高速铁路32 m整孔预制简支箱梁起吊状态裂纹分析

2021-07-02卢文良李晓壮马学朋

铁道标准设计 2021年6期

卢文良，李晓壮，马学朋

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

1 概述

截止到2019年底，我国铁路营业里程将达到13.9万km以上，其中高铁3.5万km。高速铁路建设中大量采用“以桥代路”，高铁桥梁数量达到3.5万余座，长度达到1.9万余km[1-3]。简支箱梁具有受力简单明确.形式简洁.抗扭刚度大.后期养护工作量小.经济性好等优点，在工程实践中被广泛采用[4-5]。高铁预制简支箱梁的常用跨度为32 m，梁体质量为800 t左右。箱梁在移梁.架梁过程中要经历数次起吊环节，有时出现混凝土开裂现象。起吊状态下裂纹既与起吊工艺有关，也与前续工序质量状态有关，影响因素比较复杂。裂纹在落梁后通常会闭合。起吊时产生的裂纹在落梁后不能完全闭合时，应进行裂纹封闭处理，否则将对桥梁的耐久性及高速铁路运输安全产生不利影响[6-7]。

箱梁结构的细小裂纹不容易被发现[8]。声发射(Acoustic Emission，简称AE)技术利用结构材料开裂时发出的弹性波信号进行开裂判别，只需适当布置传感器即可实现对整个结构的监测，不但克服了大型结构裂纹的检测困难，还具有实时.动态等独特的优势[9]。Lacidogna[10]采用声发射技术和共振频率提取技术，对预制混凝土梁试件在三点弯曲条件下的裂纹扩展过程进行了监测。Nguyen-Tat等[11]采用声发射技术监测了混凝土梁在受弯循环荷载作用下的损伤过程。王余刚等[12]采集了混凝土材料三点弯曲破坏全过程的声发射信号，并对声发射累积能量曲线进行了研究。顾爱军等[13]利用声发射技术对钢筋混凝土梁进行了损伤识别研究。张赛等[14]在梁三点破坏试验过程中采集了声发射信号，研究了梁损伤过程的信号频率范围。混凝土梁的开裂原因及裂缝控制是工程技术人员的研究热点[15-19]，但将声发射技术应用到混凝土箱梁等大型构件裂纹损伤监测的研究较少。针对预制箱梁从制梁台座起吊时的开裂问题，采用现场调研.有限元分析和声发射监测相结合的方法，研究起吊时裂纹的产生原因和位置，为预制箱梁裂纹发现和抗裂措施提供技术支持。

2 整孔预制箱梁起吊状态裂纹调研

2.1 箱梁概况

调研箱梁为某高速铁路梁场从制梁台座起吊到存梁台座后的36片整孔预制双线箱梁。主梁采用C50混凝土，梁长32.6 m，顶板宽12.6 m，底板宽5.5 m，梁高3.05 m。箱梁有8个吊装孔，吊装孔直径为120 mm，具体位置参数如图1所示。

图1 整孔预制双线箱梁吊装孔位置(单位：mm)

2.2 箱梁起吊工艺

制梁完毕，经养护.初张拉等环节后，使用提梁机将箱梁从制梁台座上提起，在场内进行箱梁纵横向吊移作业。起吊前确认箱梁与底模无任何连接，对吊装孔的相对间距和垂直度进行检查，确认吊具能正确安放到位。采用专用吊具与箱梁进行可靠联结，然后将箱梁吊起至100 mm左右停车制动，检查梁体纵.横向水平度是否满足要求。最后待梁体缓慢落梁至存梁台座上方约300 mm位置，调整梁体位置，将梁位各支点纵横向标线与存梁台座“十字”标线对中后，平缓落梁至存梁台座。

2.3 裂纹调研结果

对36片从制梁台座起吊至存梁台座的双线箱梁进行了详细检查，重点查看了吊装孔周边.跨中及1/4跨附近箱内顶板及腹板。发现36片箱梁均有表面保护层开裂现象，其中12片箱梁有3处开裂，24片箱梁有4处开裂，共计132处裂纹，裂纹损伤统计结果见表1。裂纹均发生在吊装孔附近箱梁腹板内表面.靠近上梗腋的部位，部分裂纹沿纵向延伸至变截面处。裂纹位置如图2所示。

表1 裂纹损伤统计结果

图2 箱梁纵向裂纹

3 箱梁起吊状态受力分析

3.1 有限元模型

为分析起吊状态箱梁应力变化情况，建立有限元模型对箱梁平衡起吊状态进行模拟分析。混凝土单元和钢垫板单元采用三维实体线性减缩积分单元C3D8R。混凝土采用塑性损伤模型，在箱梁起吊阶段，C50混凝土抗拉极限强度取0.8倍折减系数，为2.48 MPa[20]。仅考虑箱梁自重荷载。钢垫块与混凝土接触关系设定为绑定接触。采用映射网格划分方法，在箱梁端部吊装孔附近的单元尺寸较小，以提高计算精度。在箱梁跨中部分，则采用较低的网格密度，以减少单元的数量，提高计算的效率。

3.2 有限元计算结果

箱梁在平衡起吊状况下，除去吊点位置应力集中的情况以外，箱梁横向与纵向应力最大值都出现在顶板上表面的吊装孔之间，拉应力值分别为1.77 MPa和1.76 MPa。数值模拟时，顶板腹板交界处有限元模型做了近似处理，与实际工程中此处的光滑圆角略有区别，导致顶腹板交界区域计算应力偏大。剔除该区域后，竖向应力最大值出现在距吊装孔竖向距离为150 mm腹板内侧靠近上梗腋处，拉应力值为1.96 MPa，腹板竖向应力云图如图3所示。

图3 箱梁腹板竖向应力(单位：MPa)

不考虑加载点及上梗腋应力集中区域的计算值，箱梁顶板上下表面及腹板拉应力的计算值小于规范规定的混凝土拉应力容许值。计算结果表明，在箱梁起吊状态下，竖向应力最大值在吊装孔附近箱梁腹板内表面.靠近上梗腋的部位。计算发现的危险区域和现场调研发现的裂纹区域一致，可推断裂纹与受力状态密切相关。有限元计算结果，也可为起吊过程中声发射监测的传感器布置提供参考。

4 箱梁起吊状态声发射监测

4.1 起吊声发射监测方案

声发射信号采集系统主要由声发射传感器.数据采集仪.声发射软件等组成。本次监测所用传感器谐振频率为150 kHz，工作频率为50～400 kHz。为探明起吊阶段箱梁裂纹的发展，对某片预制梁从制梁台座起吊的全过程进行了声发射监测。

(1)声发射传感器的布置

传感器布置依据除了有限元计算以及调研结果外，还有断铅试验等声发射前期分析，比如不同距离时传感器对断铅信号的响应幅值大小。梁体易开裂位置在吊装孔附近顶板与腹板交界处的箱梁内侧。在监测箱梁大里程端的内侧共布置8个传感器，对称布置在箱梁室内左右两侧，左侧4个编号为1号～4号，右侧4个编号为5号～8号。每侧顶板和腹板各2个传感器，沿箱梁横向距离为400 mm，沿箱梁纵向距离为300 mm。传感器间距布置合适，传感器之间响应良好。箱梁右侧传感器布置如图4所示。为保证传感器与试验梁表面接触良好，用酒精擦拭传感器标定位置，并在声发射传感器表面均匀涂抹耦合剂，然后将声发射传感器用磁性夹具固定于既定位置。

图4 箱梁右侧传感器布置(单位：mm)

(2)系统参数设定

混凝土材料中的声发射源定位受多种因素影响，为保证监测到损伤源信号，并去除噪声信号，需要在正式监测前，通过断铅试验确定相关声发射采集系统的参数。在箱梁腹板内侧进行断铅试验，分析断铅时采集到的全波形信号。通过试验分析，确定当各传感器的门槛值为50 mV时，可以将噪声信号排除在外，能接收到断铅试验的首波，做出更为精确地定位。根据断铅试验的结果，50 μs可作为峰值定义时间。根据断铅试验信号到达传感器的时间差来确定波速，本次试验波速为3 202 m/s。为了真实的描述和识别AE信号，撞击定义时间值取为100 μs，撞击闭锁时间值取为200 μs。

4.2 声发射监测结果

起吊时的声发射监测和现场检查均表明，箱梁在起吊过程中产生了裂纹，开裂位置在吊装孔附近箱梁腹板内表面.靠近上梗腋的部位。裂纹位置与现场检查和有限元计算显示的开裂区域一致。裂纹为水平方向，沿箱梁纵向延伸扩展，如图5所示。

图5 监测箱梁裂纹

对所有传感器监测的声发射信号进行分析，发现8个传感器信号发展趋势相同，在此以1号声发射传感器信号波形为例进行分析。损伤过程和声发射监测情况简介如下。

提梁机的提梁托板刚与预制箱梁顶板接触时，箱梁重力尚未完全转移到提梁机，箱梁部分重力仍由制梁台座承担，箱梁表面并未出现肉眼可见的裂纹。此时声发射采集仪上的波形信号显示少量的突变，这是由于混凝土中水泥砂浆和集料界面存在着原始缺陷，原有缺陷的微小进展会产生弹性波信号，如图6(a)所示。

随着梁体逐渐脱离制梁台座，箱梁重力全部转移到8个吊点，构件内部不断产生新的损伤，有些微裂纹发展到了构件的表面，形成1号裂纹。此时，声发射信号开始密集，且随着箱梁的提升不断增大，如图6(b)所示。

提梁机将箱梁提升，并完全脱离底模板后，箱梁受力存在一定程度动荷载效应，2号裂纹出现，1号裂纹扩展并向箱梁跨中方向延伸。声发射信号剧烈出现，如图6(c)所示。

当箱梁被匀速提升后，作用在结构上的荷载不再增大，裂纹停止扩展，未产生新的裂纹。声发射信号趋于稳定，波形少有突变，如图6(d)所示。

图6 声发射传感器在箱梁起吊各阶段信号波形

4.3 声发射参数分析

采用累积能量.累积撞击计数和幅值3个常用于分析损伤发展的参数，研究箱梁在起吊过程中损伤的发展特性。以1号声发射传感器为例对箱梁起吊的声发射信号进行参数分析，累积能量.累积撞击计数及幅值随梁体损伤变化情况如图7所示。

图7 声发射信号参数与箱梁起吊裂纹的关系

箱梁刚开始起吊，能量缓慢积累，累计计数稳定增长，幅值增长较快，达到5 000 mV，微观裂纹连通，形成1号裂纹。随着箱梁继续提升，与底板脱离，声发射现象剧烈，能量快速积累，累计撞击计数增长速率提升，幅值信号密集出现，幅值最高可达到10 000 mV，此阶段裂纹扩展.延伸程度较大，2号裂纹出现，1号裂纹向跨中延伸。箱梁匀速提升阶段，声发射事件减少，能量积累和累计计数增长减缓，幅值开始降低，裂纹不再增大。

4.4 声发射损伤定位

本次试验中裂纹监测目标区域为吊装孔附近腹板与顶板交界区域，根据弹性波传播特性，可展开为平面进行损伤点定位。采用平面时差定位法，在箱梁左侧4个传感器坐标形成的矩形区域内损伤源定位点如图8所示。从图8可以看出，箱梁的损伤点集中在传感器监测区域的中下部，表明试验过程中所产生的声发射信号主要来自于顶板与腹板交界的腹板内侧.靠近上梗腋处，和箱梁起吊过程中观察到的裂纹出现位置一致，其余部分也有少量声源点，但未形成密集.连通的条带状，表明内部有一些微损伤，但未形成宏观裂纹。矩形平面时差定位算法和合理的声发射参数设置，在一定程度上保证了声发射技术定位损伤源的准确性。

图8 损伤源定位点

5 箱梁起吊状态开裂原因及对策建议

5.1 开裂原因分析

计算表明，起吊状态下箱梁腹板内侧靠近上梗腋处的拉应力为1.96 MPa，小于箱梁混凝土的极限抗拉强度。因此，实际工程中箱梁起吊状态下的裂纹是多种因素叠加造成的结果。箱梁起吊状态裂纹发展的原因主要有以下几点：(1)浇筑养护工艺不规范。比如，浇筑混凝土时振捣操作不当.现场养护不到位等，导致箱梁起吊前箱梁内部已有微损伤存在。(2)箱梁吊点处为混凝土结构，钢筋保护层偏差对裂纹宽度影响较大。(3)箱梁起吊时各吊点处受力不均衡，导致有的吊点附近混凝土局部应力过大。(4)梁体在起吊时操作不平稳，存在振动冲击力，加剧梁端腹板与顶板交界处的损伤。

5.2 抗裂措施建议

为了避免或减小箱梁起吊裂纹，建议考虑以下抗裂措施：(1)完善混凝土浇筑及养护工艺。混凝土浇筑时振捣充分，改善浇筑质量，严格实施混凝土养护流程。(2)改善吊装工艺，研发吊点自平衡装置。(3)降低起吊时箱梁振动，平稳操作。(4)在梁端腹板与顶板交界处严格控制钢筋位置准确，避免保护层过大。(5)必要时在箱梁吊点位置附近增设临时竖向预应力。