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结构工程
M.P. Limongelli a, D. Siegert b, E. Merliot b, J. Waeytens b, F. Bourquin b, R. Vidal c,
V. Le Corvec d, I. Gueguen e,L.M. Cottineau e
文章信息 概要
文章历史
本文研究了在后张拉混凝土梁上进行一次运动试验的结果，目的是研究基于静力和/或动态试验，提早发现恶化预警征兆的可能性。梁被测试的几个配置旨在重现5个不同阶段的梁的“生命”：在原始的未受损状态下，在后张拉索上的张力损失增加，在中间跨度的裂缝形成期间和之后，通过第二张拉索进行强化干预后，在加固梁裂缝进一步形成中和形成后。通过一系列由加速度计、测斜仪、位移传感器、应变仪和光纤组成的仪器测量了梁的响应。本文利用了加速度计和位移传感器的数据进行了研究。本文从动态试验和静态试验中监测的弯曲刚度的角度, 介绍了不同损伤场景中梁的测试程序和动态特性。
2015年12月16日接收
2016年6月22日修订
2016年9月12日通过
2016年9月21上传网络
关键词
损伤检测
后张梁
实验检验
模态频率
1，介绍
由于老化、腐蚀性环境和/或服役荷载世界上大部分现有的桥梁都在不断恶化，需要检查以评估其健康状况。预应力混凝土梁劣化的主要原因之一是在重型车辆通过时，绞线的腐蚀可能引起的混凝土开裂以及以下 的开口和闭合。早期发现裂缝和/或张力损失，是改善结构安全的战略。获得绞线锚固和再张紧的链往往是很困难的甚至是不可能的，因此对结构性能的评估通常是根据从响应振动中恢复的间接特征进行的。本文还对静态和动态非破坏性方法进行了研究，并对该课题进行了大量的试验和数值的研究。所有的调查显示，混凝土截面的开裂导致了整体刚度的降低和局部曲率的增加，可以根据振动的结构响应被可靠的检测出（假如故障诱发可测量这些特征的变化）。相反，锚固的松弛以及“呼吸”裂纹对动态参数，例如模态频率，据报道是相当难以识别的。在1986年出版的论文中，Kato 和Shimada指出，由自然频率引发的裂纹在减少，但直到预应力导线的屈服，由于裂纹的闭合，变化几乎是微不足道的。参考文献【34】在瑞士三跨度预应力Z24大桥上进行的试验验证了这一点：模态参数在钢筋屈服前的变化很小。Saiidi等人还研究了从模态频率变化中检测预应力损失的可能性得出了结论：在实际范围内的预应力变化引起的频率的变化-太小而不能获得预应力损失的可靠估计。在参考文献【7-9】中还报告过类似的结论，它对预应力混凝土梁进行了腐蚀模态频率变化的实验评估。在所有的这些研究中，报告了从低到中等水平的腐蚀诱发了混凝土的开裂对模态频率的变化很小。
尽管有上述的兴趣，但很少有研究分析了结构的不同健康条件下静态和动态实验结果之间的相关性。
本文展示在预应力混凝土梁上进行实验运动的结果测试是在项目SIPRIS(Systems Intelligents pour la Prevention des Risques Structurels)的领域进行的，目的是发展智能系统，防止与大型基础设施老化有关的结构性风险。
在几个配置中测试了几个样本，目的是再现梁的“生命”的几个不同阶段：在原始未损坏的状态下、在增加的锚固张力损失下、在一个点的引起开裂期间和之后、在一次加强干预之后、在修复梁产生新的裂缝后。通过三点静力弯曲实验，以控制方式引入损伤。横向点荷载被应用于沿着梁的轴线的几个不同截面。在每次静力测试前后，在正弦扫描和冲击实验下，通过沿着梁轴线部署的一系列加速度计测量梁的动力响应。提供静态和动态试验均允许调查和比较其有效性，以检测张拉梁的损伤并可靠地识别损伤的演化。
本文讨论了不同阶段梁的动态特性测试程序及相关结果。
实验活动的目的之一是研究传感器的低成本网络，例如一个单一的加速度计和一个位移传感器，可以在不同阶段对梁进行正确的描述（未损坏、开裂、修复）。
为此目的，研究了第一模态频率的变化，以考察其灵敏度。该参数既反映了混凝土截面开裂，又影响了锚固的拉力，并对本文给出的结果进行了比较。不同类型的实验测试和设置在下面一节中描述。静态试验的结果也仅使用一个放在梁上的位移传感器的数据来显示。静态和动态测试结果之间的相关性也通过比较相关的结果来执行试验不同阶段的第一模态频率与梁的弯曲刚度的相关性。
- 试验测试
2.1，试验梁
一个缩尺VIPP模型（Viaducs agrave; traveacute;es Indeacute;pendantes agrave; Poutres Preacute;contraintes - Prestressed girder beam deck with independent spans）后张拉梁被设计用于不同试验技术的有效性测试和早期恶化迹象的检测。一般情况下，锚固中拉力的损失主要表现为腐蚀的发生影响了锚固的截面。截面的减少导致链的断裂并导致腐蚀截面预应力的损失。在被腐蚀区域周边的锚固将这种现象的扩散限制在几十厘米。这种断层的宏观效应是由于固有频率和局部曲率的增加导致刚度的显著下降。在这些情况下，截面是破裂的，很可能在检查过程中断层在表面上是可见的。当裂缝不是很重要时，从外部看不出而且刚度变化不明显。对于梁来说，最敏感的时期是两种状态之间的过渡，预荷载的显著下降，在一个大车队通过时允许裂纹的张开和重合。SIPRIS项目的目的是研究能够揭示这种机制存在的不同实验手段。
该模型的设计是为了代表实际的VIPP大型工字梁桥面，但是对建设有一定的约束。特别的是：重量轻，便于操作，并具有与测试设备性能兼容的服务极限负荷(SLL)。总跨长8m是允许采用标准预应力技术的最小长度。这些限制因素导致了 筋腱的总部署（两根直锚索L1放置在梁的底部和一个抛物线电缆L2中部署如图1所示），而不是原来的VIPP梁中存在的11根锚索。
此外，还使用了单独涂覆的钢绞线，每一根线都由一根单链组成，在最小的力值上张紧，以允许裂缝的开口和闭合。筋腱是由注射了油脂的鞘产生的，而且一个一个的进入到梁中；他们没有被注射。
在梁的试验中，横截面为20cm 60cm（见图2），由混凝土块通过两个氯丁橡胶垫片300*160*30 mm3，和一个300*160*5mm3钢板加固，简单地支撑在末端，有效跨度为7.9m。选择边界条件再现VIPP梁末端简支“真实世界”条件。混凝土的性能从测试材料中恢复有:强度33MPa,杨氏模量29GPa。筋腱的极限抗拉强度为1860MPa，最小断裂荷载为270KN。
2.2 实验装置
对梁进行了三点弯曲静力试验、正弦扫描试验和锤击动力试验。静力荷载试验由100KN的液压千斤顶产生，并通过钢板传送到梁上（见图三）
锤击试验是用一个重量为9KG的Kiag瑞士906B锤子来撞击横梁。正弦扫描试验使用70KG的振动器APS 400进行电动振动。一组广泛的加速度计和位移传感器部署在梁上来测量其响应：传感器的标签和位置如图4.5所示。
必须注意的是，位移传感器D11到D14和D16到D19部署在梁的左下角。在距左侧3.8m处的剖面上，部署了两个位移传感器，以便测量梁可能绕其纵轴旋转（见图6）。
用模拟加速度计硅的设计2210，其灵敏度为800mV/g垂直放在梁的顶部，以200Hz采样率测量加速度。位移通过Atek100mm线性电位器测量。在第二阶段第一批裂纹形成后，计量表被部署在许多裂纹张开的位移（COD）的位置，为了在以下周期荷载中测量它们的宽度。四个测力传感器用来测量三根锚索（2L1和L2）的受力和静力试验中施加的点荷载。该采集系统是国家仪器24位模拟输入模块9239系统数字化的8个加速度计（A1-A8）,24位与两张9239的卡，温度用9211的卡和K型电热偶，8个Omega应变传感器（P1-P8），由一张24位的9237卡和一张9205的卡的三个旋转(I1-I3)和七个位移（D1-D7）以16位数字化。
2.3 测试过程
为了研究锚索中裂纹和张拉荷载对其动态特性的影响，进行了动态和静态的测试。最初是在未损坏的梁结构下进行测试的，后对底部的锚索（L1）进行了反张拉。随后，在跨中施加集中荷载导致开裂。然后，将点荷载转移到其他位置，以模拟运动车辆的作用，并研究其对裂纹开闭的影响。第二个后张拉式抛物线锚索（L2），目的是模拟改造干预的效果，然后张拉，梁再次开裂，在其轴上的不同部分装载了集中的负载，以比较损伤和“被修复”梁的变化。在表4中详细列出了在梁上进行的静态和动态试验。表lsquo;Brsquo;表示正弦扫描测试，lsquo;Srsquo;表示静态测试“M”用于锤子测试。
在每次静态测试之后，进行一系列动态测试（正弦扫描和锤击测试），以跟踪式样的动态参数。测试程序具体的分为以下5个阶段：
-第0阶段：对原始未受损状态进行测试；
-第1阶段：底部锚索的后张拉；
-第2阶段：跨度中部开裂和三点弯曲加载；
-第3阶段：第二根锚索（抛物线L2）的张拉和“修复”梁的加载；
-第4阶段：点荷载作用下跨长在1/3处的开裂，并在不同截面加载，以模拟移动荷载的影响。
2.4 静态试验
为了描述标本，还进行了三点静力弯曲试验，并在2阶和4阶段进行了裂纹的诱导。特性测试是通过将集中荷载10KN应用到不同的截面特别是在中跨，如图表4所示，在从左支持1/3和在1/8的从左支撑的明确长度L。
在2阶段和在4阶段，随后的加载周期中，最大偏移量（3、4和5毫米）的值不断增加，以使梁破裂。特别是在试验S63和S73中间跨度发生开裂，在试验S122的L/3跨长发生开裂。在图7中报告了S73试验后中跨的裂纹模式。
2.5 动态试验
在每次静力试验前后, 对梁的动力特性进行了大量的动态试验。同时进行了正弦扫描 (B) 和锤击 (M) 测试, 并在表1中进行了说明。大多数的正弦扫描都是由在2/3L的左支承梁上放置振动器测定的。在表4中，对不同的振动位置进行了有限数量的试验，以研究振动筛质量位置对梁动力特性的影响。
在小频率范围 (5–10 Hz; 10–20 Hz; 20–40 Hz; 40–80 Hz, 80– 160 Hz) 和整个频率范围 (5–200 Hz) 进行了2秒的线性扫描测试。对数扫描试验在频率范围 (5–200 Hz) 进行了2分钟以上。由于多次正弦扫描试验所考虑的频率范围的长短不同, 在2分钟内进行了不同的扫描速率。在一个持续时间内的线性扫描测试（恒定）扫描率Td涵盖的频率范围从f0到ff，由定义。在更小的频率范围内的测试更低:0.0833Hz/s为线性测试在10-20Hz范围内，而1.625Hz/s为线性测试在5-200Hz范围内。对于对数扫描测试, 在测试过程中, 扫描速率不恒定,由的在Td的持续时间。对于本文的测试报告, 当激发频率达到第一模态频率 (未损坏梁大约13.8 Hz) 时, 扫描速率为alpha;=0.61Hz/s，低于在同一个频率范围内的线性扫描速率（5-200Hz）。如下所示，扫描速率的不同会影响第一模态频率的的估计值。
采用基于傅里叶谱分析的标准技术对正弦扫描试验的响应进行分析，并允许检测梁的前 3种模式。特别的，对于正弦扫描试验，通过peakpicking频率响应函数计算模态频率的值。
对于锤击试验，由于输入信号不会总是正确记录到故障，假设输入未知，使用频域分解（FDD）和随机子空间识别（SSI）方法，在软件包ARTeMIS [9].中实现了前三个模态频率的值。
3 损伤分析
本文通过从不同类型试验中提取的第一模态频率的变化, 研究了不同阶段的损伤演化过程。在几个锤击实验中，梁的第二和第三模态频率几乎没有激发，是由于用锤子将大部分能量集中在较低频率，以适当激发结构的第一模态。在许多测试中，振动筛的位置也阻碍了对第二个和/或第三个正弦扫描测试的正确识别。此外，正如接下来的3.1.6截面所示，第二弯曲模态对于在跨上因其节点在该点中出现的第一模态造成的损坏，对其的影响要小得多。最完整而且最可靠得数据集是与第一模态频率相关的一个，是一个研究不同阶段损伤演化的方法。这个参数，如下所示，能够正确检测到损坏，只要考虑到测试条件的可能影响 (如测试类型的质量分布), 就可以对实验反应进行分析 (例如:正弦扫描与锤击测试)。
3.1 第一模态频率的演化
在图8中报告了测试序列中第一模态频率的演化。无论传感器（A1到A8），所识别的值都是相同的。从不同的正弦扫描测试的频率值之间的转移取决于不同的扫频率, 并且与理论结果一致 [1213],计算价值随着扫描率的增加。在任何情况下, 都必须注意到, 从不同的正弦扫描试验和锤击试验中计算出的频率值之间有系统的变化,证实这种差异主要取决于模态频率的估计测试。
3.1.1 阶段0 未损坏的梁
在0阶段，在应用集中荷载后没有观察到裂缝，与此事一致的事实是，由于应用负载的10 KN所估计的内部力矩值低于梁的SLL（服务极限负载）的理论估计值。然而, 从动态测试的结果中确定的第一模态频率的值显示, 在测试10到测试32之间, 一项试验与以下内容之间有明显的变化。在不同的测试过程中, 由于振动器的位置 (L/4L、L/8、L/2、L/8、2L/3左支撑) 的变化, 这种变化可以部分归因于质量分布的变化 (见表 1)。为了验证这个解释, 瑞利比 [6] 计算了不同位置的 x 振动筛质量MS = 70 Kg。
mu;为单位长度梁的质量为
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