应力释放法测试普通钢筋应力在连续刚构预应力评估中的实测分析

2020-10-23黄光清

黑龙江交通科技 2020年10期

黄光清

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 400067)

连续刚构桥梁由于其跨越能力强、施工便利且具有良好的经济性，近几十年来在国内得到了大量建设。由于认识不足，早期的设计普遍存在一定缺陷，导致很多运营期的连续刚构桥梁有效预应力不足，箱梁产生横向裂缝和斜向裂缝，结构产生较大的下挠。因此，对于连续刚构桥梁，预应力损失的检测和评估是分析桥梁承载能力的关键。本文对某高速上两座(四幅)连续刚构桥普通钢筋应力测试检测结果进行分析、对比，及其与预应力损失的相关性进行探讨，以供相似桥梁工程检测参考。

1 工程背景

K4特大桥：预应力混凝土连续刚构，由左右两幅独立桥跨组成，桥跨布置为98 m+180 m+98 m；单幅桥面全宽12 m，行车道11 m。

大桥主梁采用直腹板单箱单室、三向预应力混凝土箱型截面。单幅箱梁底板宽6.5 m，顶板宽12.5 m，两侧悬臂长各3.0 m。主梁和薄壁墩身均采用C50混凝土，承台采用C30混凝土。

K5大桥：预应力混凝土连续刚构桥，桥跨布置为77 m+140 m+77 m连续刚构；桥梁分左右幅。单幅桥面全宽12 m，行车道11 m。

大桥主梁采用直腹板单箱单室、三向预应力混凝土箱型截面。单幅箱梁底板宽6 m，顶板宽12 m，两侧悬臂长各3.0 m。梁和薄壁墩身采用C50混凝土，承台采用C30混凝土。

两桥设计荷载均为：公路I级。

检测时这两座桥梁尚未通车，从外观检测结果看，均存在箱梁开裂(主要为纵向开裂)、波纹管外露、混凝土表观缺陷等病害，K4桥宽度超限裂缝比例较高，其他外观检测结果并无明显差异。

依据工程测量规范对整个主桥桥面线形进行了观测，测量结果显示：

两次检测期间(间隔9个月)，K4特大桥中跨桥面线形总体趋势为中跨普遍下挠，跨中最大，其中左幅为52.6 mm，右幅为87.8 mm。

K5大桥中跨桥面线形总体趋势为中跨普遍下挠，跨中最大，其中左幅为12.9 mm，右幅25.7 mm。上述下挠值包含了两次测试时的温差影响、混凝土收缩徐变影响。

从线形测量结果看，K4特大桥9个月期间产生的异常下挠值明显异常，而K5大桥则基本正常。

2 连续刚构有效预应力测试方法

对于大跨径梁桥的有效预应力检测，一般有应力释放法，包括混凝土盲孔法、普通钢筋应力释放法以及直接对预应力钢束进行静动力检测等方法。

在连续刚构桥梁中，由于混凝土材料的非匀质性(特别对于缺陷桥梁而言更甚)，盲孔法测试混凝土应力效果较差；对预应力钢束进行检测则需要对截面进行较大的破坏，这对于运营桥梁往往是不可接受的。相较于前述两种方法，对普通钢筋的有效应力进行测试，一则相对箱梁截面开孔尺寸较小，二则钢筋具有很好的匀质性，测试精度相对较高。

我们知道，对于连续刚构而言，基于变形协调理论，普通钢筋的应变状态与同位置处混凝土保持一致，故测试出普通钢筋的应变变化情况即可推断出同位置混凝土应变。根据某处混凝土的应变状态可反算或者验证连续刚构桥的预应力损失情况。

普通钢筋应力释放测试如下图所示，开孔后在钢筋两侧粘贴应变片，连接静态应变仪，调零后，距测点一定距离l采用切割机切断，实测时一般距离l在10D以上(D：钢筋直径)，记录钢筋应变变化情况及温度变化情况。

图1 普通钢筋应力释放测试示意图

3 测试截面及测点布置

测试截面：中跨L/4、跨中、3L/4截面。

测点布置：底板左、中、右均匀布置3个测点，均测试表层纵向钢筋，均测试表层竖向钢筋。测试时详细记录测点位置及开槽深度以便计算相应理论值。

4 应变测试结果

应变测试结果见表1，表2。

表1 K4特大桥左右幅

表2 K5大桥左右幅

5 钢筋应变测试结果分析

对于连续刚构中的普通钢筋，由于其应力状态受到很多因素的影响，除了结构的受力外，还受到混凝土徐变和收缩的影响，因此必须在理论计算中考虑徐变和收缩的影响。由于连续刚构在长期荷载作用下的徐变应变和混凝土收缩引起的应变很难精确计算出来，因此本处理论值主要根据该桥设计规范及相关文献进行计算。

5.1 预应力损失估算

依据规范及相关文献，先按照如下方法对结构有效预应力进行估算，后根据估算结果进行钢筋理论应变计算，然后比较实测钢筋应变与理论应变以校核预应力损失估算值。

依据以上方法计算得到K4特大桥左幅桥预应力损失7.8%、右幅桥预应力损失8.3%。

K5大桥左幅预应力损失2.8%、右幅桥预应力损失5.4%。

5.2 测点理论值计算

(1)测点有效弹性模量计算

国内外一些实验表明，在施加的压力不超过混凝土强度的40%时，混凝土的弹性徐变变形与施加的压力几乎成正比，所以在不变的混凝土压应力fc作用下的徐变应变εcr可以表示为

(1)

式中：Ec：混凝土的弹性模量；Ct：混凝土的徐变系数；fc：作用在混凝土上的压应力。

由于线性假设，C与应力大小无关，则混凝土的总应变εtol可表示为：

(2)

令Eeff表示考虑徐变影响的混凝土有效割线模量，即为

实测桥梁所受活载作用较小，可认为轴向压力基本不变，因此可按上述公式计算有效弹性模量。

(2)测点理论应变计算

(3)混凝土徐变系数、收缩应变

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》附录及相应图表计算。

5.3 校验系数(实测与理论值分析)

校验系数见表3，表4，表5。

表3 K4特大桥左幅钢筋恒载应力测试结果与理论值比较表

表4 K4特大桥右幅钢筋恒载应力测试结果与理论值比较表

表5 K5大桥左幅钢筋恒载应力测试结果与理论值比较表

表6 K5大桥右幅钢筋恒载应力测试结果与理论值比较表

5.4 结果分析

(1)K4特大桥的校验系数均明显小于K5大桥，说明其预应力损失量比估算值更大，实际上，由于桥梁主跨合拢时没有及时测量桥面线形，第一次线形测量距桥梁合拢时间约8个月，第二次测量距第一次时间9个月，估算采用的中跨下挠值是采用的两次桥面线形测量的差值，而不是采用桥梁合拢时距第二次检测时的值，因此造成预应力损失估算值偏小。而K5大桥由于下挠值较小，这种偏差也相对较小。

(2)K4特大桥中跨跨中的校验系数明显小于L/4及3L/4截面的校验系数，说明其跨中的预应力损失相对较大。K5大桥的中跨跨中校验系数明显大于L/4及3L/4截面的校验系数，一则说明其预应力损失较小，二则是由于施工单位对中跨的预应力筋普遍进行了一定程度的超张拉。

(3)从校验系数看，K5大桥明显大于1.0，K4特大桥虽然基本小于1.0，但其数值仍然与下挠明显的事实不符，这反映出理论计算值偏小，这是因为按照04规范计算的混凝土收缩应变在前期内的理论值小于实际值。我们知道，混凝土的收缩应变会在浇筑后1～2年时间内完成大部分，而按照规范的计算，虽然收缩应变的终值较大，但其前期计算值会小于实际发生的收缩应变。

(4)基于以上推论及其他检测结果，判定K4特大桥预应力损失严重，而K5大桥则基本正常。事实是，K4特大桥开通运营后，其主梁持续下挠，横向裂缝和斜向裂缝大量开展，两年后不得不花费巨大的资金进行加固且设置健康监测系统，可谓教训深刻。而K5大桥则在后续运营中则一直处于正常状态。