体内预应力检测方法初探

周 潇

(武汉市城市路桥收费管理中心，湖北武汉430050)

体内预应力检测方法初探

周 潇

(武汉市城市路桥收费管理中心，湖北武汉430050)

预应力钢束是大型预应力混凝土结构中的关键受力构件，其应力状态决定着结构的整体性能，但如何对体内预应力进行检测确是当前工程界面对的难题。文章在参考相关文献的基础上介绍了三种具有可操作性的体内预应力检测方法，并通过案例对三种检测方法进行对比分析，提出相对可靠的检测方法，可为其它类似体内预应力检测提供参考。

混凝土结构； 体内预应力； 检测； 动力测试； 消压荷载； 应力释放

预应力混凝土构件是当前桥梁结构中一种重要的结构形式，预应力钢束又是大型预应力混凝土结构中的关键受力构件，其应力状态决定着结构的整体性能。然而，预应力钢束的应力分布及其变化会直接影响桥梁结构承载能力的变化，若不能及时准确地了解和掌握其应力状态和变化规律，就难以正确评估结构的整体性能。因此，进行预应力的实际测试，对于精确掌握预应力水平、确保桥梁施工质量、保证结构整体安全性和可靠性具有重要意义。

1 当前主要体内预应力检测方法

1.1 动力测试法

动力测试法的思路是：首先对结构物进行动测试验，得到预应力结构的动力性能指标，然后推导得出结构物的预应力损失量。结构构件的整体特性能够在其自振频率中反映出来，一旦施加后，预应力就作为结构内力而存在，因此其力值的大小也是一种结构的整体特性，则能推知结构的自振频率与其预应力之间应该存在一定的相互关系，进而从结构损伤识别的方法理论，可知预应力的损失会使结构动力性能产生变化。

1.2 消压荷载试验法

采用在裂缝两侧贴应变片和布置导杆引伸仪来确定现存预应力荷载-应变、荷载-裂缝宽度关系曲线均呈双线性，将两条直线延长相交，交点所对应的荷载即消压荷载。

1.3 应力释放法

所谓的应力释放法，就是通过测量构件分割前后的位移及应变参数，换算成应力值，进而推导构件整体工作性能的一种方法。采用适当的机具，适量地切割处于初始约束应力作用下的构件，人为地将构件中的局部约束应力释放出来，根据事先布置于局部测点处测试元件应变的变化量，根据相应的材料学知识就可以推知所测构件的应力状态。经过国内外工程人员几十年的研究工作，工程界在动力测试方面取得了一定的成就，但这种检测方法依然存在很多不足之处：首先，在当前的测试条件下得到现场测试频率中，一阶频率的准确性较高，但结果的二阶或三阶频率测试的误差过大；其次，作为一种各向异性材料，混凝土并非是匀质的，这就说明按照材料力学观点认为开裂前材料刚度不发生变化的做法是不准确的；再次，目前动测法的对象限于全预应力混凝土构件，而不包括部分预应力混凝土构件。

2 案例分析

2.1 基本情况

所用试验梁为预应力简支T梁，试验梁全长24 m，净跨23.8 m，梁中心距1.8 m，梁高2.1 m，跨中腹板厚0.14 m，摇轴支座，圆端形混凝土墩，桥高10 m左右。沿跨长变截面设计，两片梁中间设置有横隔板。桥梁所用混凝土的标号为C40，弹性模量为3.25×105MPa，预应力筋采用直径为5 mm的碳素钢丝，每股7根，每根钢束中有6股，钢丝束截面有6束基本钢丝束组成，每隔一定距离放置钢制衬管，保证基本束间有一定空隙以利水泥浆流入。所采用的预应力筋直径为5 mm，钢丝的极限强度σp为1 666 MPa。

2.2 动力测试法

根据简支梁的受力特点，通过动力试验拟测取跨中截面的动挠度，横向、竖向振幅，桥梁的横向、竖向振动加速度，第一阶自振频率等动力特性。

本次试验测得的梁的竖向自振频率为3.25 Hz，所对应的有效预应力为49.82×105N。

2.3 消压荷载试验法

通过静载试验标准规定的两次循环加载找出跨中附近部位两侧处具有代表性的主要裂缝，再通过三个循环的加载测得每条裂缝处的荷载应变曲线图，通过曲线图的双线性性质，找到消压荷载(图1)，利用简化弹性计算方法得到裂缝处截面的有效预应力值，根据两条裂缝截面处有效预应力值比例内插，得跨中截面处有效预应力值为59.70×105N。

2.4 应力释放法

试验工作原理是依据局部应力解除法的力学原理，步骤为在所选择检测截面周围开槽，槽深要满足要求，所开槽附近部位的约束随着槽深的增加会逐渐削弱，约束消失接着就会产生弹性进而慢慢恢复变形，变形恢复后就会发生应力重分布，当开槽的深度到某一数值时，此时槽周围测点的状态是工作应力为零，应力被完全释放出来了，通过对测点应力释放前后应变的测定，利用力学公式得到所求应力，进而进行计算求出构件的有效预应力值(图2)。由试验所得跨中截面处的有效预应力值为Pe=51.73×105N。

图1 消压加载示意

图2 应力释放开槽示意

3 结论

通过收集阅读相关文献，主要总结了三种主要的体内预应力检测方法。但是，此三种方法均属于有损试验方法，且在使用过程中存在一定的局限。

(1)工程界对混凝土工作应力的测试工作一般采用预应力释放法中的环孔法来测定，该法与实际结果较为接近，但最主要的难点在于确定孔深。人们普遍认为当孔深达到 0.7 倍孔径时测区的应力就能得以完全释放，但现实中用于测试的电阻应变片的标记都比较大，这就要求孔深较大，从而对构件造成的破坏也较大；另外，在混凝土切割过程中弹性模量、骨料大小、切割距离、切割速度等因素都会影响到应力的释放，对测试结果造成干扰；

(2)横张位移增量法为实现钢束有效预应力检测的可操作性，只能选择表面钢束进行测试，否则没有操作空间；为架设张力测试仪，需对梁体进行较大面积的开槽处理，对梁体造成损伤；张力测试仪主要使用钢材制造，十分笨重，移动以及拆卸非常不方便；

(3)消压荷载试验法要实现梁体消压需要进行大量程循环加载，对于在役桥梁而言现场实施困难，且试验过程中会对桥梁造成较大损伤，在实际应用中并不合适。

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[定稿日期]2017-06-21

周潇(1982～)，男，硕士研究生，工程师，从事桥梁检测养护管理工作。