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关于旧钢筋混凝土拱桥机械响应的研究
Y. F. Fan*,y,z, J. Zhou, Z. Q. Hu and T. Zhu
(大连理工大学沿海与海洋工程国家重点实验室，大连116024)
摘要:对已经使用了大约43年的旧六跨钢筋混凝土拱桥的结构性能进行调查。桥梁的静态和动态响应是从现场监测中获得的。基于模型设计的相似理论，通过有机眼镜制作了一个缩小的一跨桥梁模型。为了模拟拱肋上的不均匀损坏，通过用锯切逐渐切割拱肋，将七个凹口引入桥。损坏的桥梁模型的机械响应（例如应变分布，失效，频率，模式形状等）得以实现。由于实验室实验结果与现场监测结果一致，就可以得出该比例桥梁模型可以代表实际的结构性能。详细讨论了损伤位置的影响，结构响应的损伤程度。进行了数值模拟，其结果与实验结果吻合较好。
关键词：拱桥; 现场监控; 模型实验; 数值模拟; 损伤; 结构反应
引言
自1950年代以来，中国已建成大量桥梁。但是，在役桥梁不可避免地会出现环境腐蚀，超载，超速等各种行为，导致结构的早期恶化。到目前为止，桥梁的失效导致了实际工程中的许多灾难。巨大的财务费用花在每年改造桥梁上。根据国家材料咨询委员会1987年的报告，美国根据1987年国家材料咨询委员会的报告[1]，大约253000个混凝土桥面板，其中有一些不到20年，都处于不同的恶化状态，且每年大约有35000个加入到这个清单中。 1998年，美国基础设施的更新和维修成本估计超过1.3万亿美元[2]。据报道，“在联邦库存中大约有60万座桥梁，近20％被归类为结构不足”[3]。大约有5000座桥被定义为有缺陷的[4]。因此，桥梁的安全已成为一个关键问题，吸引了全球科学家和工程师越来越多的关注。在役桥梁的健康监测和损伤诊断一直是持续的关注。
实际上，现有桥梁的退化过程总是受到很多因素的影响，损坏机制复杂。因此，这对评估现有桥梁的剩余强度和剩余寿命是非常不利的。这些桥梁的损伤诊断和健康监测是近年来积极的研究领域。这些研究主要集中在现场监测在役桥梁[5-9]，受损桥梁实验室实验[10-13]，损伤检测方法分析研究[14-22]，损伤结构条件评估分析研究[4,23-26]等。然而，桥梁尺寸较大，固有频率和振动水平低，在低幅度下，桥梁的动态响应基本上受到非结构部件的影响，不可预见的环境条件。这些部件的变化很容易与结构损坏混淆。因此，桥梁的损伤评估仍然是桥梁工程师面临的挑战性任务[27]。
研究意义
结构构件的损坏是整座桥梁恶化或失效的直接原因。Farrar等 [28]在美国新墨西哥州的里奥格兰德，通过逐渐切割其中一座桥梁，对I-40大桥进行了振动试验，将四个级别的损坏引入了桥梁。对于不同的损坏模型获得了模态参数。拱肋是拱桥的关键结构。为了研究旧钢筋混凝土拱桥的剩余强度，唐等 [29]对从28年前的桥梁中移除的两个钢筋混凝土拱肋进行了失效实验。
在该研究中，讨论了需要改造的旧六跨钢筋混凝土拱桥受损机构和机械性能。为了充分了解43年桥梁的现状，进行了实验（包括材料性质试验，桥梁静态试验和动态试验）。为了解释拱肋对结构力学性能的影响，基于相似性理论，通过有机眼镜制作了一个缩小的一跨桥梁模型。静态和动态测试均在实验室中执行。在桥梁模型的拱形上刻有凹口，以模拟拱肋上的不均匀损坏;分别研究了拱桥不均匀损伤的桥梁的机械性能。实验结果表明，桥梁模型可以很好的反映原型的机械性能。分别对原始和缩放桥进行数值模拟。实现拱肋对结构性能的影响。
旧桥梁机械响应研究
拱桥的现场勘测
旧桥的条件
六跨钢筋混凝土拱桥建于1960年代。桥梁总长度为246m（图1）。
从现场调查中可以看出，桥梁构件，拱桥，柱梁和桥梁两侧，桥面都有很大的破坏。大量的混凝土盖被剥落，混凝土中的加固件已经严重生锈。造成桥梁恶化的两个主要原因是：
- 环境与负荷的交互作用：40年来，环境和负荷的互动作用将导致混凝土的老化和开裂，这将加速混凝土的加固和膨胀的腐蚀过程。随着劣化逐渐增加，混凝土覆层将被剥落，材料的强度和强度将会降低。
- 维修期间桥梁超载：桥梁经常超载会导致桥梁构件的破裂，构件的强度和坚固性将恶化。柱的一些薄弱部分被压碎。
旧桥的现场检验
为了研究桥梁的现状，分别对旧拱桥进行静态和动态场测试。
桥梁静态检查。根据“公路桥涵设计通用规范（JTG 021-89）”，中国交通运输部的代码为“十五”级，载重量为一半。检查沿桥梁的变形曲线。
形成现场测量，观察到桥梁的最大变形为6-8mm。
图1 钢筋混凝土拱桥草图
表I 模型参数的比例
|
lambda; |
lambda;E |
lambda;rho; |
lambda;tau; |
lambda;mu; |
lambda;alpha; |
lambda;sigma; |
lambda;ε |
|
20.69 |
8.475 |
1.0 |
7.107 |
20.69 |
0.41 |
8.475 |
1.0 |
桥梁动态调查。
数字信号处理器系统（DSPS）和AR-5F加速度传感器被应用于桥梁的动态监测。由于结构的弱化可以通过降低特性来表征，这又会降低频率并影响其他模态性质。动态特性，除非质量或特性被改变，否则不会改变，可以被认为是桥梁的振动特征或“指纹”。为了确认桥梁当前的动态特性，进行了现场动态测试。环境振动方法是自动化系统确定桥梁振动特征的最实际手段，并在本文中采用。从可以使用数字信号处理设备和快速傅立叶变换程序的振动结构直接测量的频率响应中，实现了对应于每个共振的谐振频率，模式形状和系统阻尼。
虽然桥梁的六跨距离是相同的，但在每个跨度上都会发生不同的损害。监测六个跨度的自然频率，分别列于表I中。来自第一模式形状的潮湿比为2.5-4.6％。从现场调查中可以看出，损害越严重，则桥梁跨度的频率越低。
通过模型设计的相似理论
为了研究桥梁的振动特性，必须保持惯性力和弹性回弹力相似。因此，模型实验采用弹力相似理论[30]。
弹力相似理论
使用惯性力和弹力之间的相似性可以得到，
（1）
其中lambda;，lambda;tau; ，lambda;rho; ，lambda;mu;和 lambda;E分别是几何，时间，质量密度，变形和弹性模量的比例。每个参数的比例是原型参数与模型一的比例。
相似性规则
为了满足的弹性力的相似性规则，应变的缩放比例被选择为几何的比例尺比率。
实验计划
水下振动台
在水平，垂直方向和双向激发的水下振动台上进行拱桥模型实验。图2显示了水下摇台的草图。
图2 水下振动台和模型桥的草图
桥梁模型
由于桥梁六跨的尺寸和几何形状基本相同，在桥梁模型中仅考虑了桥的一跨距离。
模型材料
采用有机玻璃和水泥等两种材料制造桥梁模型。拱肋，梁，柱，桥面由有机玻璃制成，桥墩用水泥浇筑。由于用于拱肋的有机玻璃的深度与其它构件不同，因此分别测试了两种有机玻璃样品的机械性能。材料r的密度为1.18〜103kg / m3。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 模型材料的组成曲线：（a）压应变应力曲线; 和（b）拉伸应变-应力曲线。
从材料试验可以得出，抗压强度为102.5-110MPa，抗拉强度为36.5-38.5MPa。 材料Em的动态弹性模块为4200MPa。
桥梁模型的规模
考虑到振动台的尺寸和材料性质，模型的几何尺度决定为20：1。在实际制造过程中，模型的几何尺度验证为600：29。基于相似性规则，可以获得原型和模型桥之间的比例因子（包括应力，向量，加速器，时间等）（列于表I），其中la，ls，le是比例 加速器，应力，应变。模型的尺寸在图4中详细显示。桥梁构件的几何形状列于表II。
重量应加在桥梁上
围绕模型桥构件表面的图4中的引线环作为增加的重量。
图4 模型桥上增加的重量布局（单位：mm）
表Ⅱ 桥梁的几何参数
|
跨度/mm |
宽度/mm |
桥面深度/mm |
高度/mm |
拱肋 |
柱 |
横撑 |
横梁（T型梁） |
|
|
btimes;h/mm |
btimes;h/mm |
btimes;h/mm |
上边缘btimes;h/mm |
下边缘btimes;h/mm |
||||
|
2127 |
483 |
20 |
874 |
29times;43.5 |
19.3times;19.3 |
14.5times;29 |
29times;19.3 |
19.3times;14.5 |
实验仪器测量的项目
实验的目的是测量机械响应，分析不同损坏桥梁的退化过程。由于拱肋是桥梁承载力的关键构件，因此在静态试验中测量了拱的变形和应变。在动态载荷期间记录了应变和加速度计的时间历程。两个拱肋上的应变计的位置彼此相同。图5和6分别示出了应变片和位移测量点的位置和编号。加速度计的位置和编号如图7所示。
实验仪器由水下地震模拟伺服系统，DSPS，AR-5F加速度计和应变传感器，拨号指示器等组成。
实验事例
人工损坏
本文着重于拱桥损伤对拱桥机械响应的影响为了模拟拱的不均匀损伤，引入了七个凹口，通过锯切法（图8）原位模拟拱肋的局部损伤。在本实验中没有考虑材料性质的恶化。
图5 应变片的位置和编号（单位：mm）
图6 位移测量点的布局
图7 加速度计的位置和编号（单位：mm）。注意：1.另一个拱肋上的加速度计8,9,10的位置对应于加速度计3,4,5的位置。 m表示从两个方向输入地震波时垂直加速度计的位置; 表示从两个方向输入地震波时的水平加速度计的位置。
静载情况
根据“中华人民共和国通信管理条例”，“公路桥涵设计通用规范（JTJ 021-89）”[31]以及现场监测中的情况，在此考虑了四种载荷情况。根据本文应用的相似性规则，对模型进行的负载按照比例尺进行了转换。图9中绘出了四种载荷情况的载荷结构。
图8 拱肋上凹口的位置：（a）西侧拱肋; 和（b）东侧拱肋。
图9 荷载情况：（a）汽车-15级; （b）汽车-20级; （c）汽车-超20级; 和（d）现场监测。
动态输入
动态输入状态是图10所示的正弦波和实验中图11所示的随机波。每种情况下，正弦波的频率是模型桥的固有频率。随机波在水平和垂直方向都是El-centro地震波。输入El中心地震波与实波之间的转换是按照本文相似性规则推导的比例尺进行的。
图10 正弦波输入
图11 测试中使用的El-Centro地
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