扁接头尺寸与标距长度对混凝土构件应力评估影响的数值与实验研究

《Engineering Structures》：Numerical and experimental investigation into the influence of flat jack size and gage length on the stress evaluation of concrete elements

　　

摘要

扁千斤顶试验（FJT）是一种成熟的原位应力评估技术，广泛应用于砌体和岩石工程领域，但由于混凝土具有更高的刚度、异质性以及复杂的应力重分布机制，其在混凝土结构中的应用仍然十分有限。本研究提出并初步验证了一个结合实验与数值分析的综合框架，以研究扁千斤顶试验在混凝土构件中的适用性。在C20/25无筋混凝土试块上进行了受控的实验室试验，施加了从2至4 MPa的已知压缩应力水平。测试了两种圆弧形的扁千斤顶，长度分别为25 cm和33 cm。将切割槽和重新加压扁千斤顶过程中测量点之间的相对位移与三维有限元模拟结果进行了比较。随后，利用数值模型分析了位移场、槽体周围的应力重分布，以及测量长度和与常见混凝土等级（从C20/25到C60/75）相关的弹性模量的影响。比较结果表明，在测量系统的重复性和分辨率范围内，实验与数值位移响应之间吻合良好。结果表明，扁千斤顶试验在混凝土中的可靠性主要取决于位移场的可测性，而可测性取决于槽体几何形状和测量长度。在所研究的无筋混凝土试块几何形状和应力范围内，33 cm的配置提供了比25 cm配置更大的位移信号和更高的信号与分辨率比值；然而，这一发现取决于具体配置，不应被解释为建议使用更大扁千斤顶的一般性建议。在所采用的线弹性框架内，弹性模量的变化主要影响位移信号的幅度，而不会根本改变试验几何形状的主导作用。本研究为将扁千斤顶试验从砌体逐步推广到选定的无筋混凝土构件以及可在不与钢筋相互作用的情况下切割槽体的大体积混凝土区域的应用提供了实验支持的基础。

引言

对现有混凝土结构的原位应力状态进行评估是结构诊断中的关键问题。这一方面对于普通的钢筋混凝土竖向构件（如柱和桥墩）具有重要意义，同时也适用于拱、隧道以及大坝等大体积结构，因为这些结构的承载能力、适用性能和长期性能取决于结构内部作用的应力。同样，在预应力混凝土结构中，受弯构件（如桥梁主梁和梁）的受力行为受预应力的大小和分布以及持续荷载和可变服务荷载的影响。因此，能够可靠估计原位应力的方法对于评估现有基础设施的老化效应、评价结构加固的有效性以及验证结构在正常使用和特殊荷载条件下的性能具有首要意义。目前，大多数适用于混凝土结构的技术通过将与原始应力状态相关的局部应变释放来间接估计应力，如锯切法和其他应力释放方法。其他方法则需要专用设备和复杂的解释程序，如X射线衍射技术[1]。

扁千斤顶试验（FJT）是岩石和砌体工程中成熟的原位应力评估方法[[2], [3], [4]]。该方法基于在受压构件中切割槽体以引起局部应力释放，随后通过加压的扁千斤顶恢复原有应力水平。得益于其直接测量原理、微创性和相对简单的解释方法，扁千斤顶试验已被广泛应用于砌体诊断领域，目前该领域已有国际标准和规范对其进行规范[[5], [6], [7], [8]]。

另一方面，扁千斤顶试验在混凝土结构中的应用仍然十分有限。由于混凝土与砌体在力学行为上的差异、材料异质性的尺度差异、混凝土中钢筋的存在以及复杂的应力重分布机制[[9], [10], [11]]，直接将砌体领域开发的方法推广到混凝土并非易事。具体而言，混凝土更高的刚度导致槽体两侧的位移较小且存在强烈的局部效应，使得测量解释对试验几何形状、扁千斤顶特性和测量配置高度敏感。Fedele和Maier[12]表明，要可靠地解释混凝土中的扁千斤顶测量数据，需要对槽体周围的应力重分布有透彻的力学理解，并且在许多情况下，需要借助数值建模将测量的位移与潜在的应力状态联系起来。这些研究是致力于将扁千斤顶试验推广到大体积混凝土结构（特别是大坝）的研究工作的一部分，由于被测构件厚度大、刚度高，在这些研究中使用了大型或超大型扁千斤顶[[13], [14], [15]]。

尽管这些研究证明了扁千斤顶试验用于混凝土的潜力，但现有的实验证据仍然主要局限于大体积混凝土结构和大规模试验配置。该方法在普通混凝土构件中的适用性尚未得到系统建立。在此类应用中，由应力释放产生的相对较小的位移可能与测量系统的分辨率和不确定度相当，从而影响应力估计的稳健性。此外，混凝土刚度、扁千斤顶尺寸、测量长度和试验几何形状对应力重分布和可测位移响应的综合影响尚未得到全面的量化。基于此背景，本研究开发并验证了一个综合实验-数值分析框架，用于研究混凝土构件中切割槽体引起的应力重分布以及在扁千斤顶试验期间测量到的位移响应。

该框架旨在提供一种基于力学的工具，用于评估将该方法推广到普通混凝土结构的可行性，并识别能够产生足够可靠测量结果的试验配置。尽管钢筋混凝土和预应力混凝土构件是一个重要的长期应用领域，但本研究仅限于无筋混凝土构件和大体积混凝土区域。钢筋、箍筋、管道和预应力筋的影响需要专门的研究，超出了本文的范围。本研究分为三个阶段。第一阶段，使用两种不同尺寸的扁千斤顶对C20/25级混凝土试件进行了实验研究，以评估操作参数对测量精度的影响。在第二阶段，开发了数值模型以再现试验配置和观测到的力学响应。将实验和数值结果进行比较以验证建模方法。在第三阶段，利用经过验证的模型进行参数化研究，以调查关键参数的影响，特别关注混凝土等级、扁千斤顶尺寸和测量长度。

各章节摘要

研究现状

扁千斤顶装置最初由Freyssinet于1939年构思，用于对混凝土构件施加压缩力[16]。作为一种应力释放技术用于原位应力测量，其在20世纪60年代末首次被系统性地应用于岩石力学领域，用于评估岩体中的应力水平和变形参数[2]。在20世纪80年代初，该方法被引入砌体结构领域，并成为一种评估原位应力的成熟工具。

实验研究

实验研究旨在评估扁千斤顶试验的可行性，并为第4节将要开发的数值模型提供验证数据。为此，测试了两种不同尺寸的扁千斤顶。两种装置具有相同的圆弧截面轮廓，对应于直径为35 cm的圆形。较小的千斤顶长度为25 cm，深度为5 cm；较大的千斤顶长度和深度分别为33 cm和12 cm（图2，左）。

两个混凝土

数值分析

对于数值研究，在Abaqus/CAE 2025[37]中建立了三个有限元模型。第一个模型代表完整的混凝土试块，用作基准配置来确定切割槽之前的基准标记距离。第二个和第三个模型分别再现了切割适合25 cm和33 cm扁千斤顶的槽体之后的试块。25 cm扁千斤顶的槽体被建模为深度50 mm、宽度4 mm的槽体。

参数化研究

为了研究扁千斤顶试验在所考虑的实验配置之外的可行性，使用经过验证的模型进行了全面的参数化研究。该研究考察了材料属性、测量几何形状和扁千斤顶尺寸的变动如何影响位移场以及槽体周围的应力重分布。

第一个研究的参数是弹性模量，选取了四个等级以代表两大类结构应用：

讨论

第4节数值研究和第5节参数化研究中所呈现的结果全面揭示了混凝土构件在扁千斤顶试验过程中的力学响应，使得能够对扁千斤顶尺寸、测量长度和混凝土刚度对位移测量和应力重分布的影响进行批判性评估。实验数据与数值预测的比较表明，在测量点位移方面，两者在槽体切割和

结论

本研究通过结合实验和数值分析的方法研究了扁千斤顶试验在混凝土构件中的适用性。该工作的主要贡献是开发并初步验证了一个框架，在该框架中，受控的实验室试验在已知压缩应力水平下提供位移和压力数据，而有限元模拟则用于解释由切割槽体和扁千斤顶引起的弹性位移场和应力重分布。

CRediT作者贡献声明

Carlo Pettorruso：撰写–初稿，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Dalila Rossi：验证，方法论，调查，概念化。Virginio Quaglini：撰写–审阅与编辑，监督，方法论，调查，概念化。

资助

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项拨款。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢Roberto Minerva先生和米兰理工大学的材料测试实验室提供了实验设施并支持了试验的执行，特别是感谢Daniele Spinelli先生、Giacomo Vazzana工程师和Marco Cucchi先生在测试装置准备和试验执行中提供的宝贵帮助。

Carlo Pettorruso|Dalila Rossi|Virginio Quaglini

意大利米兰理工大学建筑、建成环境与建造工程系