度1.0 cm，桥墩每隔4～6 m设隔板1道，每阶段设2道隔板。比利沟大桥概貌见图1。在线路电气化改造过程中，为判定长期服役后拼装桥墩的现存预应力，通过有限元分析、空心墩内壁切槽试验及振动测试等方法［2］，综合判定目前桥墩的健康状态。

图1 铁路比利沟大桥

2 切槽参数的有限元分析

依据局部应力解除法的力学原理，为了测试结构构件中某一点的工作应力，采用切割工具在测点上下分别开两条横槽，解除测试点处的约束，使之产生弹性恢复变形，从而导致构件的应力重新分布。当切槽达到一定深度时，可使测点处局部工作应力完全释放。通过对测点应变释放的量测，可以求出该点的工作应力［3-4］。

采用切槽法测量混凝土工作应力时，关注的是量测点上应力完全释放所需的开槽宽度、深度、槽间距等参数。在切槽过程中，桥墩处于弹性工作状态，可采用ANSYS有限元计算软件，建立结构计算模型。计算时，空心薄壁墩混凝土单元取 Solid65，利用ANSYS在切槽过程中的单元“生死”功能模拟混凝土切割过程，混凝土泊松比vc=0.2，弹性模量取34 GPa。模型的外轮廓尺寸为3 000 mm×2 800 mm×1 000 mm，壁厚为200 mm，槽的切割宽度设为5 mm，模型的下表面施加位移约束，上表面施加的面荷载模拟结构重力作用及预应力作用效应，结构计算模型及切槽测试布置见图2。

图2 混凝土构件测点位置示意及网格划分(单位:mm)

通过有限元模拟切槽过程，研究荷载、槽间距、槽长、开槽深度等条件变化下的混凝土工作应力变化规律，分析现存预应力测试过程中，影响参数变化对测试位置的应力影响。

为了解结构在承受不同压应力时，切槽过程中混凝土测点的工作应力释放规律，分别计算上表面压应力作用 3 500 kPa，3 000 kPa，2 500 kPa 及2 000 kPa 时的应力变化。不同压应力作用下，测点应力释放计算结果见图3。

图3 不同压应力条件下测点应力计算结果

由图3可见，在切槽过程中，随着施加在模型上表面的应力增大，应力释放曲线逐渐变陡，应力释放为零的切槽深度均分布在5.8 cm附近。

其次，为分析结构在不同切槽间距下测点的应力特点，取开槽间距分别为15 cm，20 cm，25 cm，30 cm，35 cm时进行比较。计算时，在模型的上表面施加相同的均布压应力3 000 kPa，切槽宽取5 mm，槽长40 cm。不同切槽间距下测点处混凝土应力计算结果见图4。

由图4可见，切槽间距对应力释放速度和应力释放率影响较大。在切槽过程中，随着槽间距的增大，应力释放为零时的切槽深度逐步增大，减小槽间距可以加快应力释放，但受应变片尺寸、混凝土骨料尺寸等影响，切槽间距不宜小于15 cm。

为了解在不同切槽长度时，测点处混凝土工作应力释放的规律，分别计算切槽长度为40 cm，35 cm，30 cm，25 cm及15 cm时测点处的应力释放过程。以施加在模型上表面的均布荷载采用3 000 kPa为例，槽宽取5 mm，槽间距取20 cm，不同槽长下混凝土应力释放规律见图5。

图5 不同槽长下测点处的混凝土应力计算结果

在切槽过程中，随着槽长的降低，在槽间距及模型上表面的压应力保持不变的情况下，应力释放为零点的切槽深度在6 cm左右。但当间距20 cm、槽长为15 cm时，应力未能完全释放。因此，在采用切槽法进行混凝土应力释放时，为保证测点位置的应力能够完全释放，切槽长度应大于切槽间距。

3 桥墩现存预应力的切槽法试验

为判定空心薄壁桥墩的现存预应力，试验时，首先采用钢筋混凝土雷达在墩身内壁进行预应力钢束定位，在竖向钢束中间布置切槽测区。对测区打磨清理后，进行环氧打底及防潮处理。对切槽位置划线定位后，粘贴混凝土应变片。在试验开始后，使用混凝土切割机在测区上下边缘切两道横槽，用应变仪记录混凝土应力释放所产生的应变值。根据有限元计算结果，选取4#墩和5#墩为对象进行切槽检测，切槽宽度40 cm、间距取20 cm，切割深度取7 cm，见图6。

图6 4#墩和5#墩测区布置

比利沟大桥空心薄壁桥墩的竖向预应力筋为高强钢丝束，采用后张法施工。单束预应力筋由16根φ5 mm的高强钢丝组成。预应力筋抗拉极限强度为1 600 MPa，屈服强度1 280 MPa。施工时张拉力为32.6 t，伸长率为0.005 78，超张拉时张拉力为34.2 t，伸长率为0.006 07。钢丝束弹性模量 Ep=2.05×105MPa，张拉应力 σcon=εEP=2.05×105×0.006 07=1 244.35 MPa。参照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—2005)，4#墩和 5#墩切槽位置所在节段由结构自重及预应力影响而产生的压应力计算值见表1。切槽试验在夜间进行，应变测试采用DH3816静态应变仪。墩身内壁切槽过程中，应变测试试验结果见表2。

表1 4#墩和5#墩切槽节段的墩壁混凝土压应力 MPa

根据《规范》［5］计算得到节段压应力，采用有限元法得到应变测点处的计算应变值，与试验结果对比分析得到结构校验系数，计算结果见表3。参照《检规》［6］对预应力混凝土梁钢丝应力(应变)结构校验系数通常值规定，结构荷载试验条件下的通常值范围为0.9～1.0。从试验结果对比来看，桥墩预应力钢束的现存预应力满足设计要求。在现存预应力条件下，当桥上作用列车荷载时，通过荷载组合检算，桥墩截面未出现拉应力，且最大压应力小于检定容许应力要求。

表2 4#墩和5#墩切槽法测点应变测试结果 ×10－6

表3 测点处混凝土应变分析结果

参照历史测试记录及现阶段桥墩振动参数测试结果，为评定桥墩状态，引入了桥墩健全度指数SI，SI=实测桥墩自振频率/自振频率基准值。

桥墩健全度评估准则［7］见表4。

表4 桥墩健全度评估准则

桥墩自振频率基准值可采用桥墩建成初期或在健全状态下的自振频率初始测试值。如没有初始测试值，则基于大量桥墩的自振频率测试结果，用统计回归的方法建立的公式来计算桥墩的自振频率基准值。采用动测法进行桥梁动力参数测试，结合兰州铁路局桥检队的历史检测记录(见表5)，桥墩健全度评估［7］结果见表6。从桥墩表观检测结果来看，桥墩墩身未发现明显病害特征，振动测试得到的健全度指数 SI在0.95以上，判定等级为B，桥墩状态健全。