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结构控制和健康监测
结构控制健康监视(新闻)发表在威利跨学科
(www.interscience.wiley.com)DOI:10.1002 / stc.184
关于老式钢筋混凝土拱桥力学响应的研究
Y. F. Fan, J. Zhou, Z. Q. Hu and T. Zhu
海岸和近海工程国家重点实验室,大连理工大学,大连116024,中国
总结
我们调查了一座服务了大约43年的老式六跨钢筋混凝土拱桥的结构运行状况。桥的静态和动态响应从现场监测得到。基于模型设计的相似理论,用有机玻璃构造了一个按比例缩小的单跨度桥梁模型。我们使用七个等级的锯切逐渐切割拱肋来模拟拱肋上的不同破坏。实现了受损桥梁模型的机械反应(如应变分布、偏转、频率、模式形状等等)。因为实验室实验结果与现场监测结果一致，可以推出按比例缩小的桥梁模型能够代表实际结构运行状况。我们详细讨论了破坏位置的影响以及结构反应的损坏程度。我们也进行了数值模拟,而且数值结果与实验结果有很好的一致性。John Wiley amp; Sons公司2006年出版
关键词:拱桥;现场监测;模型试验;数值模拟;破坏;结构响应
介绍
自1950年以来，中国建立了大量的桥梁。然而,使用中的桥梁难免受到不同的外界作用，例如环境腐蚀、超载、超速等等,这将导致结构的早期恶化。到目前为止,桥梁的失败导致了许多实际工程灾难。每年都要花费巨大的资金在桥梁的改造上。在美国,根据1987年的一项由国家材料咨询委员会[1]的报告显示大约253 000座其中一些还不到20年的混凝土桥桥面处于不同状态的恶化，并且每年大约35 000座被添加到这个列表中。1998年,美国基础设施的更新和修复成本据估计超过1.3万亿美元[2]。据报道,“联邦数据库中大约600 000座桥梁近20%被归类为结构缺陷”[3],大约5 000座桥梁也将归类为缺陷[4]。因此,桥梁的安全已经成为一个关键问题,在世界范围内的科学家和工程师中吸引了越来越多的关注。在使用中的桥梁的健康监测与破损评估已经受到持续关注。
实际上现存桥梁的恶化过程总是受到了许多因素的影响,而且破坏机制是复杂的。因此,很难评估现有桥梁的剩余强度和剩余寿命。这些桥梁破损评估和健康监测是近年来活跃的研究领域。这些研究主要集中在使用中桥梁的现场监测上(5-9),实验室桥梁损坏的实验[10-13],损坏检测方法的分析性研究[14-22],受损结构评定条件的分析性研究[4,23-26]等等。然而,桥梁规模大,固有频率和振动水平较低,在低振幅时,桥梁的动态响应是由不可预见的、非结构性部分的环境条件显著影响的。这些成分的变化可以很容易地与结构性破坏混淆。因此,对桥梁工程师而言，桥梁的损伤评估仍然是一个挑战性的任务[27]。
研究意义
结构成分的损坏是整个桥梁恶化或失效的直接原因。法勒等人[28]在美国新墨西哥州格兰德河的I-40高速公路桥上进行了振动测试,四种不同程度的破坏渐渐地作用在桥主梁上。模态参数获得不同的破坏模式。拱肋是拱桥重要的组成部分。唐等人[29]为了研究老钢筋混凝土拱桥的剩余力量，在一座修建28年的桥上为两个钢筋混凝土拱肋进行了失败实验。
在目前的研究中,我们探讨了一座需要改造的老式六跨钢筋混凝土拱桥的破坏机理和力学性能。为了更好理解这座现存43年桥梁的现状,我们进行了现场试验(包括桥梁的材料属性测试,静态和动态测试)。根据相似理论，我们用有机玻璃构造了一个按比例缩小的单跨度桥梁模型来解释拱肋的损坏在结构力学性能上的影响。我们在实验室中进行了静态和动态测试。我们在桥梁模型的拱上人为制造了切痕来模拟在拱肋上的不同破坏，通过在桥拱上的不同作用，我们研究了各自力学的性能。实验结果表明桥模型可以很好反映原桥的力学行为。数值模拟也分别在原桥和按比例缩小的桥梁模型上进行。拱肋的损坏在结构性能上的影响已经完成。
拱桥的实地调查
老桥的状况
这座老式六跨钢筋混凝土拱桥建于1960年。桥的总长度是246米(图1)。
图1 钢筋混凝土拱桥示意图
从实地调查来看,桥的很多组成部分都出现了破坏，包括拱肋的两侧、列和梁、桥面。大量的混凝土保护层剥落,新增的混凝土已经严重生锈。桥恶化的主要原因有两个:
- 环境和荷载的共同作用:在这40年里,环境和荷载的共同作用将导致混凝土的老化和开裂,这将加速钢筋和混凝土扩张中的腐蚀过程。随着恶化不断的升级,混凝土保护层将剥落,强度和刚度材料将会减少。
- 服务期间的桥梁超载：桥梁经常超载将导致桥梁组成的开裂,强度和刚度也将减小,一些列的薄弱的部分被压碎。
老桥的现场检查
为了调查桥的现状,我们对旧拱桥分别进行了静态和动态实地测试。
桥的静态检查
根据公路桥梁和涵洞设计的通用规范(JTG 021-89),通信的代码的公关,中国一半的负载对车队Grade-15行动在桥上,沿着桥变形曲线进行检查。实地调查,发现桥的最大变形是6-8毫米。
桥的动态测量
桥梁的动态监测应用了数字信号处理器(dsp)和AR-5F加速度计系统传感器。通过降低刚度特征可以削弱结构,进而会降低频率并且影响其他模态特性。动态属性可能被视为振动签名或桥的“指纹”,因为它不会变化除非质量或刚度改变。为了知道桥当前的动态特性,我们进行了现场动态测试。为一个自动化的系统来确定桥梁的振动信号,并使用在这篇文章中,环境振动方法是最实用的手段。频率响应可以直接从一个振动测量结构使用数字信号处理设备和快速傅里叶变换的例程测出来，而频率响应可以让我们知道共振频率,相应的共振模式形状和系统阻尼。虽然六桥的跨度是相同的,但不同的损害发生在每一个跨度。我们分别检测了六跨的固有频率,如表1所示。从第一个振型开始，阻尼比为2.5-4.6%。从这方面调查显示,损坏越严重,桥跨的频率就越低。
表1 模型参数规模
|
20.69 |
8.475 |
1.0 |
7.107 |
20.69 |
0.41 |
8.475 |
1.0 |
相似理论模型设计
研究桥梁的振动特征,有必要保持惯性力和弹性恢复力相似。因此,我们采用相似理论的弹性力的模型实验[30]。
相似的弹性力
使用惯性力和弹性力之间的相似性可以获得规模比率，
分别表示几何、时间、质量密度、变形和弹性模量，每个参数的规模比率对应一个参数模型的比率。
相似的刚度
为了满足相似规则的弹性力,应变选自几何比率。
实验方案
水下振动台
拱桥的模型试验在水下振动台的水平、和垂直两个方向进行。图2显示了水下振动台的草图。
图2 水下振动台与模型桥的示意图
模型桥
由于桥的六个跨度的大小和几何形状基本相同，桥梁模型中只考虑其中的一个跨度。
模型材料
采用有机玻璃和水泥2种材料制作桥模型。拱肋，梁，柱，桥面由有机玻璃制作，桥墩用水泥浇注。由于拱肋深层的有机玻璃不同于其他的，我们分别对两种有机玻璃试样的力学性能进行了测试。材料的密度是1.18x10kg/m。压缩和拉伸应变-应力曲线如图3所示。自由振动法用于材料的动态性能测试。
图3模型材料的本构关系：（a）压缩应变-应力曲线；（b）拉伸应变-应力曲线
从材料的测试可以得出抗压强度为102.5-110MPa，抗拉强度为36.5-38.5MPa。材料的动态弹性模量为4200MPa。
桥梁模型规模
考虑到振动台的尺寸和材料属性，模型的几何尺寸决定为20:1。在实际加工过程中，该模型的几何尺度验证为600:29。基于相似准则，原型和模型桥之间的比例因子（包括应力，矢量，催速剂，时间等）在这里可以得到（在表1中列出），在那里香格里拉，最小二乘，乐分别是催速剂，应力，应变。模型的大小如图4所示。桥梁构件的几何形态在表2中列出。大桥上应增加重量。图4中在模型桥构件表面的铅环相当于增加的重量。
图4 模型桥增加重量的布局（单位：毫米）
实验测量仪器
实验的目的是测量不同损伤的桥梁的力学响应，分析其劣化过程。由于拱肋是桥梁的承载能力的关键构件，在静力试验中测量了拱的变形和应变。在动态加载期间，记录应变和加速度计的时间历程。两个拱肋的应变计的位置是相同的。应变计和位移测量点的位置和编号分别显示在图5和图6中。加速度计的位置和编号在图7中显示。
图5 应变计的位置和编号（单位：毫米）
图6 位移测点布置
图7 加速度计的位置和编号（单位：毫米）。
注：1．拱肋的加速度计8、9、10位置对应加速度计的3、4、5的位置。
2．△表示地震波的垂直加速度计的位置，和水平加速度计的位置作为地震波被输入的双向。
实验仪器包括水下电液伺服地震模拟系统，数字信号处理器，ar-5f加速度传感器和应变传感器，百分表等。
实验情况
人为破坏：本文重点研究了拱肋损伤对拱桥力学响应的影响。为了模拟拱不同的破坏，人为制造了七级锯切模拟了局部破坏对拱肋的破坏（如图8所示）。在这个实验中，不考虑材料的性能的劣化。
图8 在拱肋的缺口位置：（a）西侧拱肋；和（b）东侧拱肋。
图9 不同的负载情况下的负荷安排：
（a）车队15（b）车队20（c）超级车队20（d）原位监测
静载：根据中华人民共和国交通部公路桥涵设计通用规范（JTJ 021-89）[31]，并在现场监测的流量，这里考虑了四种负荷。基于相似准则，在模型上的负载按比例进行转换。在图9中绘制了四种负载情况下的负载安排。
动态输入：试验中动态输入的正弦波如图10所示，随机波如图11所示。正弦波的频率是每种情况下模型桥的固有频率。随机波是水平和垂直方向上的地震波。地震波和真实波之间的转换输入已经在本文推导出的规模相似性规则中演示过了。
图10 正弦波输入
图11 地震波测试中使用的过程：（a）输入水平地震波过程；（b）输入竖向地震波过程
实验结果分析
对拱肋的损伤描述
在最一般的条件下，损坏被定义为一个变化引入到一个系统，对其当前和未来的性能产生不利影响[32]。在这项研究中，损坏的定义是有限的一个形成在机械零件的裂缝。采用的裂缝将产生几何变化，改变了部分的刚度特性，从而改变测量的桥梁的响应。
在损伤范围内（缺口的宽度为2毫米），损坏部分的刚度将降低到原来的19.7%。然而，相比于拱肋整体总长度每侧切口的长度较短。对于受损的西侧拱肋，其中有四个缺口，损坏的长度只有拱肋整体长0.38%。因此，虽然局部刚度有很大的退化，但桥的整体刚度变化很轻微，只有整体刚度的1%。
静态测试结果分析
拱肋的静力变形：在四种荷载的情况下，静态实验分别采用未破坏的模型和七处破坏的模型，实现了拱肋变形。类似的变形规则来实现四个加载 。本文给出现场监测负载下模型的实验结果（如图12）。
图12 在现场监测交通荷载作用下拱肋变形
（a）两个拱的跨中拱肋（b）1 / 4、3 / 4拱肋
图13 切口2对现场监测交通荷载下拱肋应变分布的影响
图14交通负荷监测下西拱肋跨中损伤对拱肋的变形影响：
（a）受损的拱肋上部的应变分布；（b）在损坏的拱肋外应力分布；（c）在完好的拱肋上的应变分布；（d）在完好的拱肋外应变分布。注：压缩是 ，拉伸是-
从图12中，可以得出：
（1）随着拱肋的严重破坏，跨中拱肋的变形将逐渐增大。基于几何模型的比例，破坏71的跨中变形将比完好的模型增加4.8mm；
（2）1/4和3/4拱肋的变形与破坏的位置相对应。例如，当切口6出现时，靠近切口6变形将有一个明显的增加。然而，在下一个破坏作用下，除了切口6出现，接近切口6变形将只有轻微的变化。
拱肋的静应变
一个系统的损伤状态可以被描述为五个过程，包括损伤的存在、位置、类型、程度和预测。在不同损伤位置和不同程度下，分别讨论了拱肋的应变分布。
损害程度的影响
为了研究桥的损伤程度对桥梁的影响，通过逐步切割拱肋，引入了2个不同的切口等级。破坏20模型切口在2之前。破坏21模型在切口2之后，切口的宽度和深度的分别为1和10mm。破坏22模型切口在2之后，切口宽度和深度分别为2和20mm。现场监测在交通荷载作用下，破坏20、破坏21、破坏22模型沿拱肋的应变分布绘制如图13。
图13表明，一
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资料编号：[150117]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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