中跨径混凝土桥梁预应力检测技术.doc

西部交通建设科技项目交通编号：合同号：2005 318 812 15单位编号：密 级：分 类 号：大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究报告（简本）长 安 大 学招商局重庆交通科研设计院有限公司哈尔滨工业大学中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西省公路局2008年12月项目名称大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究英文题名The Research of Inspection on Prestress for Mid-span and Long-span Concrete Bridges交通编号项目来源西部交通建设科技项目单位编号合同号2005 318 812 15分类号项目起止年限2005年5月至2008年12月第一完成单位长安大学密 级项目负责人贺拴海报告撰写人贺拴海郭 琦项目主要参加人单位姓 名职 称职 务专 业长安大学贺拴海教授 博导组 长桥梁工程宋一凡教授 博导桥梁工程赵小星高级工程师工程力学郭 琦讲师桥梁工程刘龄嘉副教授桥梁工程任 伟讲师桥梁工程黄苏才高级实验师工程试验侯俊明高级工程师工程试验闫 磊讲师桥梁工程赵 煜副教授桥梁工程周勇军副教授桥梁工程招商局重庆交通科研设计院有限公司黄福伟研究员组 长交通运输工程黄光清高级工程师桥梁工程唐钰升工程师交通土建唐光武研究员固体力学张又进高级工程师半导体姚 华助理 工程师桥梁工程高鹏飞技 工哈尔滨工业大学黄 侨教授 博导组 长桥梁工程林阳子博士研究生桥梁工程任 远讲 师桥梁工程唐海红博士研究生桥梁工程李 涛硕士研究生桥梁工程中交第一公路勘察设计研究院有限公司刘士林教授级高工组 长桥梁工程许宏元教授级高工桥梁工程牛 宏教授级高工桥梁工程侯 旭工程师桥梁工程刘志梅助理工程师桥梁工程陕西省公路局王登科高级工程师组 长桥梁工程舒 森高级工程师工程管理主题词混凝土桥梁，预应力，检测，评价关键词定位，管道压浆，锈蚀状况，有效预应力，综合评价，检测指南目 录1 研究内容42 主要技术成果43 混凝土桥梁预应力检测技术研究现状调研分析54 预应力筋定位检测技术研究65 预应力管道压浆状况检测技术研究76 预应力筋锈蚀状况检测技术研究77 预应力筋有效预应力检测技术研究88 预应力混凝土桥梁综合评价方法研究149 实桥检测应用研究1710 检测指南编制1811 结束语181 研究内容本项目主要工作包括：1、国内外混凝土桥梁预应力检测技术研究现状调研；2、预应力筋定位检测方法、设备及评价技术研究；3、预应力管道压浆状况检测方法、设备及评价技术研究；4、预应力筋锈蚀状况检测方法、设备及评价技术研究；5、预应力筋有效预应力检测方法、设备及评价技术研究；6、缺损预应力混凝土桥梁综合评价方法研究；7、实桥检测应用研究；8、制订在用大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术指南2 主要技术成果经过三年多的研究攻关，本项目按合同要求完成全部研究内容，取得研究成果有：（1）研究报告1）大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术研究总报告；2）分报告之一：调研分析报告；3）分报告之二：预应力筋定位检测技术研究报告；4）分报告之三：预应力管道压浆状况检测技术研究报告；5）分报告之四：预应力筋锈蚀状况检测技术研究报告；6）分报告之五：预应力筋有效预应力检测技术研究报告；7）分报告之六：预应力混凝土桥梁综合评价方法研究报告；8）分报告之七：实桥检测应用研究报告；9）分报告之八：预应力钢索张力测试仪研制报告。（2）技术指南：大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术指南。（3）专利：发明专利一项，新型实用专利一项。（4）软件登记：3项。共培养硕士研究生14名、博士研究生4名，发表学术论文14篇。项目的主要创新点有：理论创新：1、建立了预应力混凝土梁的力学参数与预应力的数学关系模型；2、建立了复杂预应力体系桥梁钢束有效预应力沿程分布预测模型及其分析评价方法；3、构造了预应力混凝土桥梁安全性、适用性及耐久性评价及其综合性能评价模型，提出了评价方法。技术创新：1、开发了接触式直接法检测预应力束有效预应力技术；2、给出了钢绞线锈蚀程度分级评定标准；3、开发了预应力混凝土桥梁的应力释放法检测技术实用技术：1、预应力管道位置检测技术；2、预应力管道灌浆状况检测技术；3、开发了预应力筋拟摩阻损失等效参数（PresPS V1.0）、截面应力释放值分析（StrAN V1.0）及预应力混凝土桥梁评价系统V1.0软件；4、编制了“大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术指南3 混凝土桥梁预应力检测技术研究现状调研分析针对混凝土中预应力筋位置检测技术、管道压浆状况检测技术、预应力筋锈蚀状况检测技术、预应力筋有效预应力检测技术和预应力混凝土桥梁评价技术进行了全面调研分析后认为：探地雷达法应用于预应力管道定位检测是可行的，但缺乏系统的研究；扫描式冲击回波法和超声脉冲法应用于预应力管道的定位检测有一定的可行性，但实际效果还有待进一步的试验研究；表面波频谱法、声发射技术、红外热像检测技术、计算机断层X射线CT技术、超声波CT技术等对于预应力管道定位检测的可行性不好。扫描式冲击回波法应用于预应力管道压浆状况检测是可行的，但该技术仍然还不成熟，需进一步开展研究；探地雷达法和超声脉冲法应用于预应力管道压浆状况检测有一定的可行性，但检测效果还有待进一步研究；表面波频谱分析法、声发射技术、红外热像检测技术等应用于预应力管道压浆状况检测的可行性不好。漏磁法、X射线CT技术及超声波检测是属于直接检测预应力筋的锈蚀；而地质雷达法是间接的检测空洞，认为此处会出现预应力筋的锈蚀。经过总结文献资料并对比择优分析，认为漏磁法和X射线CT技术针对本课题可行性比较大的检测技术，但应寻求其他检测方法。目前对在建桥梁，可以用振弦式传感器、光纤Bragg光栅传感技术、或应变式传感器对其预应力进行检测，还没有能用于在役桥梁预应力检测的成熟技术，需要专门研究，并开发设备。在对缺损桥梁评价进行评价时，评价因素众多、计算分析复杂，绝大部分影响因素是随机的，同时也是模糊的。另外，对构件及结构整体的评价方式也不尽相同，针对构件可采用单因素或主要评价指标进行分析，可利用最不利的单项评价结果来描述当前构件劣化的程度；而对于结构整体，由于不同构件的缺损对于结构服役功能的影响互不相同造成各个构件在评价时所占权重也是互异的，因此遵循“构件体系”的评价思路是一种可行的方法。考虑到服役桥梁的实际状况，选用层次分析法的原理，建立多层次的综合评估模型：即由底层向顶层逐步确定评估模型中各层指标的分级评定标准，并确定评估模型中各层指标的初始权重，再从评估模型的底层逐级评估（通过对检测结果的模糊评判或根据检测结果进行结构分析计算，确定底层指标的分数，对各层指标变权；除底层外，每一层的评估以下一层评估结果为依据）等到服役桥梁服役性能的综合评价结果。4 预应力筋定位检测技术研究分别选择对探地雷达法（图4.1）、对冲击回波法和超声脉冲法对10个混凝土模型（图4.2）进行了检测试验。研究结果表明： 图4.1 RISK2型Hiress天线阵雷达 图4.2 模型一实体图探地雷达能对管道的位置进行定量检测，天线阵雷达比单天线雷达的检测效果更好。研究成果在实桥上进行了应用。这是国内外首次系统地开展的预应力管道位置定量检测的试验研究，研究成果具有重要的理论意义、实用价值以及应用前景。5 预应力管道压浆状况检测技术研究分别选择对探地雷达法（图4.1）、对冲击回波法和超声脉冲法对10个混凝土模型（图5.1）进行了检测试验。图5.1 模型一设计图研究结果表明，通过对比同一测线上管道的偏移量，扫描式冲击回波法能定量检测出管道内灌浆状况，并将研究成果在实桥上进行了应用。这是国内首次系统地开展的预应力管道内灌浆状况定量检测的试验研究，研究成果具有重要的理论意义、实用价值以及应用前景。6 预应力筋锈蚀状况检测技术研究分别采用漏磁检测法和自然电位法对5个模型试件（6.1）进行了试验研究得出：自然电位法能用于先张法混凝土桥梁中的预应力束锈蚀检测。漏磁检测法在一定条件下可用来检测后张法预应力束的锈蚀情况，但精度不高。鉴于此，针对77束原始锈蚀样本进行了钢束表观锈蚀分级检测法研究，给出了5级锈蚀分级，即：一级：钢绞线全新；二级：钢绞线已发生锈蚀，表面有明显锈迹，锈迹呈粉末状，人工打磨能呈现原钢绞线金属光泽，可见锈蚀为斑点状无锈坑；三级：钢绞线表面较多锈迹，锈迹呈粉末状活片状，人工打磨能使钢绞线呈现灰黑色，钢绞线表面有片状或条带状分布锈点，局部呈现锈坑，锈点（坑）面积13mm2；四级：钢绞线钢丝间已经被锈迹填满，钢绞线表面有满布锈迹，人工打磨钢绞线呈灰黑色，且钢绞线一周表面有明显连续0.2mm深的锈坑，锈坑面积35mm2；五级：钢绞线表观锈蚀程度严重于四级，一周表面有明显连续0.2mm深的锈坑，锈坑面积大于5mm2。并研究了其表观特征与各种力学性能的关系，建立了预应力钢束表观锈蚀分级标准。7 预应力筋有效预应力检测技术研究（1）在研发预应力钢索张力测试仪（型号：LCZL-50，图7.1）的基础上，提出了横张增量法检测有效预应力技术。 图7.1 张力仪照片对于静力法检测（图7.2）： （7.1）式中：纵向预张力（kN）；两级横向力差（kN）；两级横向位移差（m）；修正系数，；回归常数，。图7.2 静力法测定有效预应力对于动力法检测（图7.2），如表7.1.图7.3 动力法测定有效预应力静力法检测、动力法检测可分别用于体内、体外预应力束有效预应力的检测，并得到实梁验证。 表7.1 动力法检测有效预应力计算式锚固长度有效工作长度推荐修正公式 （2）分别制作了形心直线配束、偏心直线配束、曲线配束的矩形模型梁、T形模型梁和空心板模型梁（图7.4）共18片进行了试验预应力与梁结构的力学参数关系研究。研究得出：预应力混凝土简支梁有效刚度比（表7.2）。（a） 曲线束矩形板梁（J2梁）（b） T形梁（T梁）（d） 空心板梁（K梁）图7.4 模型试验梁（单位：mm）表7.2 预应力混凝土简支梁有效刚度比预应力束设置方式有效刚度比（）直线配束曲线配束当0.30时： 当0.30时： 基于动力参数测试的有效预应力检测流程（图7.5）和基于静力参数测试的有效预应力检测流程（图7.6），并得到实梁验证。图7.5 动力测试法检测有效预应力图7.6 静力测试法检测有效预应力（3）梁体应力释放方法（图7.7）进行了大量实验研究和数值分析，认为普通钢筋的应力释放精度较高，可以用于实际检测中。并给出了检测方法。结合检测到的钢筋应力，按照平截面原理，提出了预应力混凝土桥梁有效预应力的计算分析方法，并编制了分析软件。图7.7应力释放试验（4）分别定义力名义损失参数、应力界限波动率等概念，基于界限波动率率 （7.2）将桥梁中的测试预应力束分为波动束，的参考区间为（10.0，15.0）和平缓束，的参考区间为（0，10.0，及间接预测钢束：位于测试截面内层不具备测试条件的钢束及未测试钢束定义为间接预测钢束。建立了全桥有效预应力预测模型（图7.8）和预测的数学关系。针对常见的 “直+曲+直”型、“直+曲曲”型和“复合曲线”型束（图7.9、10、11）和预应力变化的大小定义的等差、等比、混合分布模式建立了其算法，编制了据计算软件。在考虑时变效应的实用截面分析及截面预应力合力效应分析方法基础上，定义截面有效预应力储备度，储备度衰减率及名义裂缝宽度三项指标，并将其应用于在役桥梁基于有效预应力衰减程度的正常使用状态评估及精细化分级研究中，建立了桥梁整体性能分析及安全预警体系。研究成果得到了实桥模拟分析验证。图7.8 钢束有效预应力预测模型图7.9 “直+曲+直”型钢束 图7.10 “直+曲+曲”型钢束图7.11 “复合曲线”型钢束8 预应力混凝土桥梁综合评价方法研究综合考虑预应力筋位置偏差、管道压浆状况、普通钢筋及预应力筋锈蚀状况及预应力筋有效预应力对结构性能影响，研究的元素评价指标、评估等级及评估值区间表8.18.4所示表8.1 预应力筋位置偏差等级评估标准评估元素评价指标评估等级及评估值区间一级二级三级四级五级预应力筋偏离y/yp（0,0.02）0.02,0.05）0.05,0.08）0.08,0.12）（0.12）表8.2 预应力管道压浆等级评估标准评估元素评价指标评估等级及评估值区间一级二级三级四级五级管道压浆状态不饱和度（0,0.05）0.05,0.1）0.1,0.2）0.2,0.35）（0.35）表8.3 力筋锈蚀状况等级评估标准评估元素评价指标评估等级及评估值区间一级二级三级四级五级普通钢筋锈蚀截面面积损失率（0,0.015）0.015,0.05）0.05,0.12）0.12,0.2）（0.2）预应力筋锈蚀截面面积损失率（0,0.01）0.01,0.03）0.03,0.1）0.1,0.15）（0.15）表8.4 预应力筋有效预应力等级评估标准 评估元素评价指标评估等级及评估值区间一级二级三级四级五级有效预应力设-测/设（0,0.05）0.05,0.1）0.1,0.15）0.15,0.2）（0.2）桥梁安全性评估模型8.1所示。图8.1 预应力混凝土桥梁安全性评价分析模型给出预应力混凝土桥梁安全性评价各元素等级评估标准，如表8.5所示。表8.5 预应力混凝土主梁结构安全性评价中各元素等级评估标准评估元素评价指标评估等级及评估值区间A类B类C类D类E类抗弯承载能力正截面裂缝WB/mm(0)0,0.1)0.1，0.3)0.3,0.6)(0.6)混凝土强度(RD-RM)/RD(-0.02,0)0,0.05)0.05,0.1)0.1,0.2)(0.2)结构表观损伤面积破损率(0,0.05)0.05,0.1)0.1,0.2)0.2,0.35)(0.35)普通钢筋锈蚀截面积损失率(0,0.015)0.015,0.05)0.05,0.12)0.12,0.2)(0.2)预应力纵筋锈蚀截面积损失率(0,0.01)0.01,0.03)0.03,0.1)0.1,0.15)(0.15)纵筋有效预应力ND-NM/NM(0,0.05)0.05,0.1)0.1,0.15)0.15,0.2)(0.2)抗剪承载能力斜截面裂缝WC/mm(0)0,0.05)0.05,0.2)0.2,0.4)(0.4)混凝土强度(RD-RM)/RD(-0.02,0)0,0.05)0.05,0.1)0.1,0.2)(0.2)结构表观损伤面积破损率(0,0.05)0.05,0.1)0.1,0.2)0.2,0.35)(0.35)箍筋锈蚀箍筋截面积损失率(0,0.015)0.015,0.05)0.05,0.12)0.12,0.2)(0.2)预应力弯筋锈蚀截面面积损失率(0,0.01)0.01,0.03)0.03,0.1)0.1,0.15)(0.15)弯筋有效预应力ND-NM/NM(0,0.05)0.05,0.1)0.1,0.15)0.15,0.2)(0.2)适用性评价模型如图8.2所示。图8.2缺损预应力混凝土桥梁正常使用功能评估模型耐久性评价模型如图8.3所示。图8.3 预应力混凝土桥梁耐久性评估模型并分别研究给出了评估标准和预应力混凝土桥梁综合评价模型及指标如图8.4所示。根据评价分析思路，采用VB编制的预应力混凝土桥梁评价系统。图8.4 预应力混凝土桥梁综合评估模型9 实桥检测应用研究图9.1顶板预应力束有效预应力分布本项目研究的依托工程重庆市S103线渝巴路春天门大桥、重庆市云阳县月亮包大桥、福建省宁德大桥、福建省厦门坂头大桥、贵州省贵阳新寨河特大桥、广东省清(远)连(州)一级公路桥、陕西省铜川玉皇阁特大桥、吉林省松花江大桥和宁夏自治区石嘴山黄河公路大桥。实桥应用的过程中，在进行检测的同时研究相关对策，给出改进措施，通过实体依托工程的应用，达到了增强检测技术实用性的目标。如对石嘴山黄河公路大桥进行了一般检测、力筋锈蚀检测、管道压浆状况检测、有效预应力检测和分析评价，顶板预应力束有效预应力分布如图9.1.综合评价值为59.67，状态分类为三类。与规范及荷载试验评价计算结果一致。10 检测指南编制检测指南内容主要涉预应力混凝土桥梁缺损状况检测、预应力钢束定位检测、预应力管道压浆状况检测、预应力钢束锈蚀状况检测、预应力钢束有效预应力检测、预应力混凝土桥梁分项指标评价及预应力混凝土桥梁综合评价等九方面内容，可用于指导预应力混凝土桥梁的检测与评价。11 结束语本项目从立项到完成经历了三年半的时间，研究成果的特点是系统性和工程适用性，尤其是用于指导在役和在建预应力混凝土桥梁缺损状况检测技术的大、中跨径混凝土桥梁预应力检测技术指南凝聚了课题组全体成员的心智与汗水，是项目研究成果精华的集中体现。项目共提交九本报告，一本检测指南。由于课题组成员水平有限，在报告中肯定有不少错误和疑问之处。在此恳请专家提出批评改正意见。