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基于应力释放法的有效预应力检测技术研究

日期：2016-8-9 10:01:28　来源：转载　浏览数：
　

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    预应力混凝土结构主要依靠预应力筋提供的有效预应力来保证结构的安全，因此对有效预应力的定期检测显得尤为重要。但是由于预应力筋往往都埋藏在混凝土结构内部，老式的检测方式一般都采用钻口、暴露、检测的方法了解预应力的损失情况。这种方式存在很大的问题: 其一就是要破坏梁体，可能造成事故隐患。其二，测试方法本身就有可能造成预应力筋的损坏或应力流失。其三，对于顶板的监测可能要封堵交通，对于底板的监测如果底板临空过高又难以实现。基于以上原因，应力释放法的研究脱颖而出，为有效预应力的无损检测提供了新的方向。
    1· 基本原理
    1. 1 基本理论
    应力释放法的基本原理是对有初始约束应力的构件，采用机械环状封闭切割的方法使得约束产生的应力被释放，测试仪器对切割前后构件的应变进行测试，根据材料的本构关系即可得到构件的应力状态。本构模型采用国际上常用的非线弹性模型，这类模型的特点就是应力和应变不成线性正比关系，但是却存在一一对应关系。同时认为，卸载时材料应变沿加载线返回，不留残余应变，见图1。

    1. 2 测试方法及测试流程
    测试方法一般包括截条法、切槽法和钻孔法等。通过混凝土纤维释放应力获知当前截面应力状况，从而实现预测截面有效预应力合力效应。本文以切槽法为例进行测试原理的介绍。在切槽法中不同位置又对应着不同的实验方案，我们又将其分为试件棱角部分的测试和试件平面中心部分的测试，其试验方案详见下图2。

    2· 试验研究
    2. 1 试验概况
    实验依托西安长大公路工程检测中心陨石高速中心实验室完成，由于篇幅原因重点介绍应变计位于中间部位的试验。试验期间采用长安大学桥梁系王建华教授开发的HJ 型系列应变测量计( 图3) 进行应变测量。该传感器采用全桥电路，与普通应变片相比具有数据稳定，受构件表面温度变化影响小等优点。主要试验仪器见表1。

    2. 2 试验过程和工况简介
    试验模型采用混凝土立方体试块进行，其设计及制作几何、物理特性参数如表2 所示。

模型试块的构造及实验原理图如图4，图5 所示。室内模型梁及试验过程见图6 所示。

其中应变计如6 图所示，处于混凝土试块中间部位。压力机加载使混凝土产生一定应力( 如同预应力筋在混凝土结构上产生的预应力) ，当加载至设计值时稳定一段时间即可以切缝释放。随着切缝深度的变化分阶段测试应变值。为了消除切割过程中温度对试验结果的影响可边切割边浇水冷却。试验分四种工况进行，具体工况情况见表3 所示。

四种工况如图7 所示。

    2. 3 试验结果分析
    在进行试验之前，我们先采用相关有限元分析软件Abaqus 对本实验进行实体有限元分析，如图8 所示，通过实体模型分析充分证明了切割对阻断应力和应变传递的效力，反映了该实验设计的合理性。

    试验数据如表4 所示，其中应力释放比为应力释放后应变测试值与应力释放前应变初始值之比，用于反映随时间变化应力释放的趋势。经过反复试验发现，切割完后一般经过5 min，应力衰减会基本趋于稳定，所以拟分四个时间段进行数据采集，即: 刚切割完( 0 min) 、切割后1 min、切割后3 min 和切割后5 min。
    将四种工况的试验结果列入图表进行比较，如图9、图10 所示。

    由上图看出，第1 min 是主要释放时间段，之后释放速率逐渐趋于稳定; 且由试验过程的观察和数据可知: 切槽越深释放越彻底，而且切槽深度和释放效果在槽深3 cm 内基本呈倍数关系。由大量实验验证，当切槽深度达到3 cm 以上时切槽深度对应力释放速率和比例的影响区别微乎其微，而且最后都会残余25%左右的应力不能完全释放。当凿出试验区试块时，由图可知，应力基本可以全部释放。因此，在以后的研究或实际工程中应注意各项因素对第一分钟的影响以及3 cm 的槽深和凿出中间段的研究。
    3· 结论
    通过实验及实验数据分析发现，切缝由浅到深的逐渐变化与应变片上的应力随时间逐渐散失程度呈非线性变化，而且当切缝深度达3 cm 时，应变片上的残留应变一般会稳定在总应变的1 /4 左右，且数据较为稳定可靠，对由混凝土的本构关系推导现存应力具有一定的指导意义。对于棱角边部的实验，由于可将安装应变计的部分混凝土凿出，达到与母体混凝土的完全脱离，因此可以较为准确的检测应力; 对于面中心部的实验，应尽可能采取措施将安装应变计部分混凝土切割下来与母体混凝土分离; 也可继续研究3 cm至凿出之间段的规律，利用其残余1 /4 不可耗散应变的试验数据，结合实践推倒出一个合理的修正系数，以期达到准确计算有效应力的效果。