在役预应力结构有效预应力检测方法研究

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　　摘  要：相对于普通钢筋混凝土结构，预应力混凝土结构具有抗裂度高、自重小、跨越能力强等诸多优点，因此被广泛应用于桥梁工程和建筑工程中，但在预应力结构服役过程中，由于预应力筋的松弛、混凝土的收缩与徐变和锚具变形等因素将产生预应力的损失，从而降低预应力筋的有效预应力，最终影响预应力混凝土结构的安全性能。有效预应力的检测一直以来受到工程界的高度重视，专家学者们对此开展了许多理论研究，也开发出许多检测设备，文章针对结构内有效预应力的检测方法展开综述性研究，总结目前常用的有效预应力检测方法及它们的原理、优缺点和研究现状，旨在更清晰地认识在役结构有效预应力的检测，也为相关领域的研究人员提供参考依据。
　　关键词：预应力混凝土结构;有效预应力;应力检测
　　中图分类号：U445.57       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）05-0135-02
　　Abstract： Compared with ordinary reinforced concrete structures， prestressed concrete structures have many advantages such as high crack resistance， low self-weight， and strong spanning ability. Therefore， they are widely used in bridge engineering and construction engineering， but during the service process of prestressed structures， factors such as the relaxation of prestressed tendons， the shrinkage and creep of concrete， and the deformation of anchorage will cause the loss of prestress， thereby reducing the effective prestress of prestressed tendons， and ultimately affecting the safety performance of prestressed concrete structures. The detection of effective prestress has always been highly valued by the engineering community. Experts and scholars have carried out many theoretical studies on this and developed many detection equipment. This article conducts a review of the methods for detecting effective prestress in structures， and summarizes the commonly used methods. The effective prestress detection methods and their principles， advantages and disadvantages， and research status are aimed at a clearer understanding of the effective prestress detection of existing structures， and also provide a reference for researchers in related fields.
　　Keywords： prestressed concrete structure; effective prestressing; stress detection
　　引言
　　预应力混凝土结构，就是为了弥补混凝土材料抗拉强度较小而过早出现裂缝的弱点，在投入使用前事先人为施加一个预压力的混凝土结构。该预压力一般由张拉后的预应力筋提供，利用钢筋的回缩力使混凝土结构先受压力，当结构受到外部荷载时，荷载在结构受拉区产生的拉应力首先要抵消掉混凝土中的压应力才能进一步使混凝土受拉，因此降低了截面应力的峰值，这就使截面较晚出现裂缝或不出现裂缝，从而保护结构内的钢筋和预应力筋，改善了结构的耐久性能。相对于普通钢筋混凝土结构，预应力混凝土结构由于预应力产生的反拱度使结构的下挠值减小，且降低了构件的截面尺寸，减小了结构自重，提升了结构的跨越能力。与纯钢结构相比，预应力混凝土结构不仅能节约大量钢材，降低了工程造价，而且有着更好的耐火性能，不至于在高温环境下强度完全丧失。有效预应力是在役预应力混凝土结构中预应力筋实际保有的预应力值，也是预应力筋张拉控制力扣除第一批应力损失和第二批应力损失后剩余的应力值，一般第一批预应力损失在张拉完成时就可以通过材料参数、锚具类别等大致算出，但是第二批预应力损失是在结构服役过程中由预应力筋的松弛、混凝土的收缩徐变等因素产生的，它随结构服役的时间增加而增加，无法通过理论进行精确计算。有效预应力过小轻则引起结构下挠严重，影响结构的正常使用，重则导致桥梁的垮塌，危害人们的生命财产安全，因此，在役结构的有效预应力检测是结构安全使用的关键因素。
　　1 有效预应力无损检测研究现状
　　无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能、不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法[1]。对于结構内预应力筋的检测，无损检测技术可分为电磁效应法、声发射技术、超声波检测技术、形状记忆合金技术、拉脱法、振动法和智能钢绞线检测法等。 　　1.1 电磁效应法
　　电磁效应检测法是以电场变化为原则来探究物体的工作状态，美国学者Ghorbanpoor AI[2]于1998年首次将电磁效应法用于在役预应力结构的预应力筋检测，其基本原理是利用预应力筋的应力损失导致其磁通量的变化，进而使其周围感应电场的改变，通过检测此感应电场可得到预应力筋的应力变化，该方法可以通过远程控制电脑连接现场的感应电场检测设备，实时监测在役结构中预应力筋的应力状态。张立永[3]基于磁弹效应原理，利用磁弹传感器针对云南省昭通市新建牛栏江特大桥进行现场预应力张拉阶段试验钢束有效预应力测试，验证了此方法的有效性和可行性。
　　1.2 声发射技术
　　声发射检测技术是通过现代仪器接收和分析由结构局部损伤或变形等原因引起应变能释放产生的应力波的无损检测技术，1997年，Ahlborn[4]首次将声发射技术用于预应力筋的检测，该研究通过长期记录2片预应力混凝土梁在荷载作用下预应力筋的应力损失和应力波的频率，得到了预应力筋的应力损失值和应力波频率值随时间变化的曲线，说明了声发射技术检测预应力筋应力方法的可行性，为结构内预应力筋的检测开辟了一条新途径。但声发射波的抗噪性能差、传播距离有限，因此不适用于尺寸较大构件的检测。
　　1.3 超声波检测技术
　　由于超声波容易激发、穿透力强、操作简单等优点，超声波检测因此适用于多个领域的检测。利用超声波检测混凝土结构内预应力筋的应力状态是通过研究预应力筋内应力的大小与超声波波长的关系，再通过分析检测得到的超声波波长来探究预应力筋应力的大小。同声发射技术一样，超声波信号容易受环境的影响，因此也较少使用。
　　1.4 形状记忆合金技术
　　该技术利用部分金属具有的形状记忆效应来反映物体的受力情况，1998年Maji等人采用形状记忆合金技术反映力筋的受力性能，并利用镍一钛合金的智能特性对预应力进行补偿[5]，但该方法不适用于在役结构中没有使用形状记忆合金的预应力筋。
　　1.5 拉脱法
　　拉脱法是对预应力结构外露部分的预应力筋进行反拉，通过分析张拉过程中预应力筋的荷载-应变曲线来反映预应力筋的应力大小，由于对预应力筋张拉工艺简单以及原理清晰明了，无需繁琐的理论推导计算，因此拉脱法是目前工程中比较常用的方法。但此方法只适用于无粘结预应力混凝土结构，对于灌漿后的有粘结预应力结构来说，端部张拉很难使结构内部预应力筋产生应变，因此拉脱法不再适用。
　　1.6 振动法
　　振动法的基本原理是激励结构内的预应力筋使其产生振动信号，通过分析振动信号的振动频率来探究预应力筋的应力状态。该方法由于锚具的不同会使预应力筋产生的振动信号产生差异，因此应用范围不是很广。
　　1.7 智能钢绞线法
　　该方法是在预应力钢绞线加工制作过程中嵌入光纤/光纤光栅传感器，利用光纤/光纤光栅传感器应变的敏感性来检测钢绞线的应力状态[6]，虽然此方法对预应力筋的应力检测比较精确，但不适用于没有使用智能钢绞线的在役结构。
　　2 有效预应力有损检测研究现状
　　有损检测在检测时会对构件产生轻微损伤，通过分析损伤后构件的受力状态反推损伤前构件原本的受力状态，从而评估构件的工作性能。预应力筋的有损检测技术有应力释放法、开裂力矩法、横张增量法等。
　　2.1 应力释放法
　　是指对预应力筋事先进行人为的局部损伤，通过分析由设备检测到的损伤部位附近应力或应变数据，从而获知预应力筋的工作应力状态，应力释放法可根据在预应力筋上的损伤形式又可细分为剥层法、套孔法、钻孔法、盲孔法、开槽法和SSRHT检测法。此类方法在力学理论推导上较为复杂，因此较多出现在学术研究中，而在实际工程应用中较少。
　　2.2 开裂力矩法
　　该方法的原理是结构内预应力筋的应力大小与结构的开裂弯矩有关，通过测量结构的开裂荷载则可评估预应力筋应力的大小，2012年GP Osborn[7]基于此原理开展了有效预应力测试实验，并将测到的应力与美国公路桥梁设计规范（AASHTO LRFD）中计算出的应力对比，结果误差在10%以内，说明该方法的可行性。但该方法对结构的损伤较大，因此也无法广泛地应用于实际工程中，后续的相关研究也较少。
　　2.3 横张增量法
　　该方法是基于静力学原理，推导预应力筋横向力内部张力的关系，通过测量横向力大小来考察预应力筋的有效应力[8]。李世安[9]等利用此方法对华东地区某桥梁进行了有效预应力检测，得到良好的结果。但该方法比较适合于检测预应力结构中的体外预应力筋应力大小，而对结构内部有粘结和无粘结预应力筋则无法测量。
　　3 有效预应力检测方法总结
　　总的来说，有损检测方法由于会对结构带来损害等原因而逐渐被无损检测方法代替，同时，由于现代信息技术的飞速发展，对结构的实时在线监测为了解结构的运营情况带来方便。基于磁弹法检测结构的有效预应力具有抗干扰能力强、检测精度高、稳定性好等优点，或可成为有效预应力检测的主要方法。
　　参考文献：
　　[1]雷毅，丁刚，鲍华，等.无损检测技术问答[M].北京：中国石化出版社，2013：1.
　　[2]Ghorbanpoor AI. Magnetic-based NDE of steel in prestressed and post-tensioned concrete bridges[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， 1998.
　　[3]张立永.基于磁弹法的连续刚构桥预应力无损检测技术研究[D].重庆交通大学，2015.
　　[4]Ahlborn T M， Shield C K， French C W. Full-scale testing of prestressed concrete bridge girders[J]. Experimental Techniques， 1997，21（1）：33-35.
　　[5]曾有艺.预应力摩阻损失及其对预应力混凝土连续刚构桥受力性能影响的研究[D].长沙理工大学，2009.
　　[6]董海.大跨度预应力混凝土结构应力状态监测与安全评估[D].大连理工大学，2013.
　　[7]G P，Osborn， S， M. ASCE， Pual J. Barr， Residuall Prestress Forces and Shear Capacith of Salvaged Prestressed Concre[J].American Society of Civil Engineering，2012.
　　[8]郭琦，贺拴海.基于横张增量法的混凝土桥梁有效预应力检评技术研究[C]//中国公路学会桥梁和结构工程分会全国桥梁学术会议.2010.
　　[9]李世安，贺拴海，宋一凡.在役PC梁桥现存应力测试与研究[J].武汉理工大学学报，2012，34（02）：96-100.
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