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旧钢筋混凝土拱桥的力学响应研究
摘要：研究了一座已经使用了43年的旧六跨钢筋混凝土拱桥的结构性能，通过现场监测获得桥梁的静态和动态响应，基于模型设计的相似理论，采用有机玻璃制作了一种缩尺单跨桥梁模型。为了模拟不同的拱肋损伤情况，采用锯切法对拱肋进行逐步切割，在桥梁上引入了7个切口，得到了损伤桥梁模型的力学响应(如应变分布、挠度、频率、振型等）。由于室内试验结果与现场监测结果吻合较好，因此可以推导出缩尺桥模型能较好地反映实际结构行为。详细讨论了损伤部位、损伤程度对结构响应的影响，进行了数值模拟，数值结果与实验结果吻合良好。
关键词：拱桥；现场监测；模型试验；数值模拟；损害；结构响应
简介
自20世纪50年代以来，中国修建了大量的桥梁。但是，在役桥梁不可避免地会受到不同的影响，例如环境腐蚀，超载，超速等，这将导致结构的早期恶化。到目前为止，桥梁的破坏在实际工程中已经导致了许多灾害，每年都要花费巨大的财政成本来翻新这些桥梁。在美国根据美国国家材料咨询委员会[1]1987年的一份报告，大约有253000个混凝土桥面处于不同程度的退化状态，其中一些桥面使用不到20年，每年大约有35000个桥面被加到这个名单上。1998年，美国基础设施的更新和维修费用估计超过1.3万亿美元[2]。据报道，在联邦库存的约60万座桥梁中，近20%被列为结构缺陷桥梁[3]，约5000座桥梁被列为[4]缺陷桥梁，因此，桥梁的安全性已成为一个关键问题，并引起全世界科学家和工程师越来越多的关注，现役桥梁的健康监测和损伤诊断一直是人们关注的问题。
在实际工程中，现有桥梁的损坏过程往往受到多种因素的影响，损伤机理复杂，因此，评估现有桥梁的剩余强度和剩余寿命是非常困难的。近年来，桥梁的损伤诊断和健康监测是研究的热点。这些研究主要集中在现役桥梁现场监测[5-9]、损伤桥梁室内试验[10-13]、损伤检测方法分析研究[14-22]、损伤结构状态评估分析研究[4,23-26]等方面。然而，桥梁体积较大，固有频率和振动水平较低，在低振幅时，桥梁的动力响应受非结构构件、不可预见的环境条件的影响较大。这些部件的变化很容易与结构损伤混淆。因此，桥梁损伤评估仍然是桥梁工程师们面临的一项具有挑战性的任务[27]。
研究意义
结构构件的损伤是桥梁整体损坏或破坏的直接原因。法勒等人[28]对美国新墨西哥州里奥格兰德的I-40大桥进行了振动试验，通过逐渐切割其中一座桥梁，对桥梁进行了四级破坏，得到了不同损伤模型的模态参数，拱肋是拱桥的关键构件。为了研究旧钢筋混凝土拱桥的剩余强度，唐等人[29]对一座28年历史桥梁拆除的两根钢筋混凝土拱肋进行了破坏试验。
在本研究中，对一座旧式六跨钢筋混凝土拱桥受损机理和力学性能进行了探讨。为了更好地了解这座43年历史的桥梁的现状，进行了现场实验（包括材料性能测试，桥梁的静态和动态测试）。为了说明拱肋损伤对结构力学性能的影响，基于相似理论，采用有机玻璃制作了一个缩尺单跨桥梁模型。静态和动态试验均在实验室中进行，在桥梁模型的拱上人工开槽，模拟拱肋不同程度的损伤，然后分别对不同损伤程度的拱桥的力学性能进行了研究。实验结果表明，桥梁模型可以很好地反映原桥的力学性能。分别对原桥和缩放桥进行数值模拟，实现了拱肋对结构性能的破坏。
拱桥现场勘察
旧桥的现状：六跨钢筋混凝土拱桥建于20世纪60年代，桥的总长度为246米（图1）。
通过现场勘察，发现拱桥构件包括拱肋、立柱和梁的两侧以及桥面都发生了较大的破坏。大量混凝土盖层发生剥落，混凝土中的钢筋锈蚀严重。桥梁老化的两个主要原因是:
- 环境与荷载的交互作用:近40年来，环境与荷载的交互作用会导致混凝土的老化开裂，加速混凝土钢筋的腐蚀和膨胀过程。随着劣化程度的逐渐增大，混凝土覆盖层会发生剥落，材料的强度和刚度会降低.
- 桥梁在使用期间超载:桥梁经常超载会导致桥梁构件开裂，构件的强度和填充性会恶化，柱子的一些薄弱部分会被压碎。
图1钢筋混凝土拱桥示意图
旧桥的现场检查
为了解该桥的现状，对老拱桥分别进行了静力和动力现场试验。
桥梁的静态检查：根据交通部《公路桥涵设计通则》(JTG021-89)规定，15级车队荷载的一半作用于该桥，考察了该桥的变形曲线。
通过现场实测，桥梁的最大变形量为6-8毫米。
桥梁的动态测量：
采用数字信号处理系统(DSPS)和AR-5F加速度传感器对桥梁进行动态监测。由于结构的削弱可以通过刚度的降低来表征，而刚度的降低反过来又会降低频率并影响其他模态特性。除非质量或刚度发生变化，否则桥梁的动力特性不会发生变化，这可以看作是桥梁的振动特征或“指纹”。为了确认桥梁的当前动态特性，进行了现场动态试验。环境振动法是桥梁振动特征自动识别系统中最实用的一种方法。利用数字信号处理设备和快速傅里叶变换程序，直接从振动结构的频率响应出发，得到了各谐振对应的谐振频率、振型和系统阻尼。
尽管桥梁的六个跨度彼此相同，但每个跨度都会发生不同的损坏。分别监测六个跨度的固有频率，见表1。由第一模态得到的阻尼比为2.5-4.6%。通过现场调查，还可以得出损伤越严重，桥梁跨频越低。
表1模型参数比例尺
模型设计中的相似理论
为了研究桥梁的振动特性，必须使惯性力和弹性回弹保持一致。因此，模型实验采用了弹性力相似理论[30]。
弹力相似规则：
利用惯性力和弹力之间的相似性可以得到，
（1）
其中lambda;、lambda;t、lambda;p、lambda;u和lambda;E为几何尺寸比、时间比、质量密度比、变形比、弹性模量比。各参数的比例为原型参数与模型参数之比。
刚度相似规则：
为满足弹性力的相似规律，选取应变比例尺作为几何比例尺。
实验计划
水下振动台
由于桥梁的六个跨度的尺寸和几何形状基本相同，因此在桥梁模型中仅考虑桥梁的一个跨度。
模型材料。采用有机玻璃和水泥两种材料制作桥梁模型。拱肋、梁、柱、桥面均采用有机玻璃制作，桥墩采用水泥浇筑。由于拱肋有机玻璃的深度与其他构件不同，因此分别测试了两种有机玻璃试样的机械性能。材料的密度rho;=1.18times;103 kg/m3。压、拉应变-应力曲线如图3所示。采用自由振动法对材料进行了动态性能测试。
从材料试验中可以推导出抗压强度为102.5-110MPa，抗拉强度为36.5-38.5MPa。材料的动态弹性模量Em为4200MPa。
图2水下振动台及模型桥示意图
图3模型曲线：（a）压缩应变-应力曲线;（b）拉伸应变-应力曲线
桥梁模型的比例尺考虑到振动台的尺寸和材料特性，决定模型的几何尺度为20:1。在实际制造过程中，模型的几何尺度验证为600：29。根据相似规则，可以得到原型与模型桥梁之间的比例因素(包括应力、矢量、加速度、时间等)（列于表1），其中lambda;alpha;，lambda;sigma;，lambda;ε分别是加速度，应力，应变的比例。模型的大小如图4所示。桥梁构件的几何形状见表2。
桥梁构件应增加重量。图4中围绕模型桥构件表面的铅环充当了附加的重量。
图4模型桥附加重量的布置(单位:毫米)
|
拱肋 |
桥柱 |
交叉支撑 |
横梁（T形梁） |
|||||
|
跨径（毫米） |
宽度（毫米） |
桥面深度（毫米） |
桥高（毫米） |
长times;宽（毫米） |
长times;宽（毫米） |
长times;宽（毫米） |
上缘长times;宽（毫米） |
下缘长times;宽（毫米） |
|
2127 |
483 |
20 |
874 |
29times;43.5 |
19.3times;19.3 |
14.5times;29 |
29times;19.3 |
19.3times;14.5 |
表四桥几何参数
实验仪器测量项目试验的目的是测量桥梁的力学响应，分析不同损伤下桥梁的破坏过程。由于拱肋是桥梁承载能力的关键构件，在静力试验中对拱的变形和应变进行了测量。记录了动态加载过程中应变和加速度的时间历程。应变仪在两个拱肋上的位置彼此相同。应变片的位置和编号以及位移测量点分别如图5和图6所示。加速度计的位置和编号如图7所示。
实验仪器由水下电动液压地震模拟伺服系统，DSPS，AR-5F加速度计和应变传感器，千分表等组成。
图5应变片的位置和编号(单位:毫米)
图6位移测量点布置
图7加速度计的位置和编号(单位：毫米)。注意：1.另一拱肋上加速度计8，9，10的位置对应于加速度计3，4，5的位置。2.表示从两个方向输入地震波时垂直加速度计的位置；表示当地震波从两个方向输入时水平加速度计的位置。
不同实验情况
人为损坏条件下：研究了拱肋损伤对拱桥力学性能的影响，为了模拟拱的不同损坏，引入了七个槽口以通过锯切来模拟拱肋上的局部损坏（如图8所示）。本实验未考虑材料性能的劣化。
静态加载情况：根据《中华人民共和国交通部规范》、《公路桥涵设计通则(JTJ021-89)》[31]，结合现场监测的交通情况，考虑了四种装载情况。根据本文应用的相似规则，将作用于模型上的荷载按比例转换。四个装载箱的装载布置如图9所示。
动态输入：实验中动态输入为正弦波如图10所示，随机波如图11所示。正弦波频率为各情况下模型桥的固有频率。水平方向和垂直方向的随机波均为EI-centro地震波。根据相似规则推导出的尺度比，对输入EI-centro地震波与实波进行了转换。
图8拱肋切口位置：(a)拱肋西侧；(b)东区拱肋
图9：不同装载情况下的负载安排：（a）15级车队；（b）25级车队；（c）车队超20级；(d)现场监测。
图10正弦波输入
图11试验用El-Centro地震波时程:(a)输入水平地震波时程;(b)输入垂直地震波的时程。
实验结果分析
描述拱肋的损坏情况
一般来说，损坏定义为引入到系统中的变化，这些变化会对系统当前和未来的性能产生负面影响[32]。在本研究中，损伤的定义仅限于在机械部件中形成的裂纹。裂缝的引入会引起几何形状的变化，从而改变构件的刚度特性，进而改变桥梁的实测响应。在损伤范围内(缺口宽度为2毫米)，损伤截面刚度将降低到原截面的19.7%。然而，与拱肋的总长度相比，两侧切口的总长度相对较短。对于有四个缺口的西侧拱肋损伤，损伤长度仅为拱肋总长度的0.38%。因此，虽然局部填充性有很大的退化，但整体填充性的变化非常微小，仅占整体刚度的1%。
静态实验分析
拱肋的静态变形：在四种加载情况下，分别对未损伤模型和七种损伤模型进行了静力试验。实现了拱肋的变形。四种加载情况下的变形变化规律基本相同。模型在现场监测荷载作用下的实验结果如图12所示。
图12在现场监测交通荷载下拱肋的变形：（a）两个拱肋上的中跨；（b）东拱肋上的1/4和3/4点
图13在现场监测荷载作用下，缺口2对拱肋应变分布的影响
由图12可知，(1)随着拱肋损伤程度的加重，跨中拱肋的变形将逐渐增大。根据几何尺度比，Dam71模型跨中变形比未损伤模型增大4.8毫米；(2)1/4和3/4拱肋的变形与损伤部位有关。例如，在制作凹槽6时，靠近凹槽6的变形会有明显的增加。然而，随着第6切口以外的下一次损伤的发生，靠近第6切口的变形会有轻微的变化。
拱肋上的静态应变：系统的损坏状态可以描述为一个完整的过程，包括损伤的存在，位置，类型，程度和预测。在不同的损伤位置和范围内分别讨论了沿拱肋的应变分布。
损伤程度的影响：为了研究损伤程度对拱桥响应的影响，通过对拱肋的逐步切割，在拱桥上引入两种不同等级的缺口2。Dam20是缺口2被切割之前的模型。Dam21为缺口2制作完成后的模型，缺口宽度和深度分别为1毫米和10毫米。Dam22为缺口2制作完成后的模型，缺口宽度和深度分别为2毫米和20毫米。在现场监测交通荷载作用下，Dam20、Dam21、Dam22拱肋应变分布变化如图13所示。从图13可以看出，一旦缺口2形成，靠近缺口的应变将发生显著变化，而远离缺口的应变变化不大。另一方面，如果缺口的深度从10毫米增加到20毫米，沿
资料编号：[3810]
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