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结构控制和健康监测
在线发布于Wiley InterScience
(www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/stc.184
某旧钢筋混凝土拱桥力学响应研究
Y. F. Fan， J. Zhou， Z. Q. Hu
大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，116024，大连，中国
摘要
一座旧的六跨钢筋混凝土拱桥的结构特性已经投入使用大约43年，在被调查。从现场获得桥梁的静态和动态响应监控。基于模型设计的相似理论，通过有机玻璃建立了比例尺一跨桥梁模型。为了模拟对拱肋的不同破坏，在圆柱肋上引入了七个缺口通过用锯切逐渐切割拱肋来桥接。机械响应（例如应变分布，可以实现受损桥梁模型的挠度，频率，振型等）。自实验室来实验结果表明与现场监测结果吻合，可以得出桥梁模型可以代表实际的结构行为。对损坏位置，损坏程度对结构响应的影响进行了详细讨论。还进行了数值模拟，并且数值结果与实验结果吻合良好。版权所有copy;2006 John Wiley＆sons有限公司。
关键词：拱桥；现场监测；模型实验；数值模拟；损伤 ；结构响应
介绍
自1950年代以来，中国已经修建了许多桥梁。 但是，被使用的桥梁不可避免地会遭受各种不同的作用，例如环境腐蚀，过载，超速等，这将导致结构的早期损坏。目前为止，桥的故障已导致实际工程中的许多灾难，巨大的财务每年花费在桥梁的翻新上。在美国，根据1987年的一篇来自国家材料咨询委员会的报道，约253000混凝土桥甲板（其中一些不到20年）处于各种变质状态，并且大约每年将35000个添加到此列表中。1998年，美国的基础设施更新和维修费用估计超过1.3万亿美元据报道，“大约60万联邦清单中的桥梁，将近20％被归类为结构缺陷”，大约5000座桥梁被分类为旧桥，因此，桥梁的安全性已成为关键问题，吸引了全世界科学家和工程师越来越多的关注。在役桥梁的健康监控和损坏诊断一直持续不断值得关注。
实际上，现有桥梁的恶化过程总是受许多因素影响，而且破坏机制很复杂。因此，很难评估现有桥梁的剩余强度和剩余寿命。这些桥梁的损伤诊断和健康监控是近年来研究的活跃领域。这些研究主要集中在役桥梁的现场监测，受损桥梁的实验室实验，损伤检测方法的分析研究，损伤结构状况评估的分析研究等方面。然而，桥梁尺寸大，固有频率和振动水平低，在低振幅下，桥梁的动力响应很大程度上受非结构性因素和不可预见的环境条件的影响。 这些组件的变化很容易与结构损坏相混淆。因此，桥梁的损伤评估对于桥梁工程师而言仍然是一项艰巨的任务。
研究意义
结构构件的损坏是整个桥梁损坏或损坏的直接原因。 在美国新墨西哥州里奥格兰德（RioGrande）的I-40桥梁上进行了振动测试，通过逐渐切割其中一个桥梁大梁，对桥梁造成了四级破坏。 获得了针对不同损坏模型的模态参数。 拱肋是拱桥的重要组成部分。 为了研究旧钢筋混凝土拱桥的剩余强度，对从28年老桥上拆除的两个钢筋混凝土拱肋进行了破坏试验。在本研究中，讨论了需要翻新的旧六跨钢筋混凝土拱桥的破坏机理和力学性能。为了充分了解43岁桥梁的现状，现场实验（包括测试）进行材料特性，桥梁的静态和动态测试）。为了解释拱肋的损坏对结构力学性能的影响，采用了一个单跨比例桥模型由有机玻璃根据相似性理论制造而成。静态和动态测试均在实验室中执行。在桥梁模型的拱上人工制作槽口，以模拟拱肋上的不同损伤。分别研究了拱上有不同损伤的桥梁的力学性能。实验结果表明，该桥梁模型能够很好地反映原型的力学行为。数值模拟也分别在原始桥和比例桥上进行，实现了拱肋损坏对结构性能的影响。
拱桥现场调查
旧桥的状况
六跨钢筋混凝土拱桥建于1960年代，总长度桥长246m（图1）。
从实地调查中发现，桥梁发生了很多损坏部分包括两侧的拱肋，立柱和横梁，桥面甲板。 大量的混凝土覆盖层剥落，混凝土中的钢筋锈蚀严重。造成桥梁损坏的两个主要原因是：
（1）环境与负荷的交互作用：在40年中，环境和负载将导致混凝土的老化和开裂，加速钢筋的腐蚀和膨胀过程。 随着变质逐渐加剧，混凝土覆盖层会剥落，强度和刚度
的材料将减少。
（2）服务期间桥梁过载：桥梁经常过载会导致桥构件的开裂，以及部分将恶化，柱的一些不重要的部分被压碎了。
旧桥实地调查
为了研究桥梁的当前状态，分别对对桥梁进行了静态和动态现场测试。
桥梁的静态检查。根据中华人民共和国交通部的“公路桥梁和涵洞设计通用规范（JTG 021-89）”，桥架上承受了15级车辆负荷的一半。检查沿桥的变形曲线，从现场调查中可以看出，桥梁的最大变形为6-8mm。
桥梁的动态测量。数字信号处理器系统（DSPS）和AR-5F加速度计传感器用于桥梁的动态监控。 由于结构的弱化可以通过降低刚度来表征，从而降低频率并影响其他模态特性。 除非改变质量或刚度，否则不会改变其动态特性，可以将其视为桥梁的振动信号或“指纹”。 为了确认桥梁当前的动态特性，进行了现场动态测试。
图1.钢筋混凝土拱桥示意图
表1.模型参数的比例
环境振动法是用于确定桥梁振动特征的自动化系统的最实用方法，该方法已在本文中采用。根据频率响应，可以使用数字信号处理设备和快速傅立叶变换例程直接从振动结构中测量频率响应，从而获得与每个谐振相对应的谐振频率，模式形状和系统阻尼。
尽管桥梁的六个跨度彼此相同，但每个跨度会发生不同的损坏。 分别监测了六个跨度的固有频率，这些频率在表I中列出。从第一模态得到的阻尼比为2.5–4.6％。 从现场调查中还可以得出，损坏程度越严重，桥跨的频率越低。
模型设计的相似理论
为了研究桥梁的振动特性，有必要使惯性力和弹性回弹保持相似。 因此，模型实验采用了弹力相似性理论。
弹力的相似规律：利用惯性力和弹力之间的相似性可以获得：
x x x = x x
其中的参数分别是几何形状，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参数的比例。
刚度相似规则：为了满足弹性力的相似性规则，选择应变的比例作为几何比例。
实验计划
水下摇床：拱桥的模型实验是在水平，垂直方向和两个方向上激发的水下振动台上进行的。图2显示了水下振动台的示意图。
图2.水下振动台和模型桥的示意图
桥梁模型：由于桥的六个跨度的大小和几何形状基本相同，因此在桥梁模型中考虑了桥梁的一个跨度。
模型材料：使用有机玻璃和水泥两种材料来制作桥梁模型。 拱肋，梁，柱，桥面板由有机玻璃制成，桥墩由水泥浇铸。 由于用于拱肋的有机玻璃的深度不同于其他构件，因此分别测试了两种有机玻璃样品的力学性能。 材料的密度r为1.18x10 3 kg / m 3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特性测试。
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E m的动弹性模量为4200MPa。
桥梁模型比例：考虑到振动台的大小和材料特性，将模型的几何比例确定为20：1。 在实际的制造过程中，模型的几何比例被验证为600：29。 根据相似性规则，比例因子（包括应力，向量，加速器，时间等）可以得到原型与模型桥之间的关系（列于表I），其中l a，l s，l e分别是加速器，应力，应变的比例。 模型的大小在图4中详细显示。表II中列出了桥构件的几何形状。
图3.模型材料的本构曲线：（a）压缩应变-应力曲线； （b）拉伸应变-应力曲线。
图4.模型桥上增加的重量的布局（单位：mm）
表二.桥梁几何参数
|
跨度/mm |
宽度/mm |
桥面深度/mm |
高度/mm |
拱肋 |
柱 |
十字撑杆 |
横梁（T形梁） |
|
|
b x h/mm |
b x h/mm |
b x h/mm |
b x h/mm |
b x h/mm |
||||
|
2127 |
483 |
20 |
874 |
29 x 43.5 |
19.3x19.3 |
14.5 x 29 |
29 x 19.3 |
19.3 x14.5 |
重量应加在桥构件上。 图4中围绕模型桥构件表面的引线环起到增加重量的作用。
实验仪器测量项目。实验的目的是测量机械响应并分析具有不同损伤的桥梁的劣化过程。 由于拱肋是桥梁承载能力的关键部件，因此在静态测试中测量了拱的变形和应变。在动态载荷期间记录应变和加速度计的时间历史。两个拱肋上的应变仪的位置彼此相同。应变仪的位置和编号以及位移测量点分别如图5和6所示。 加速度计的位置和编号如图7所示。实验仪器由水下电液模拟伺服系统，DSPS，AR-5F加速度计和应变传感器，百分表等组成。
实验案例：
人为破坏：本文重点研究拱肋损坏对拱桥机械响应的影响。 为了模拟不同程度的拱形损伤，引入了七个缺口，以通过锯切法人工模拟拱肋上的局部损伤（如图8所示）。 在该实验中没有考虑材料性能的恶化。
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.加速度计8,9,10在另一个拱肋上的位置对应于加速度计3,4,5的位置。 2.指示当从两个方向输入地震波时垂直加速度计的位置；. 表示当从两个方向输入地震波时水平加速度计的位置。
静态加载案例：根据中国通信部的法规，“公路桥梁和涵洞设计通用规范（JTJ 021-89）” [31]，以及现场监控中的交通情况，在此考虑了四个装载情况。 根据本文中应用的相似性规则，作用在模型上的负载将按比例比例进行转换。 图9绘出了四种载荷工况的载荷布置。
动态输入：在实验中，动态输入为图10所示的正弦波和图11所示的随机波。正弦波的频率分别是模型桥的固有频率。随机波是水平和垂直方向的El-centro地震波。输入El-centro地震波与实波之间的转换是根据本文相似性规则推导出的比例进行的。
图8.缺口在拱肋上的位置：（a）西侧拱肋；（b）东侧拱肋
图9.不同工况下的载荷布置：（a）15级车辆荷载；（b）20级车辆荷载；（c）超级20级车梁荷载； 和（d）现场监测
正弦波的频率分别是模型桥的固有频率。 随机波是水平和垂直方向的El-centro地震波。 输入El-centro地震波与实波之间的转换是根据本文相似性规则推导出的比例进行的。
实验结果分析
拱肋损坏的描述：用最笼统的术语来说，损害被定义为系统中引入的会对其当前和未来性能产生不利影响的变化[32]。在这项研究中，损害的定义是有限的机械零件中形成的裂纹。 裂纹的引入将产生几何形状的变化，从而改变零件的刚度特性，从而改变桥梁的测量响应。在损坏范围内（槽口宽度为2mm），损坏部分的刚度将降低到原始部分的19.7％。但是，与拱肋的总长度相比，每侧切口的总长度相对较短。对于具有四个缺口的损坏的西侧拱肋，损坏的长度仅为拱肋总长度的0.38％。因此，尽管局部刚度退化很大，但桥梁整体刚度的变化非常小，仅为整体刚度的1％。
图10.正弦波输入
图11.测试中使用的El-Centro地震波的时程：（a）输入水平地震波的时程； （b）输入垂直地震波的时间历程。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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