无粘结预应力混凝土斜交板桥现存预应力测试及数值模拟.pdf

2 0 1 4年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng l 7 文章编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 1 7 0 4 无粘 结预 应力混凝土 斜 交板桥现存预应 力 测试及 数值模 拟 王 玉田 ， 陈惟珍 ， 姜福 香 ， 李福如 ( 1 同济 大学 土木工程学院 ， 上海2 0 0 0 9 2 ； 2 青 岛理工大学 土木工程学 院 ， 山东 青 岛2 6 6 0 3 3 ； 3 山东省公路桥梁建设有 限公司 ， 山东 济南2 5 0 0 0 0 ) 摘 要 ： 基 于 应 力释 放 法 ( 刻槽 法 ) 原 理 ， 针 对 一 座 已服 役 1 4年 的 无 粘 结预 应 力 混 凝 土斜 交板 桥 ， 在 中 断 交通情 况 下 ， 对 梁板 底 部 混 凝 土 的 工 作 应 力 进 行 了现 场 测 试 。 同时 ， 基 于 实桥 材 料 和 结构 参数 ， 利 用 Mi d a s F E A 3 0建立有限元模型 ， 对 自重和预应力作用下混凝土的工作应 力进行 了模拟。结果表 明， 刻 槽 法分 级切 割获 得 的应 变释放 曲线 ， 可 以很 好 地反 映 出测 点处应 力释 放 的过 程 ， 并较 准确 地获得 在 役预 应 力混 凝 土的 工作 应 力 ； 实例 桥 梁混凝 土工作 应 力数值模 拟 结 果与 实测 结果 接近 ， 由此估 算 出 当前 的现 存预 应 力 约为 最初 张拉控 制 应 力的 8 6 9 3 ( 1 0 6 7 1 8 M P a ) 。对 于 张拉 控 制应 力 与设 计 值存 在 较 大误 差 或预 应 力损 失与 理论值 存 在偏 差 的复 杂结 构 ， 同样 可 用混 凝 土 工作 应 力现 场 测 试 与 有 限元 模 拟 分析 相 结合 的 方法估 算 现存预 应 力 。 关键 词 ： 无 粘 结预应 力混凝 土斜 交板 桥现 存预 应 力 应 力释 放数 值模 拟 中图分 类号 ： U 4 4 8 3 5文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 9 0 6 在役桥梁现存预应力的大小是反映桥梁使用安全 性 的重 要指 标 。 当前 ， 大 多 通 过 理论 计 算 预应 力 损 失 来推 测 桥梁 结构 的现 存 预 应 力 。然 而 ， 实 际 的桥 梁 结构 由于外 界 环境 、 施工 误差 及超 载 等影 响 ， 不可 避免 地存 在 内部 缺 陷 、 材 料 劣 化 、 结 构 损 伤 等 病 害 ， 实 际 的 现存预应力值与理论计算值往往存在较大的差异。通 过测 定 实 际结 构 的混凝 土工 作应 力进 行理 论 推算 是确 定现存预应力的有效方法， 也是既有结构可靠性评定 的重要 指标 。 。 国 内外 学 者 已经开 展 了用混 凝 土应 力释 放法 检测 混 凝 土结构 工 作应 力 ， 进 而 确 定 现 存 预 应 力 的 理论 和 试 验研 究 ， 并取 得 了一些 成 果 。王柏 生 等 就 开槽 法 用 于 混凝 土工 作应 力 的测 试 进 行 了试 验 和 数值 模 拟 ， 重 点 就开槽 深 度 、 开槽 方式 、 影 响 因素 和修 正方 法等 问 题 展 开研 究 。黄 福 伟 等 首 次 将 应 力 释 放 法 应 用 于 无 粘 结部 分预 应 力空 心板 桥梁 结构 混凝 土 的现 存预 应 力 检 测研 究 。 本文 针对 一 座 已服 役 l 4年 的无 粘 结 预 应 力 混 凝 土斜交板桥 ， 采用刻槽法对 梁底混凝土工作应力进行 了现场测试 ， 并利用 Mi d a s F E A 3 0对 测试板梁进行 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 1 - 2 3 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 4 - 0 5 - 2 0 作 者简介 ： 王玉田( 1 9 7 2 一) ， 男 ， 河南南 阳人 ， 高级实验师 ， 博士 。 了数值模拟 ， 通过试验结果 和数值模拟结果的对 比分 析提 出了现存 预应 力 的估 算方 法 。 l 工 程 概 况 本 文实例 桥 梁为 青 岛胶州 湾 高速公 路 与滨 海路 相 交处 的一 座分 离 式立 交桥 。该 桥 建成 于 1 9 9 5年 ， 上 部 结构 采用 后 张无 粘结 预 应 力 混 凝 土 斜 交 空 心 板梁 ， 斜 交 角度 为4 2 4 3 7 8 6 。 。标 准跨 径 为 2 2 0 0 m， 计 算跨 径 为 2 1 3 6 m， 横 向全 宽 1 2 0 0 m， 共 有 1 1片 空 心 板 梁 ， 板 梁 间采 用 漏 斗 形 的 混 凝 土 铰 缝 联 结 。按 汽 车 超 2 O级设 计 ， 挂 车一 1 2 0级 验算 。预 制 板 梁 平 面 布 置 见 图 1 ， 中间板 梁横 断 面具体 尺 寸见 图 2 。 3 桥墩支座中心线 2 桥墩支座中心线 图 1 预制板梁平面布置 2板梁混凝 土工作应力现场测试 2 1刻槽 法基 本 原理 刻槽 法是 依 据 局 部 应 力 释 放 法 的 力 学 原 理 。 ， 在测试点周围开一足够深度 的槽 ， 使测点处 的局部工 l 8 铁道建筑 f 9 5 , 5 X 16 09 9 0 9 5 f 图 2 3 中板构造( 单位 ： c m) 作 应 力完 全释放 ， 对 于平 面 工作应 力状 态 ， 开槽 前可 在 测点处粘贴电阻应变花 ， 以测量应变释放值。再根据 弹性力 学 理论 ， 计算 出测 点 处 应 力 释放 前 原 有 的主 应 力大 小和 方 向。 假设 应变 ， 与 主应 变 的 夹 角 为 (自主 应 变 轴 绕 0点逆 时 针旋 转 为 正 ) ， 各 应 变 片之 间 的夹 角 为 0 ， 则实测应变释放值 s ， s ， 占 ， 与主应 变 I ， 8 之 间存 在式 ( 1 ) 所 示 的关 系 s = A + Bc o s 2h 2=A+B( c o s 2 b c o s 2 0一s i n 2 , s i n 2 0 ) ( 1 ) =A+B( c o s 2 0c o s 4 0一s i n 2 Os i n 4 0 ) 式 中 ： A=( 8 I+占 ) 2 ； B=( s I s ) 2 。 显然 ， 由式 ( 1 ) 求 出 A， B和 值 ， 即可得 到 主应 变 s 和 s 的大 小 和方 向 ， 进 而可 得 到主应 力 。 ， ： o r l = ( s 1+ 2 ) E ( 1一 “ 2= ( 2+ 1 ) El ( 1一 ) 2 2测 点布 置及 应 变花设 置 在 现 场 采 用 刻槽 法 对 该 桥 第 2跨 3 中板 进 行 应 力 释放 ， 测试 板底 混 凝 土工 作 应 力 。试 验 过 程 中交 通 中断 ， 预应 力板 梁处 在 恒 载 ( 包 括 结 构 自重 、 桥 面 铺 装 及预应 力 ) 作用 的状态 下 。测点 布 置 原 则 为全 跨 均 匀 布置 ， 在板 梁纵 轴线 上 1 4跨 、 跨 中及 3 4跨 布 置 3个 测 点 。 根 据 本桥 的斜 交 角 度 ( 4 2 4 3 7 8 6 。 ) ， 试 验 中应 变 花布设 采 用三 片式 ， 位 置关 系如 图 3所 示 。根 据 所 贴 应 变 花 的大小 取 槽 框 尺 寸 为 2 0 c m 2 0 c m。按 照 单 层 刻 槽 深 度 为 5 m m 进 行 对边 切 割 ， 以防 止应 力 释放 的不 均匀 性 。并 实 时 用 游 标 卡 尺 和 钢 尺 测 量 刻 槽 深 度 ， 并 读取 静 态应 变仪 采集 的应 变 释放值 。 2 3测试 结 果及分 析 试验 所得 各测 点 的应 变释 放值 与刻 槽深 度关 系 曲 线如 图 4所示 。 图 3测点应变花和主应力方 向( 0 =6 8 7 8 1 1 。 ) f b 一 一 一 j 四 一 一 懿 刻槽深度 c m 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 刻槽深 度 c m 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 f l _ _ 趔 通 鞋 图 4试 验 所 得 应 变 释 放 曲线 不难 发现 ， 各 级 刻槽 深 度 对 应 的各 测 点 的 纵 向应 变释放值均远大于其横 向和斜 向应变释放值 。在应力 释放 的初 期 ， 3个 方 向的 应 变 变 化 均 较 缓 慢 。 当 刻槽 深度 达 到 2 53 0 c m 时 ， 3处 测 点 各 方 向 的应 变 释 放值 均迅 速增 加 ， 这 主 要是 因为 刻 槽 深 度 此 时 已达 到 或 接近板 梁 底部 的普 通 纵 筋 位 置 ， 混 凝 土 保 护 层 遭 到 破 坏 ， 钢 筋 与? 昆 凝 土 之 间的协 同受 力作 用受 到影 响 ， 板 梁底 部 的混 凝 土应力 从 而被 快速 释放 出来 。 当刻槽 深度 超 过 4 0 c m后 ， 由于 刻槽接 近 预应 力 筋 孔道 壁 ( 4 7 c m处 ) ， 普 通 钢 筋 已被 切 断 ， 槽 线 范 围 2 0 铁道建筑 表 3试 验 与 有 限元 分 析 结 果 比 较 MP a 0 3 0 0 MP a ， 相 对差 分别 约 为 6 4 和 2 6 ， 主压 应 力 相 对差 值较 小 。 通 过对 比分 析不 难 发现 ， 模 型计算 所得 1 4跨 、 跨 中 、 3 4跨 位置 底 面混凝 土 主压 应 力 、 主 拉 应力 与 试 验 值 接 近 ， 特 别是 主 压 应 力 ， 其 相 对误 差 值 均 5 。这 说 明有 限元 模 型 分 析 结 果 和 实 测 结 果 可 以得 到 相 互 验 证 。 4 现存 预应力 的估算 斜板桥受力较复杂 ， 与正交板桥存在较大的差异。 在实 际工 程检 测 中 ， 可 首先 采用 应力 释放 方法 ， 根据 现 有切 割机 具 的型号 ， 以一定 的切 割深 度分 级切 割 ， 并 记 录每 一级 切割 完毕 时 测 点 应 变 花 的各 向应 变 值 ， 预 测 未切割时测点处的主应 力值 ； 然后建 立结构 的有 限元 分 析模 型 ( 特别 注 意 的是 模 型 参数 应 采 用 实 测 的桥 梁 材料与结构参数) ， 通过有限元分析 ， 计算出结构现存 有 效 预应 力 的大小 ( 张拉 控 制 应 力扣 除现 阶段 预应 力 损 失 ) 。本 实例 桥 梁 的预 应 力 损 失约 为 最 初 张拉 控 制 应力 的 1 3 0 7 ， 即现存 预 应力 约为 1 0 6 7 1 8 MP a 。 若有 限元 分 析得 到 的主应 力结 果 与实测 结果 相 比 偏差较大， 应仔细分析原因 ， 在确保测 试无误 、 模 型其 他参 数取 值合 理 的前 提 下 ， 可 认 为 是 由于 施 工 或运 营 期 间的某 些原 因导 致 的实 际预应 力 与设 计 张拉控 制应 力存 在误 差或 实 际预应 力 损失 与 预应力 损失 理论 值 之 间存在偏差。此时 ， 可在模 型中通过调整张拉控制应 力的大小， 反复试算 ， 直至有限元分析结果与实测结果 接 近为 止 。根据 调整 之后 的张 拉控 制应 力 和预 应力 损 失值可以方便地估算出结构现存预应力 的大小 。 5 结 论 1 ) 应力 释放 法 ( 刻槽 法 ) 测试 混 凝 土 工作 应 力 时 ， 通 过分 级切 割获 得 的应 变 释放 曲线 ， 可 以很 好 地 反 映 出测点 处应 力 释放 的 过程 ， 较 准确 地 获 得 在 役 预 应 力 混 凝土 结构 的工 作应 力 。 2 ) 采用 Mi d a s F E A 3 0建模分析结果表明 ， 实例 桥 梁混 凝土 工作 应力 有 限元分 析结 果 与 刻槽法 实 测结 果接近， 两者有很好的可比性 ， 由此估算出当前 的预应 力 损失 约 为 最初 张 拉 控 制 应 力 的 1 3 0 7 ， 即 现 存 预 应 力 约为 1 0 6 7 1 8 MP a 。 3 ) 通过 混 凝 土 工 作 应 力 现 场 测 试 与 有 限 元 模 拟 分 析相 结合 的方法 ， 可 以很 方 便 地 对 实 际 张 拉控 制应 力与设计值存在较大误差 ， 或预应力损失与理论值存 在 偏 差 的复杂 结构 的 现存预 应 力进行 估 算 。 参 考 文 献 1 刘龄嘉 ， 贺拴 海 ， 赵 小星 在役 混凝 土简支 梁有效 预应 力计 算 J 交通运输工程学报 ， 2 0 0 5 ， 5 ( 3 ) ： 4 7 5 1 2 杨勇 ， 王灿 ， 朱新实 既有桥梁 结构 混凝 土现存 应力测 量与 分析 J 同济大学学报 ， 1 9 9 4， 2 7 ( 2 ) ： 1 9 8 2 0 2 3 王标才 基于应力释放 法 的预应力 空心板 桥现 存应力 监测 的模型试验研究 D 重庆 ： 重庆交通 大学 ， 2 0 0 9 4 王柏生 ， 沈旭凯 ， 林 湘祁 开槽 法测 试混凝 土工 作应力 的试 验研 究 J 浙 江 大 学 学 报 ： 工 学 版 ， 2 0 1 0 ， 4 4( 9 ) ： 1 7 5 5 1 7 59 5 黄福伟 ， 王标才 无粘结 预应力空心板桥混凝 土现存 预应力 检测 的计算分 析 J 公 路交通技术 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 8 1 8 3 6 付波 ， 向洪 ， 袁铜 森 钢 筋混 凝 土 桥梁 工 作 应 力测 试 研 究 J 湖南交通科技 ， 2 0 0 7， 3 3 ( 2 ) ： 6 8 7 1 7 刘永淼 ， 王柏生 ， 沈旭凯 环孔法 检测混凝 土 工作应 力 的试 验研究 J 建筑结 构学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 增 2 ) ： 7 7 6 7 7 8 ， 7 8 2 ( 责任 审编 孟庆伶) 本 刊 自2 0 1 4年 1月 1日起 开始 使 用在 线投 稿 系统 ， 网址 h t t p ： w w w t d j z o r g 。如 遇 网络 或 系统故 障 ， 作者 可 继续通过电子信箱 t d j z b j b 1 2 6 t o m或 t d j z r a i l s a n投稿。 铁 道 建筑 编 辑部