張志國(guó)，吳冀橋，張彩亮，許 琪，陳葉鑫，王澤遠(yuǎn)

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3.武漢江騰鐵路工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430063；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

近年來(lái),預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于橋梁、巖土等工程領(lǐng)域,有效預(yù)應(yīng)力大小是衡量在役預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工作性能的重要指標(biāo)。鋼絞線作為鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中預(yù)應(yīng)力的主要載體,準(zhǔn)確識(shí)別其有效預(yù)應(yīng)力是在役鐵路橋梁安全性評(píng)判的重要內(nèi)容,可降低結(jié)構(gòu)因預(yù)應(yīng)力失效而造成的梁體開(kāi)裂甚至坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)[1]。另外,國(guó)內(nèi)諸如大秦鐵路、朔黃鐵路等面臨重載改造,鐵路橋梁中預(yù)應(yīng)力鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力大小的識(shí)別對(duì)改造工程也有重要參考作用[2]。劉永前等[3]對(duì)朔黃鐵路等重載鐵路常用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁梁端斜裂縫的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)梁端最大主拉應(yīng)力及剪應(yīng)力隨梁體預(yù)應(yīng)力損失的增大而增加,尤其在梁端截面中性軸附近位置處的最大剪應(yīng)力增幅極為明顯,是梁端斜裂縫產(chǎn)生的重要因素。薛繼連[4]通過(guò)對(duì)朔黃鐵路39座橋涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位試驗(yàn),以及對(duì)更換下來(lái)的32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行靜載開(kāi)裂試驗(yàn),分析不同跨度及截面高度橋梁在大軸重載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并提出采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁體來(lái)提高其抗裂性能。目前,國(guó)內(nèi)外識(shí)別鋼絞線有效應(yīng)力的方法眾多,按照檢測(cè)方法特性可分為直接檢測(cè)和間接檢測(cè),直接檢測(cè)法是利用檢測(cè)儀器直接拾取鋼絞線的位移、電磁、聲、波等物理信號(hào),通過(guò)這些物理信號(hào)和鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系,由此直接得到鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的大小,常見(jiàn)的直接檢測(cè)方法有拉脫法、橫張?jiān)隽糠?、振?dòng)法、波動(dòng)法、電磁檢測(cè)法、超聲導(dǎo)波法、切割法等,這類方法存在較苛刻的使用條件,精度受測(cè)試過(guò)程影響較大、理論基礎(chǔ)尚不完善,有的方法還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成較大二次損傷等問(wèn)題,導(dǎo)致難以在既有預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)中得以廣泛推廣。間接檢測(cè)方法常見(jiàn)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁的有效預(yù)應(yīng)力識(shí)別,建立有效預(yù)應(yīng)力和梁體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性之間的關(guān)系,通過(guò)一定手段檢測(cè)混凝土梁的性能再反算出鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力大小,常見(jiàn)的間接檢測(cè)方法有:局部應(yīng)力釋放法、消壓彎矩法、動(dòng)力測(cè)試法、等效質(zhì)量法等[5]。由于混凝土材料本身的復(fù)雜性能特征,以及其性能還會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生徐變和劣化,加之預(yù)應(yīng)力多束配置的相互影響,通過(guò)性能檢測(cè)再間接反推預(yù)應(yīng)力的方法本身存在著先天不足,不可避免地會(huì)造成較大離散性和系統(tǒng)誤差,實(shí)際測(cè)試精度如何保證尚需進(jìn)一步展開(kāi)研究。另外,間接法還需要施加較大的載荷試驗(yàn),這在實(shí)際工程中,尤其對(duì)已存病害的橋梁實(shí)施具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患,甚至是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

綜上所述,盡管針對(duì)鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力已經(jīng)探索了很多不同的檢測(cè)方法,但尚未形成一種公認(rèn)的有效方法。鑒于當(dāng)前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一種簡(jiǎn)單有效、普適性強(qiáng)、精準(zhǔn)可靠的鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)方法,本文在已有研究基礎(chǔ)上,提出采用盲孔法識(shí)別鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的方法,以期在檢測(cè)精度和對(duì)梁體局部破損之間尋找平衡點(diǎn),建立一種新型的局部損傷檢測(cè)方法。這種局部損傷不至于對(duì)橋梁性能造成影響,而且可根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行修補(bǔ)恢復(fù)。

盲孔法屬于局部應(yīng)力釋放法中的一種,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)力釋放法已有系列研究。1934年,Mathar[6]首次提出通過(guò)測(cè)量構(gòu)件鉆孔后孔邊應(yīng)變來(lái)確定金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力,后由Soete等[7]發(fā)展完善而形成較系統(tǒng)的理論方法。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,逐漸形成了盲孔法、鉆孔法、環(huán)孔法、剝層法、開(kāi)槽法等多種對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力釋放及殘余應(yīng)力識(shí)別的方法。Mainjot等[8]提出采用積分法來(lái)檢測(cè)不均勻殘余應(yīng)力場(chǎng)的殘余應(yīng)力,擴(kuò)大了盲孔法檢測(cè)金屬殘余應(yīng)力的適用范圍。

盲孔法從早期的檢測(cè)金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力發(fā)展到現(xiàn)在的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件檢測(cè)。1999年,楊勇等[9]提出了使用應(yīng)力釋放法計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力損失值的思路,并運(yùn)用該法對(duì)某預(yù)應(yīng)力T形剛構(gòu)橋進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)。2003年,戴福隆等[10]提出用云紋干涉法測(cè)量位移信息代替應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變信息來(lái)確定鉆孔法的孔周殘余應(yīng)力,得到了鉆孔釋放的位移與殘余應(yīng)力的關(guān)系。2009年,劉玲晶[11]對(duì)一片3 m長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了環(huán)孔法試驗(yàn)研究,分析了鋼束位置對(duì)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力釋放值的影響,并給出了估算現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式。2010年,英國(guó)學(xué)者Schajer[12]分析總結(jié)了鉆孔法這些年取得的進(jìn)展,并指出在有著先進(jìn)溫度控制、振動(dòng)隔絕的實(shí)驗(yàn)室中利用光纖技術(shù)測(cè)量鉆孔表面微量位移將成為有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)未來(lái)的發(fā)展方向。2012年,周晶[13]使用有限元軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁進(jìn)行建模,在箱梁跨中底板進(jìn)行鉆孔,分析了改變孔深、孔徑時(shí)孔周邊的應(yīng)力分布情況以及對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響。2014年,劉志勇[14]以既有鐵路簡(jiǎn)支T梁為研究對(duì)象,采用開(kāi)槽法、消壓彎矩法以及結(jié)合理論計(jì)算對(duì)試驗(yàn)梁的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了識(shí)別,證實(shí)了開(kāi)槽法在實(shí)際工程中具有一定可行性。2015年,Bl?dorn等[15]提出盲孔法鉆孔時(shí)若沒(méi)有適當(dāng)控制時(shí),可能在孔壁中引入額外的應(yīng)力,繼而影響盲孔法測(cè)量的準(zhǔn)確性。2018年,毛碩[16]通過(guò)對(duì)一片預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行ANSYS有限元建模模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相互印證的方法得出,開(kāi)槽法試驗(yàn)應(yīng)力釋放至零的切割深度與兩條平行槽間距之比為0.32～0.34,且數(shù)值模擬了相同尺寸的環(huán)孔、方孔、平行槽的應(yīng)力釋放為零的開(kāi)槽深度,發(fā)現(xiàn)開(kāi)槽深度與開(kāi)槽的方式基本無(wú)關(guān)。2019年,Lee等[17]提出一種基于應(yīng)力釋放法(SRM)和數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)相結(jié)合的混凝土結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力估算方法。與應(yīng)變計(jì)的逐點(diǎn)測(cè)量相比,DIC獲得的全場(chǎng)位移數(shù)據(jù)量更大,估算結(jié)果精度更高。2020年,馬騰[18]對(duì)聯(lián)合加載應(yīng)力釋放過(guò)程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)通過(guò)施加一定大小的荷載消壓,可以減小開(kāi)槽法應(yīng)力釋放的深度,工程上可以利用這一點(diǎn)減小開(kāi)槽法檢測(cè)有效預(yù)應(yīng)力時(shí)對(duì)梁體的損傷。

本文在金屬構(gòu)件及混凝土應(yīng)力釋放法現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,提出在鋼絞線上鉆盲孔來(lái)識(shí)別鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的方法,通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土常用七絲鋼絞線鉆孔過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算來(lái)探索鋼絞線鋼絲鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放規(guī)律,并對(duì)影響應(yīng)力釋放過(guò)程的鉆孔參數(shù)進(jìn)行影響規(guī)律分析,以獲取合適的鉆孔參數(shù),來(lái)指導(dǎo)鋼絞線實(shí)際鉆孔試驗(yàn),并驗(yàn)證鉆孔應(yīng)力釋放規(guī)律的正確性及鉆孔參數(shù)的合理性;同時(shí),據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立鉆孔后孔邊應(yīng)變釋放量與鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系,并對(duì)其誤差及其適用性進(jìn)行分析。

1 基本假定與盲孔法基本原理

基于盲孔法識(shí)別預(yù)應(yīng)力鋼絞線,主要遵循以下基本假定:

(1)線彈性假定。鋼絞線在鉆孔過(guò)程中除鉆孔位置外,其周邊材料仍處于彈性受力狀態(tài),各根鋼絲均處于彈性工作階段。

(2)均勻性假定。鋼絞線張拉后,遠(yuǎn)離邊界條件的區(qū)域,外圍鋼絲的應(yīng)力狀態(tài)基本相同。

(3)單向應(yīng)力狀態(tài)假定。鋼絞線鋼絲受拉后近似處于沿軸向單向受拉應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力釋放過(guò)程中假定各鋼絲之間接觸面摩擦系數(shù)保持不變。

本文盲孔法是借鑒在混凝土表面開(kāi)槽、鉆孔等應(yīng)力釋放識(shí)別法以及鋼板表面鉆孔反算殘余應(yīng)力方法基礎(chǔ)上,考慮鋼絞線本身結(jié)構(gòu)組成及受力特征,把張拉后鋼絞線各組成鋼絲近似看作處于軸向受拉的單向應(yīng)力狀態(tài),通過(guò)采用專用合金鉆頭在鋼絲直徑上鉆某一深度、一定直徑的盲孔后,測(cè)得孔邊釋放應(yīng)變,由此反算出鋼絲有效應(yīng)力,進(jìn)而得到整根鋼絞線有效應(yīng)力的一種方法。該法的核心是建立鉆孔釋放應(yīng)變和鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系,具體實(shí)施時(shí),可以將仿真模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,建立反映二者之間關(guān)系的擬合公式,然后隨工程應(yīng)用數(shù)據(jù)積累不斷完善。

2 鋼絞線鉆孔精細(xì)化分析模型

本文采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,模型采用8節(jié)點(diǎn)Solid185實(shí)體單元建立,將鋼絞線縱軸線方向設(shè)為z軸,將鉆孔方向設(shè)為y軸,x軸垂直于z-y軸所構(gòu)成的平面,見(jiàn)圖1。鋼絞線兩端邊界條件為一端固定,一端張拉。七絲鋼絞線的建模參數(shù)取自規(guī)范GB/T 5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》[19]與GB/T 5223—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》[20],采用1860級(jí)鋼絲和鋼絞線,具體數(shù)值見(jiàn)表1。

圖1 鋼絞線鉆孔有限元模型

表1 1×7鋼絞線幾何及力學(xué)參數(shù)

本研究主要探討鋼絞線在線彈性階段張拉鉆孔應(yīng)力釋放規(guī)律,鋼絞線鋼絲采用彈性本構(gòu)模型建模,由于模型是基于鋼絞線單根鋼絲的精細(xì)化建模,故模型彈性模量應(yīng)以單根鋼絲的為準(zhǔn),本文取鋼絲彈性模量E=2.05×105MPa。模型長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)多組仿真結(jié)果對(duì)比,綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率,選取60 mm長(zhǎng)度建模。鋼絞線之間的接觸關(guān)系采用面面接觸,通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[21],接觸單元選擇Targe170和Conta174,建立外圍鋼絲之間、外圍鋼絲與中心鋼絲之間共計(jì)12對(duì)接觸對(duì),接觸面之間的摩擦系數(shù)取0.15,考慮標(biāo)準(zhǔn)接觸行為,采用系統(tǒng)默認(rèn)的增廣Lagrange乘子法進(jìn)行接觸計(jì)算。單元網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格,對(duì)于要進(jìn)行鉆孔的鋼絲,鉆孔區(qū)域周圍網(wǎng)格尺寸采用0.1 mm,孔邊應(yīng)力釋放區(qū)網(wǎng)格尺寸采用0.2 mm,遠(yuǎn)離應(yīng)力釋放區(qū)網(wǎng)格尺寸采用1 mm,對(duì)于不需進(jìn)行鉆孔的中心直鋼絲和外圍其他5根螺旋鋼絲,網(wǎng)格尺寸均采用1 mm,網(wǎng)格劃分采用體掃略和體映射相結(jié)合方式,見(jiàn)圖2。

圖2 七絲鋼絞線鉆孔后網(wǎng)格劃分

模型的仿真計(jì)算過(guò)程為先張拉,后鉆孔。最大張拉力按工程施工常用張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fpk=1 395 MPa進(jìn)行施加,鉆孔參數(shù)由鉆孔半徑和鉆孔深度確定,將鉆孔半徑分別取0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm五種規(guī)格,鉆孔深度分別取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm五種情況,共形成25組不同孔徑、鉆孔深度的組合工況,為方便實(shí)際操作僅考慮在外絲外表面進(jìn)行鉆孔,用符號(hào)RaHb表示各組合工況參數(shù),含義為Ra代表鉆孔半徑和半徑大小,Hb代表鉆孔深度和深度數(shù)值。

3 仿真結(jié)果及參數(shù)影響分析

3.1 鋼絞線鉆孔應(yīng)力釋放仿真計(jì)算結(jié)果

為便于描述仿真試驗(yàn)結(jié)果,作如下定義:將鋼絲節(jié)點(diǎn)距離鉆孔左右邊緣的z向(鋼絞線軸向)距離定義為孔邊距;將鉆孔前后,鋼絲表面孔左右兩邊節(jié)點(diǎn)處的z向應(yīng)力差值定義為這一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力釋放量;某一節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放量與鉆孔前應(yīng)力的比值被稱為該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力釋放率。

以鋼絞線R0.5H1.5工況模型為例展示仿真結(jié)果,鉆孔前后,鋼絞線的z向應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。

圖3 鉆孔前后鋼絞線z向應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖3(a)、圖3(b)顯示了鋼絞線受拉后的應(yīng)力云圖,由于存在邊界條件、鋼絞線各絲間復(fù)雜接觸關(guān)系的影響,從整體上看,圖3(a)中鋼絞線應(yīng)力分布關(guān)系比較復(fù)雜,似乎缺少規(guī)律性。但在距離邊界較遠(yuǎn)的模型跨中附近,應(yīng)力云圖表現(xiàn)出明顯規(guī)律性,從跨中截面z向應(yīng)力云圖可以看出,中心鋼絲的應(yīng)力比外圍鋼絲應(yīng)力大,且外圍鋼絲截面應(yīng)力分布并非均勻,而是分層分布,靠近中心鋼絲的內(nèi)層應(yīng)力比遠(yuǎn)離中心鋼絲的外層應(yīng)力大,這一規(guī)律與鋼絞線各根鋼絲間復(fù)雜的扭絞接觸關(guān)系相符合。

圖3(c)、圖3(d)顯示了鋼鉸線鉆孔后的應(yīng)力云圖。鋼絞線鉆孔后,被鉆孔鋼絲孔邊附近出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象。沿鋼絞線軸線方向,孔邊拉應(yīng)力釋放為零甚至變?yōu)閴簯?yīng)力,隨孔邊距的增加,應(yīng)力釋放量逐漸減小。沿鉆孔上下邊緣,孔邊產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),應(yīng)力集中系數(shù)最大值為2.982,應(yīng)力集中效應(yīng)在遠(yuǎn)離鉆孔上下邊緣時(shí)逐漸削弱。沿鉆孔深度方向,在孔深范圍內(nèi)鋼絲內(nèi)部應(yīng)力分布與表面分布規(guī)律相同,未鉆通部分由于截面削弱應(yīng)力增加。

通過(guò)ANSYS路徑命令,提取出鉆孔前后孔左右邊緣鋼絲表面沿軸線方向5 mm范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的z向應(yīng)力值,二者相減得到此工況下孔邊節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放量,進(jìn)而求得孔邊節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放率,將數(shù)據(jù)繪制成曲線,見(jiàn)圖4。

圖4 工況R0.5H1.5時(shí)鋼絞線孔邊應(yīng)力釋放規(guī)律

從圖4可以看出,應(yīng)力釋放量曲線與應(yīng)力釋放率曲線隨孔邊距的變化趨勢(shì)相同。隨著孔邊距增加,應(yīng)力釋放量(率)逐漸下降,且下降趨勢(shì)由陡峭趨于平緩。從數(shù)值上看,在孔邊距為0 mm節(jié)點(diǎn)處,鉆孔后的應(yīng)力釋放量為1 321.9 MPa,應(yīng)力釋放率為98.52%;在孔邊距5 mm節(jié)點(diǎn)處,鉆孔后的應(yīng)力釋放量為30.4 MPa,應(yīng)力釋放率為2.25%。孔邊距超過(guò)5 mm后,孔邊節(jié)點(diǎn)應(yīng)力幾乎不受鉆孔影響,由此表明鉆孔應(yīng)力釋放過(guò)程發(fā)生在孔邊小范圍內(nèi),遠(yuǎn)離孔邊的鋼絲節(jié)點(diǎn)應(yīng)力幾乎不受鉆孔影響。

3.2 影響鉆孔應(yīng)力釋放的參數(shù)分析

對(duì)鉆孔半徑分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm,鉆孔深度分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm,共25種不同工況模型進(jìn)行鉆孔仿真計(jì)算,提取出各種工況下鉆孔左右邊緣5 mm范圍內(nèi)的應(yīng)力釋放量繪制成曲線。

圖5為在不同鉆孔半徑下,鉆孔深度對(duì)鋼絞線孔邊應(yīng)力釋放值的影響。

圖5 鉆孔深度對(duì)孔邊應(yīng)力釋放量的影響

從圖5可以看出,在同一尺寸鉆孔半徑工況下,孔邊同一位置處鋼絲應(yīng)力釋放量均隨鉆孔深度的增加而增加,最終趨近收斂,曲線收斂速度隨鉆孔半徑的增大而減緩。引入深徑比(孔深與孔徑之比)來(lái)表達(dá)應(yīng)力釋放曲線的收斂情況,對(duì)上述5種不同孔徑工況,若相鄰兩條應(yīng)力釋放曲線上各點(diǎn)的應(yīng)力釋放率差值的平均值k<1.5%,則認(rèn)為在該鉆孔深度下應(yīng)力釋放曲線已經(jīng)收斂,該工況在此鉆孔深徑比下已完成孔邊應(yīng)力釋放,k的表達(dá)式為

( 1 )

經(jīng)計(jì)算可得,當(dāng)鉆孔半徑為0.5 mm時(shí),工況R0.5H1.5與R0.5H2.0之間的k=1.3%,孔邊應(yīng)力完成釋放的深徑比在3.0左右;當(dāng)鉆孔半徑為0.75 mm時(shí),工況R0.75H1.5與R0.75H2.0之間的k=0.9%,孔邊應(yīng)力完成釋放的深徑比在2.0左右;當(dāng)鉆孔半徑為1.0 mm時(shí),工況R1.0H2.0與R1.0H2.5之間的k=0.7%,孔邊應(yīng)力完成釋放的深徑比在2.0左右;當(dāng)鉆孔半徑為1.25 mm時(shí),工況R1.25H2.5與R1.25H3.0之間的k=0.4%,孔邊應(yīng)力完成釋放的深徑比在2.0左右;當(dāng)鉆孔半徑為1.5 mm時(shí),在鉆孔深度小于等于3.0 mm時(shí),工況R1.5Hb各條相鄰兩曲線之間的k最小值為1.8%,計(jì)算范圍內(nèi)孔邊應(yīng)力釋放曲線未達(dá)到收斂。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出,在進(jìn)行盲孔法鉆孔試驗(yàn)時(shí),在孔徑取為0.50、0.75、1.00、1.25 mm時(shí),理論上控制深徑比在2.0～3.0之間,即可實(shí)現(xiàn)鉆孔孔邊應(yīng)力的穩(wěn)定釋放。從中不難得出,當(dāng)所選取鉆孔的孔徑越大,為完成孔邊應(yīng)力釋放所必需的鉆孔孔深也要隨之增大,對(duì)鋼絲截面造成的削弱也就越嚴(yán)重,所以在實(shí)際進(jìn)行鉆孔釋放時(shí),選取鉆孔孔徑越小越有利。

圖6為在不同鉆孔深度下,鉆孔半徑對(duì)鋼絞線孔邊應(yīng)力釋放值的影響。由圖6可以看出,在孔邊距一定的條件下,鋼絞線鋼絲應(yīng)力釋放量隨鉆孔半徑的增大而增大,且鉆孔越深,鉆孔半徑對(duì)應(yīng)力釋放量的影響越大。越靠近孔邊位置,鉆孔鋼絲應(yīng)力釋放量越大,曲線變化越陡,在一定范圍內(nèi)漸趨平緩。在孔深一定時(shí),隨孔徑增加,應(yīng)力釋放曲線沒(méi)有出現(xiàn)收斂態(tài)勢(shì),但在孔邊距超過(guò)2 mm后曲線逐漸趨于平緩,所以通過(guò)選定鉆孔半徑再進(jìn)行合理孔深確定更具合理性。

圖6 鉆孔半徑對(duì)孔邊應(yīng)力釋放量的影響

根據(jù)上述仿真結(jié)果,可以得到預(yù)應(yīng)力混凝土梁常用公稱直徑為15.2 mm七絲鋼絞線在利用盲孔法進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力識(shí)別時(shí)的鉆孔參數(shù)。為使鋼絞線孔邊應(yīng)力完成穩(wěn)定釋放,且盡量減小鋼絲截面受損面積的原則,同時(shí)鉆孔操作易于實(shí)現(xiàn)的要求,取基準(zhǔn)鉆孔半徑0.5 mm,最大鉆孔深度可取2.0～3.0 mm,選取外側(cè)鋼絲進(jìn)行鉆孔釋放試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量測(cè)點(diǎn)鉆孔前后的應(yīng)變變化,為使測(cè)量結(jié)果精度更高,應(yīng)變片的粘貼位置應(yīng)選擇應(yīng)變釋放量值明顯,曲線收斂,且應(yīng)變變化較為平緩的區(qū)域。對(duì)于試驗(yàn)鉆孔參數(shù)的選擇,結(jié)合模擬分析結(jié)果將應(yīng)變片粘貼在孔邊距為2 mm處比較合適。

4 盲孔法識(shí)別鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)概況

為驗(yàn)證仿真計(jì)算得出的鋼絞線鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放規(guī)律的正確性,以及進(jìn)一步探索鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力與孔邊應(yīng)力釋放量之間的關(guān)系。試驗(yàn)采取的鉆孔參數(shù)基于仿真計(jì)算結(jié)果,為進(jìn)行數(shù)據(jù)比較,試驗(yàn)時(shí)取基準(zhǔn)鉆孔半徑為0.50 mm,對(duì)照鉆孔半徑為0.75 mm共兩種鉆孔規(guī)格,鉆孔深度取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm五種,測(cè)點(diǎn)為鉆孔鋼絲上距鉆孔邊緣2 mm處位置以及相鄰鋼絲與鉆孔位置同一截面處。本次試驗(yàn)鋼絞線采用天津大強(qiáng)鋼鐵有限公司生產(chǎn)的1×7-φ15.2-1860級(jí)鋼絞線,其樣品實(shí)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用鋼絞線參數(shù)

本試驗(yàn)采用應(yīng)變片測(cè)量鉆孔前后的應(yīng)變變化,為方便描述,用應(yīng)變釋放量代替仿真計(jì)算中應(yīng)力釋放量進(jìn)行討論分析。具體試驗(yàn)流程為:

①試驗(yàn)鋼絞線的截取。截取(105±5)cm長(zhǎng)度鋼絞線若干用于張拉鉆孔試驗(yàn);②應(yīng)變片粘貼。每根試件粘貼三枚應(yīng)變片,具體見(jiàn)圖7;③鋼絞線張拉及鉆孔。利用夾具將試件固定在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上,通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)置張拉參數(shù)進(jìn)行鋼絞線張拉持荷,待達(dá)到預(yù)定張拉應(yīng)力后對(duì)鋼絞線鉆孔。

本試驗(yàn)共設(shè)置10組不同工況下的鋼絞線進(jìn)行鉆孔,每組工況試驗(yàn)兩次,具體包括:外絲鉆孔半徑0.5 mm工況8組,編號(hào)1～8。每組鉆孔深度1.0～3.0 mm,初始張拉力分別為0、0.2σcon、0.4σcon、0.6σcon、0.7σcon、0.8σcon、0.9σcon、1.0σcon;外絲鉆孔半徑0.75 mm工況2組,編號(hào)9、10。每組鉆孔深度1.0～3.0 mm,初始張拉力分別為0、1.0σcon。其中,1和9組試驗(yàn)為無(wú)應(yīng)力下的鋼絞線鉆孔,其目的在于得到鋼絞線鉆孔時(shí)產(chǎn)生的加工應(yīng)變;2～8組為鉆孔半徑0.5 mm時(shí)分別施加0.2σcon、0.4σcon、0.6σcon、0.7σcon、0.8σcon、0.9σcon、1.0σcon張拉應(yīng)力時(shí)的鋼絞線鉆孔試驗(yàn),其目的在于建立鋼絞線鉆孔后孔邊應(yīng)變釋放量和有效預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系;10組為鉆孔半徑為0.75 mm時(shí)張拉力為1.0σcon的鋼絞線鉆孔試驗(yàn),通過(guò)和8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證鋼絞線孔邊應(yīng)變釋放量受鉆孔半徑的影響規(guī)律。

4.2 盲孔法試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 無(wú)應(yīng)力下鋼絞線鉆孔試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)1組和9組試件進(jìn)行無(wú)應(yīng)力下鉆孔試驗(yàn)。得出鉆孔時(shí)鉆頭擠壓作用以及鋼絞線內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放對(duì)待測(cè)點(diǎn)位應(yīng)變的影響,對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值,得到不同鉆孔半徑、鉆孔深度下的鋼絞線無(wú)應(yīng)力鉆孔加工應(yīng)變,見(jiàn)表3。

表3 鉆孔加工應(yīng)變量

從表3可以看出,隨鉆孔深度和鉆孔半徑的增加,鉆孔加工應(yīng)變持續(xù)增大,為更精確測(cè)得鋼絲鉆孔后的應(yīng)變釋放量,將下文鉆孔后所測(cè)數(shù)據(jù)均扣除相應(yīng)鉆孔加工應(yīng)變量后列出。

4.2.2 有應(yīng)力下鋼絞線鉆孔試驗(yàn)結(jié)果

將鋼絞線在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上張拉到預(yù)定荷載,然后對(duì)已標(biāo)記的點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔,鉆孔前后通道1和2測(cè)得的應(yīng)變釋放量的平均值作為該試件平均應(yīng)變釋放量,將各組兩次試驗(yàn)得到的平均應(yīng)變釋放量取均值得到該組工況下的鋼絞線鉆孔孔邊應(yīng)變釋放量平均值,各組工況下應(yīng)變釋放量平均值隨鉆孔深度的變化曲線,見(jiàn)圖8。

圖8 不同工況應(yīng)變釋放量隨鉆孔深度的變化

由圖8可以看出,鉆孔半徑為0.5 mm的試件,隨張拉力和鉆孔深度的增加,孔邊應(yīng)變釋放量均呈現(xiàn)增大趨勢(shì),且當(dāng)鉆孔深度超過(guò)2.0 mm時(shí)曲線開(kāi)始收斂,隨張拉力逐漸增大,鉆孔加工應(yīng)變等因素的干擾愈發(fā)微弱,曲線的變化趨勢(shì)更為一致。

鉆孔半徑為0.75 mm試件的孔邊應(yīng)變釋放量要遠(yuǎn)大于同等張拉力下鉆孔半徑為0.5 mm的試件,且在鉆孔深度由1.0 mm變化到3.0 mm的過(guò)程中,應(yīng)變釋放量持續(xù)增大,沒(méi)有收斂態(tài)勢(shì)。曲線所顯示出的鋼絞線鉆孔孔邊應(yīng)變釋放規(guī)律與仿真計(jì)算所得基本一致,但又有所區(qū)別。仿真計(jì)算得出,鉆孔深徑比在2.0～3.0時(shí),應(yīng)力釋放曲線已達(dá)收斂,然而經(jīng)過(guò)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鉆孔半徑0.5 mm孔邊應(yīng)變收斂深徑比在4.0～5.0,收斂速度明顯慢于仿真計(jì)算值,經(jīng)過(guò)分析,發(fā)現(xiàn)實(shí)際鉆孔的形狀為上粗下細(xì)的子彈頭狀,有別于仿真模擬的圓柱狀,從而使二者收斂速度產(chǎn)生差異,見(jiàn)圖9。

圖9 鉆孔形狀(單位:mm)

通過(guò)改變模型中鉆孔形狀,使其成為尾部為半徑0.5 mm半球的子彈頭狀,再次進(jìn)行仿真計(jì)算分析驗(yàn)證。與圓柱狀小孔相比,子彈頭狀小孔內(nèi)部邊緣更趨光滑連續(xù),仿真計(jì)算結(jié)果表明,在同等鉆孔深度下,后者孔型情況鋼絞線鋼絲同一位置處鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放率更低,應(yīng)力釋放量收斂速度更為緩慢,收斂深徑比更大,且與鉆孔試驗(yàn)結(jié)果更接近,表明上述修正后的孔型具有合理性,可信度也更高,二者收斂深徑比對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種孔型鉆孔應(yīng)力釋放量收斂深徑比對(duì)比

另外,通過(guò)分析每組試驗(yàn)通道3的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在鉆孔過(guò)程中相鄰鋼絲與鉆孔鋼絲間的接觸摩擦力對(duì)鉆孔鋼絲鉆孔后的應(yīng)力重分布過(guò)程起了限制作用,削弱了鋼絲鉆孔后的拉伸效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致相鄰鋼絲在二者相互作用下應(yīng)變?cè)黾?且隨張拉力、鉆孔深度、鉆孔半徑的增加,相鄰鋼絲的應(yīng)變?cè)龇饾u變大。以鉆孔半徑0.5 mm,鉆孔深度2.5 mm,初始張拉應(yīng)力 1 395 MPa 張拉鉆孔工況為例,張拉至預(yù)定張拉力后3通道應(yīng)變讀數(shù)(με)為2 311.0,鉆孔后3通道應(yīng)變讀數(shù)(με)為2 504.0,鉆孔后相鄰鋼絲應(yīng)變與鉆孔前應(yīng)變之比為1.084。以上分析表明,鉆孔鋼絲應(yīng)力釋放后,由于相鄰鋼絲間接觸擠壓及其摩擦作用,相鄰鋼絲應(yīng)變出現(xiàn)增加,根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果最大增長(zhǎng)比率在5%～8%范圍內(nèi)。由于本文有效預(yù)應(yīng)力識(shí)別擬合公式是以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),實(shí)際上已計(jì)入這個(gè)應(yīng)力重分布的影響,而且其對(duì)應(yīng)力釋放量影響較小,對(duì)鋼絞線有效應(yīng)力識(shí)別效果不會(huì)造成影響。

4.2.3 鉆孔應(yīng)變釋放量與鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力關(guān)系

前面分析得出鋼絞線鋼絲鉆孔后孔邊應(yīng)變釋放量是隨孔深的增加逐漸增加直至收斂,通過(guò)鉆孔半徑0.5 mm試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線圖可以看出,當(dāng)鉆孔深度超過(guò)2 mm時(shí),應(yīng)變釋放量曲線開(kāi)始收斂;當(dāng)鉆孔深度達(dá)到2.5 mm時(shí),應(yīng)變釋放量基本不再隨孔深變化。這一規(guī)律為尋找鋼絞線盲孔法試驗(yàn)時(shí)鉆孔應(yīng)變釋放量與有效預(yù)應(yīng)力之間的定量關(guān)系提供了前提條件。下面基于試驗(yàn)得到的鉆孔半徑0.5 mm,鉆孔深度2.5 mm工況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔應(yīng)變釋放量與有效預(yù)應(yīng)力之間進(jìn)行最小二乘法曲線擬合。每組試驗(yàn)做2次,每次試驗(yàn)得到通道1和2兩組數(shù)據(jù),在某一初始應(yīng)力下按上述工況鉆孔獲取的數(shù)據(jù)共4組。擬合曲線見(jiàn)圖10。

圖10 鉆孔應(yīng)變釋放量與有效預(yù)應(yīng)力擬合曲線

擬合函數(shù)為二次函數(shù)曲線,其方程為

( 2 )

式中:Tc為鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力計(jì)算值;εrs為測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變釋放量實(shí)測(cè)值。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2=0.974 1,表明擬合程度較好。

為減小偶然誤差,取同一試件上通道1和2的應(yīng)變釋放量的平均值計(jì)算鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力值。為檢驗(yàn)擬合公式計(jì)算出的有效預(yù)應(yīng)力和實(shí)際有效預(yù)應(yīng)力之間的誤差情況,現(xiàn)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式( 2 )得到對(duì)應(yīng)有效預(yù)應(yīng)力計(jì)算值,可求出有效預(yù)應(yīng)力計(jì)算值Tc與真實(shí)值T之間的相對(duì)誤差K為

(3)

圖11所示有效預(yù)應(yīng)力計(jì)算值Tc與真實(shí)值T之間近似呈線性關(guān)系變化。經(jīng)誤差分析得到,有效預(yù)應(yīng)力的擬合計(jì)算值和真實(shí)值之間的相對(duì)誤差最大值僅為8.82%,且超過(guò)85%的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在7%以內(nèi)。以上數(shù)據(jù)證明利用擬合公式識(shí)別該類鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力具有一定的可信度,可以作為該類鋼絞線盲孔法識(shí)別有效預(yù)應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式使用。

圖11 有效預(yù)應(yīng)力真實(shí)值與計(jì)算值關(guān)系曲線

5 結(jié)論

本文針對(duì)既有預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力識(shí)別這一技術(shù)難題,在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,提出了鋼絞線鋼絲盲孔法進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力識(shí)別計(jì)算的基本方法,通過(guò)理論仿真分析,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證和分析,主要得出以下結(jié)論:

(1)鋼絞線鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放量及應(yīng)力釋放率隨孔邊距的增大逐漸下降,且下降趨勢(shì)由陡峭趨于平緩,對(duì)于鉆孔半徑0.5 mm工況,鉆孔對(duì)鋼絲應(yīng)力的影響區(qū)域約為孔邊距5 mm范圍內(nèi),超過(guò)這一范圍幾乎沒(méi)有影響。

(2)通過(guò)對(duì)鉆孔半徑以及鉆孔深度進(jìn)行參數(shù)影響規(guī)律分析,發(fā)現(xiàn)鋼絞線鋼絲鉆孔后孔邊應(yīng)力釋放量隨鉆孔半徑及鉆孔深度的增加而增加。當(dāng)鉆孔半徑一定時(shí),對(duì)圓柱小孔理論上鉆孔深徑比達(dá)到2.0～3.0時(shí)孔邊應(yīng)力釋放曲線趨于收斂。

(3)通過(guò)對(duì)鋼絞線進(jìn)行大量鉆孔試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算規(guī)律的可靠性,并通過(guò)測(cè)試結(jié)果與仿真模擬存在的差異,深入分析了圓柱形小孔和子彈頭狀小孔兩種不同鉆孔形狀差異對(duì)釋放收斂變化的影響,得出后者孔型時(shí)收斂深徑比取值更大,進(jìn)一步為仿真模型修正和實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)處理提供了參考依據(jù)。

(4)通過(guò)對(duì)鉆孔半徑為0.5 mm,鉆孔深度為 2.5 mm 工況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到了盲孔法試驗(yàn)檢測(cè)時(shí),鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力與孔邊2 mm測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變釋放量之間的函數(shù)關(guān)系,并考慮鉆孔偏差修正,經(jīng)誤差分析得出,盲孔法識(shí)別鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的擬合計(jì)算值與真實(shí)值之間相對(duì)誤差最大值為8.82%,且超過(guò)85%的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在7%以內(nèi)。由此可以證明盲孔法識(shí)別計(jì)算鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力具有可行性。

盲孔法測(cè)試識(shí)別既有橋梁鋼絞線鋼絲應(yīng)力作為一種新型的直接測(cè)試方法,最近已有檢測(cè)單位參考國(guó)外相關(guān)研究在實(shí)際工程中開(kāi)展了探索性應(yīng)用,但目前還未檢索到公開(kāi)文獻(xiàn)進(jìn)行實(shí)際工程檢測(cè)的相關(guān)報(bào)道。作為一種新型測(cè)試方法,仍有很多工作值得繼續(xù)深入研究。根據(jù)本文的研究,在采用盲孔法進(jìn)行實(shí)際梁體有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)時(shí),應(yīng)避開(kāi)梁體控制截面,且選取靠近外側(cè)的管道進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試時(shí)需要對(duì)測(cè)試點(diǎn)附近很小范圍混凝土及壓漿漿體進(jìn)行局部鑿除,且要避免造成對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的損傷,測(cè)試后再按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行混凝土修補(bǔ)。該法的不足是屬于一種局部破損的檢測(cè)方法,但是根據(jù)計(jì)算模擬分析有限的小盲孔對(duì)整根鋼絞線力學(xué)性能的影響微乎其微;其優(yōu)點(diǎn)是一種直接測(cè)試方法,具有更高的檢測(cè)精度和檢測(cè)效率,可在一定條件下進(jìn)行使用。由于鋼絞線硬度較高,需要專用高強(qiáng)合金鉆頭才能順利施鉆,專用自動(dòng)化鉆孔設(shè)備也需要進(jìn)一步研發(fā)。目前本文僅通過(guò)模擬試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證,尚未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際橋梁試驗(yàn),今后將通過(guò)實(shí)際橋梁檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)一步完善鋼絞線鋼絲盲孔應(yīng)力釋放法的理論模型,積累數(shù)據(jù),形成系統(tǒng)的檢測(cè)分析方法,為在役預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁有效預(yù)應(yīng)力識(shí)別提供一種可行的直接檢測(cè)方法。