《武汉工程大学学报》 2008年04期
62-64
出版日期：2008-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
利用钻孔法估算在役混凝土结构现存预应力
0引言在役混凝土桥梁结构的可靠性评估中，有效预应力检测一直是较难解决的问题.国内外学者曾采用以下方法检测有效预应力：SSRHT（steel stress relief hole technique)法、形状记忆合金(SMA)技术、声发射技术、电磁效应检测法、灰色理论、概率分析法、灵敏度分析法、动力测试法、应力释放法等.应力释放法来评定预应力混凝土结构是近两年发展起来的新课题.应力释放法的原理是将具有残余应力部分用一定的切割方法进行局部地分离，测定残余应力被局部释放时的变形然后应用弹性力学原理来计算残余应力，这种方法属破损性或半破损性测，常用于土木工程的应力释方放法有切割法、开槽法、钻孔法等［1～3］.其中钻孔法测量残余应力是由德国学者J.Mathar于1934年提出的，现己得到广泛应用.它具有操作简便、测量方便、对构件损伤程度小等特点.本文提出将钻孔法应用于有效预应力检测中，利用通用有限元软件ANSYS对施加偏心直线预应力简支梁的实际有效预应力进行研究与分析.1基本思路与技术途径本文要解决的问题可以描述为假设有一在役预应力混凝土单梁，该梁被预应力钢绞线施加一预应力，随着结构的使用及其时间的延续，预应力会产生一定损失，现欲估算该结构现存预应力的数值.本文提出的基本思路是在梁的跨中底部利用钻孔法开挖具有一定孔径的小孔，钻孔周边混凝土表面附近布置应力测点，测定钻孔开挖前及其过程中孔边混凝土表面应力，推算出现存预应力的大小.2有限元分析计算与拟合2.1几何建模描述本文采用通用有限元软件计算预应力简支梁梁底孔洞周边的应力状态.在进行有限元计算分析时，单元采用solid95；混凝土弹性模量Ec取用3.3×107 N/mm2～3.65×107 N/mm2，混凝土的泊松比取0.2；边界条件采用简支梁的形式；模型只考虑自重以及预应力荷载，预应力荷载值根据实际计算需要而定.人为的控制单元大小的划分.计算模型与有限元模型如图1所示，比较普通有限元建模(见图1(b))和采用子模型技术建模(见图1(c))，发现采用子模型后大大减少了工作时间，并有效的提高了计算精度.因此本文有限元建模采用子模型技术.图1中圆孔的半径r取值范围（24～100 mm），梁宽2w取值范围(80～666 mm)，梁高h取值范围(400～600 mm)，梁长L取值范围(3000～6000 mm)，预应力钢筋偏心距e取值范围(0～100 mm). （a） 计算模型
（a） Computional model（b） 整体模型
（b） Overall model（c） 子模型
（c） Submodel图1计算模型及有限元模型
Fig.1Computational model and finite element model本文计算分析了固定其它参数，变化其中某一参数的若干模型.2.2应力比值系数的定义参照应力集中系数作者自定义了一个应力特征值K，将钻孔后B点处的应力值定义为σmax，将钻孔前B点的应力值定义为σnom，应力比值系数K即为K=σmaxσnom.
第4期刘忠亚，等：利用钻孔法估算在役混凝土结构现存预应力
武汉工程大学学报第30卷
3计算结果分析与讨论3.1计算结果分析图2（a）、（b）分别给出了同一模型（C5）不同孔径和同一孔径不同模型（C4～C7）下应力比值系数沿厚度的变化情况，发现孔的深度只要达到孔径的1.2倍，残余应力就可以完全释放出来，因此没有必要把孔钻穿.(a) 同一模型（C5）(b) 不同模型（C4~C7）
图2应力比值系数沿厚度的变化情况
Fig.2The variance of permanent prestress ratio with depth对模型的有限元分析发现，应力比值系数与预应力大小、梁高、梁长、混凝土弹性模量、偏心距均无关系，只与孔径与梁宽有关，如图3所示.图3孔径与应力比值系数的关系
Fig.3Relationship between hole radius prestress ratio从图3可以看出，孔径小于17 mm时，应力比值系数随着孔径的增大略有增加，当孔径超过17 mm时，应力比值系数随着孔径的增大而减小；从图4看出应力比值系数随着梁宽的增加而呈非线性增大的趋势.图4梁宽与应力比值系数的关系
Fig.4Relationship between beam width and prestress ratio3.2应力集中系数与各参数的近似关系基于以上的有限元分析研究，把梁宽与孔径对应力比值系数的影响分离开来加以分析，分别进行梁宽与应力比值系数（w～K）的回归分析，孔径与应力比值系数（r～K）的回归分析. a.w～K回归K=1.687×10-12×w5-2.049×10-9×
w4+9.723 7×10-7×w3+0.000 22×
w2+0.025 1×+1.043 9
相关系数R：R=0.999 2；方差S：S=0.002 1b.r～K回归K=r1.295+0.295×r+0.004 6×r2相关系数R：R=0.9993；方差S：S=0.0043从w～K回归及r～K回归结果可以看出，梁宽、孔径与应力比值系数有较好的相关性，相关系数达到0.999以上，规律性较好.联合w～K、r～K的回归分析，将w/r作为函数的自变量，K作为函数的应变量，拟合函数如下，w/r～K回归曲线见图5.
K=-63.654+85.360×wr-10.256×wr2+0.456×wr3-25.203+37.630×wr-4.444×wr2+0.194×wr3图5w/r～K回归曲线
Fig.5w/r～K regression curvilinear本文在处理数值模拟数据做回归时，相关系数在0.999以上，说明构造函数是非常可靠的.显然，如果能测出梁底表面孔边B点的应力集中值，根据K=σmaxσnom就可以方便的得到混凝土梁底表面初始应力值σhyx，由σhyx=Ny2wh+Nye2wh2/6从而实现对有效预应力的估算.4结语a.利用钻孔孔边应力集中现象可以准确推算在役混凝土结构现存预应力；b.对于预应力混凝土梁这种三维实体，钻孔深度达到孔径的1.2倍，残余应力就可以完全释放出来，因此在实际测量中钻孔深度只要达到钻孔直径的1.2倍即可.c.通过有限元模拟与数值分析，发现所定义的应力比值系数只与梁宽和孔径有关，与其他因素均无关，通过回归分析得到一个近似解析式K=f（w/r），相关系数在0.999以上，方差0.001 5，可以认为是非常可靠的，为有效预应力的估算提供了理论基础.