四點彎曲加載下RC梁內鋼筋的漏磁效應研究

程 呈, 劉 建, 張宇潔, 龔 婭, 夏潤川

(1.重慶物康科技有限公司, 重慶 404000; 2.省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室, 重慶 400074;3.重慶交通大學 土木工程學院, 重慶 400074; 4.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司, 重慶 400067)

鋼筋混凝土(RC)橋梁在交通領域應用廣泛,目前我國橋梁中約90%為RC橋梁。RC橋梁主要受力結構是內部的鋼筋骨架,其承載力直接取決于受拉鋼筋的應力,通過測量鋼筋的應力水平可直觀反映出RC橋梁的服役狀態[1],但日益加重的交通負荷和運營多年后橋梁的老齡化日益突出,RC梁結構服役性能退化加劇[2-4],因此,準確檢測RC橋梁內部鋼筋的應力狀態對橋梁安全評估很重要。

目前鋼筋應力的檢測主要采用無損檢測技術[5]。相較傳統的有損鋼筋應力釋放法,無損檢測技術不會對檢測結構造成損壞,在土建結構的健康檢測中[6-7]應用更為廣泛。其中漏磁檢測方法是一種研究地磁場和應力場耦合作用下鐵磁材料表面漏磁場分布特征的無損檢測方法[8],源于金屬磁記憶檢測技術,能夠有效反映出鐵磁性材料在應力作用下的響應[9-11]。外荷載的作用會改變RC梁內部鋼筋的宏觀磁化狀態并形成自發漏磁場,分布在空氣中的漏磁場不受混凝土保護層的影響[12],可用相應的傳感器進行采集,通過分析采集到的漏磁信號研究RC梁內部的鋼筋應力狀態。

許多學者利用漏磁檢測技術對鋼筋應力檢測進行了深入研究。Chen等[13]對Q235鋼進行了一系列靜態拉伸試驗及有限元分析,發現漏磁信號法向分量的梯度決定了加載過程中結構內部建立的應變能密度。Roskosz等[14-16]通過分析切向和法向分量梯度,從測量的殘余磁場中估算鐵磁鋼的殘余應力,定量分析了二者與應力之間的關系。童凱等[17]對鋼筋開展了反復拉伸試驗,發現鋼筋應力曲線與磁信號法向分量曲線具有相同的波動周期和相反的波動方向,且鋼筋的拉伸應力變化率與漏磁強度變化率相互對等,表明可利用法向分量的變化來定量表征鋼筋應力的波動幅值。

本文針對RC梁開展了四點彎曲加載試驗,研究了試件在靜態加載過程中表面磁信號的變化規律,旨在準確、定量評估RC梁內部鋼筋應力狀態,以促進漏磁檢測技術在鋼筋應力檢測中的應用與發展[18]。

1 試驗概況

1.1 試件材料及尺寸

試驗選取3片相同尺寸的RC矩形截面適筋梁為研究對象,梁的尺寸為1 700 mm×150 mm×200 mm,編號為BG-1#～BG-3#?？v向受拉鋼筋為2Φ20,縱向受壓鋼筋為2Φ8,箍筋沿梁的整個長度布置為Φ8@100;混凝土的設計強度等級為C50,縱向受拉鋼筋的保護層厚度為25 mm。試驗所有的鋼筋均為常用的HRB400型號鋼筋,其材料參數如表1所示。在澆筑混凝土試件前,于底部縱向受拉鋼筋的上緣處粘貼電阻應變片,用于測量縱向受拉鋼筋的應變。試件幾何尺寸、鋼筋及電阻應變片布置如圖1所示。

1.2 試驗設備

試驗采用課題組自主研發的三軸自動化掃描檢測裝置和uT7121Y靜態應變儀,如圖2所示。三維掃描裝置主要由三維機械位移平臺、高精度磁傳感器和PC控制系統組成,其中磁傳感器為Honeywell公司研發的HMR2300三軸智能數字磁力計,量程為±2×10-4T,分辨率為6.7×10-9T。該設備可同步輸出磁通密度(Bx、By和Bz)以及空間位置坐標(X、Y和Z)。應變采集設備為武漢某電子技術有限公司生產的uT7121Y靜態應變儀,測量范圍為±30 000 με,精度為±1 με,滿足試驗要求。試驗加載裝置如圖2所示,其由支座、工字鋼梁、千斤頂、力傳感器和反力架組成,試驗時通過控制千斤頂以實現施加不同荷載的目的。

表1 鋼筋材料參數

圖2 試驗設備示意

1.3 試驗方法及步驟

1) 四點彎曲加載法

試驗時利用分配梁將施加的荷載分配到試件上,以此形成四點彎曲加載方式,加載步長為10 kN,加載點位置如圖3所示,加載點到支座的距離為300 mm,試件可簡化為跨度1 400 mm且受2個集中力作用的簡支梁。

單位:mm

試驗采用三軸自動化掃描檢測裝置進行自發漏磁掃描,設置5個提離高度和5個水平位置以控制不同的檢測線,如圖4所示。磁傳感器的提離高度Z定義為磁傳感器與梁底之間的距離,由低到高設置為10 mm、20 mm、30 mm、50 mm、70 mm,每個提離高度Z下設置5條相互平行的水平檢測線,分別命名為L1、L2、L3、L4和L5,其中L3位于梁的正中間,L1和L5距離梁邊緣5 mm,L2和L4位于2根縱向受拉鋼筋的下方,掃描長度為跨中800 mm范圍。

圖4 漏磁場檢測線示意

2) 加載步驟

(1) 在空載情況下利用三維掃描檢測裝置采集自發漏磁信號,此步是采集環境磁場;

(2) 采用分級加載制度,每增加10 kN后停止加載,并按照設置好的檢測線采集試件底部的自發漏磁信號;

(3) 重復上述操作,直到RC梁發生破壞時停止加載。

2 試驗結果及分析

試驗采用的三軸自動化掃描裝置能夠測量出3個互相垂直的磁感應強度分量Bx、By和Bz,Roskosz等[19]在研究外應力作用下鐵磁性材料的漏磁場特征后,指出磁場的法向分量與材料內部的應力具有較強的相關性。本試驗的法向分量Bz強度較大且不易受噪聲影響,因此重點將研究RC梁內鋼筋應力與自發漏磁場法向分量Bz之間的關系。

2.1 不同荷載下RC梁內鋼筋漏磁場分布規律

對RC梁進行整體受力分析可知,在掃描區域內(圖4)梁主要承受彎矩作用,為純彎段。在加載過程中還記錄了BG-1#、BG-2#、BG-3#RC梁的裂縫發展過程,如表2所示。

表2 RC梁裂縫開展記錄

由表2可知,3根梁的裂縫發展過程具有相似性。根據RC梁的裂縫發展過程,將整個加載過程分為4個階段:未開裂彈性階段、微裂縫開展階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。為獲取RC梁純彎段在不同荷載下的自發漏磁曲線規律,繪出提離高度Z為30 mm,水平檢測線為L1工況下的曲線。因規律類似,僅給出BG-3#梁的曲線,如圖5所示。

(a) 未開裂彈性階段

(b) 微裂縫開展階段

(c) 帶裂縫工作階段

(d) 破壞階段

從圖5可以看出,磁感應強度隨鋼筋位置的變化有較大差異,主要是因為磁感應曲線從試件的N極指向S極,且在兩端較密集而中間較稀疏,所以起點和終點處的Bz絕對值較大,掃描區域中間部位的Bz絕對值較小。

1) 未開裂彈性階段和微裂縫開展階段。Y-Bz曲線基本重合,整體呈逐漸下降趨勢,且曲線的幅值較小,如圖5(a)所示。產生該現象的原因是在未開裂彈性階段,彎矩主要由混凝土截面承擔,由于鋼筋橫截面積較小,因此其應力增量也非常小。

2) 微裂縫開展階段。當梁底部出現的微裂縫開展至受拉鋼筋處,鋼筋附近出現應力重分布。這2個階段的鋼筋均處于彈性階段,應力促使鋼筋的磁化狀態朝均勻磁化發展,表現為曲線相鄰位置的Bz值差異較小,曲線形狀變化不大,如圖5(b)所示。

3) 帶裂縫工作階段。隨著荷載的增加,Y-Bz曲線逆時針旋轉,同一位置處的Bz值逐漸減小。圖5(c)的Y-Bz曲線出現交點,表明該檢測區域內鋼筋的磁化狀態接近無滯磁磁化狀態。應力使磁疇的磁化方向由初始磁化方向轉變為應力方向,當初始磁化方向相同時,應力越大,磁疇旋轉角度越大,減小了各個位置的法向磁感應強度差值,表現為Y-Bz曲線發生逆時針旋轉。

4) 破壞階段。Y-Bz曲線的形狀發生了變化,如圖5(d)所示,此階段RC梁內受壓區混凝土被壓碎,縱向鋼筋的拉應力維持在屈服應力,鋼筋發生了大量塑性變形,極大程度改變了磁疇的結構,因此破壞階段的法向磁感應強度變化較大,Y-Bz曲線形狀發生變化。

2.2 不同檢測位置處RC梁內鋼筋漏磁場分布規律

漏磁信號易受材料的化學組分、初始磁化狀態、背景磁場、磁傳感器提離高度等多種因素的影響,對這些因素進行單獨或耦合分析,可提高檢測過程中的精度,使結論更精確。

2.2.1 提離高度的影響

試驗在RC梁底部的空間設置了5×5共25條檢測線,變量主要為5個提離高度和5條水平檢測線。為研究沿提離高度方向即Z方向的RC梁法向漏磁場空間分布規律,以BG-3#梁為例,選取0 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm和790 mm這9個Y坐標處在0 kN、90 kN、160 kN以及破壞前這4個荷載工況下,對水平檢測線為L1時的法向磁感應強度值進行分析,繪制了試件在不同提離高度下的Z-Bz曲線,如圖6所示。

(a) 荷載為0 kN

(b) 荷載為90 kN

(c) 荷載為160 kN

(d) RC梁破壞前

由圖6(a)～(c)可知,在未開裂彈性階段、微裂縫開展階段以及帶裂縫工作階段,RC梁的法向分量Bz值隨著磁傳感器提離高度的增加呈現出逐漸減小的趨勢,但在不同檢測位置處Bz的減小程度存在差異。隨著外加荷載的增加,鋼筋不同檢測位置處的Z-Bz曲線之間的間距逐漸減小,且測量得到的Bz數值逐漸趨近于0,呈現出“聚攏”現象。綜合上述分析可知,隨著磁傳感器提離高度的增加,漏磁場強度的整體分布特征基本保持不變。

2.2.2 檢測路徑的影響

進一步分析RC梁在同一高度、不同水平檢測線下的磁場分布情況,仍以試件BG-3#為例?？刂拼艂鞲衅鞯奶犭x高度Z為30 mm不變,給出試件在0 kN、90 kN、160 kN以及破壞前這4個荷載工況下的Bz曲線,如圖7所示。

由圖7可知,L1和L2下的Y-Bz曲線較為陡峭,L4和L5下的Y-Bz曲線較為平緩。檢測線L1和L2靠近縱向受拉鋼筋1,L4和L5靠近縱向受拉鋼筋2,由于2根鋼筋的初始磁化狀態不同,故BG-3#在不同水平檢測線下Y-Bz曲線的分布規律存在一定的差異性。隨著外荷載的增加,所有水平檢測線下的Y-Bz曲線逐漸趨于平緩,曲線的坡度逐漸減小,且不同水平檢測線之間Y-Bz曲線在數值上的差異有一定減小,但曲線的總體形狀規律沒有發生較大的變化。

(a) 荷載為0 kN

(b) 荷載為90 kN

(c) 荷載為160 kN

(d) RC梁破壞前

3 鋼筋應力狀態定量表征

RC梁橋混凝土內部的鋼筋骨架是主要的受力結構,在橋梁的服役過程中發揮著重要作用,因此鋼筋的應力狀態能夠較好地反映出橋梁的安全性能。本文將提取一個特征參數用于定量表征RC梁內鋼筋的應力狀態。

在實際工程中,RC梁內縱向受拉鋼筋的漏磁場受多種因素的影響,相同大小的鋼筋應力有時并不能表現出相同數值的漏磁場強度。為了更好地建立鋼筋應力σ與漏磁場強度之間的量化關系,基于RC梁內鋼筋在不同應力狀態下的空間漏磁場分布特征,提取了一個無量綱的特征參數Aσ,具體表達如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

將鋼筋應力值作為橫坐標,計算所得的Aσ作為縱坐標,可得到RC梁內鋼筋在不同提離高度下的σ-Aσ曲線。由于實際工程中大部分的RC梁都處于帶裂縫工作的狀態,因此主要分析RC梁試件在帶裂縫工作階段Aσ隨鋼筋應力的變化關系。BG-1#試件在提離高度為10 mm時Aσ與σ的關系曲線如圖8所示。

圖8 帶裂縫工作階段特征參數隨應力的變化趨勢

由圖8可知,特征參數Aσ與RC梁內鋼筋應力σ基本呈現出線性遞減的關系。假定特征參數Aσ與鋼筋應力σ之間有如下關系式:

Aσ=Kσ+β0

(4)

式中:K、β0是2個與材料自身有關的未知參數。分析不同試件的特征參數Aσ與鋼筋應力σ之間的線性程度,采用擬合優度R2來說明回歸直線的擬合效果,結果如圖9所示。

圖9 線性擬合優度R2

一般情況下,擬合優度R2越大表示擬合效果越好。由圖9可知,所有樣品的擬合優度均在0.95以上,表明磁特征參數Aσ與RC梁內鋼筋應力σ之間具有較好的線性關系。由式(1)～式(4)可得到RC梁內部鋼筋應力的表征方程,如式(5)所示。

(5)

4 結論

本文開展了RC矩形截面梁四點彎曲加載鋼筋應力自發漏磁檢測試驗,研究了不同荷載和不同檢測位置下RC梁內鋼筋漏磁場的空間分布規律及演變特征,并得出如下主要結論:

1) 在未開裂彈性階段和微裂縫開展階段,Y-Bz曲線基本重疊,表明磁場的變化較微弱。這2個階段的鋼筋均處于彈性階段,應力促使鋼筋的磁化狀態朝均勻磁化發展,表現為曲線相鄰位置的Bz值差異較小,曲線形狀變化不大。

2) 在帶裂縫工作階段,隨著荷載的增加,Y-Bz曲線逐漸逆時針旋轉,同一位置處的Bz值逐漸減小;RC梁破壞時,鋼筋發生了大量塑性變形,材料的磁疇結構被極大改變,故Bz值變化較大,且Y-Bz曲線形狀發生變化。

3) 磁傳感器提離高度和檢測路徑的變化會導致漏磁場強度改變,但磁場的整體分布特征不會發生明顯變化。RC梁內的箍筋對漏磁場的空間分布具有一定影響,導致底部縱向受拉鋼筋的Y-Bz曲線呈現出周期性波動且波動的周期等于箍筋的間距。

4) 提出無量綱特征參數Aσ用于表征鋼筋應力與漏磁場法向分量之間的相關性,該參數在RC梁帶裂縫工作階段內隨鋼筋應力線性遞減,且函數的擬合優度R2均大于0.95,表明擬合值與鋼筋應力實測值之間的誤差較小,因此該參數可用于定量表征RC梁內鋼筋的應力狀態。