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带温度补偿的静载荷测试用于桥梁结构健康监测
Viet Ha Nguyen，Sebastian Schommer ，Stefan Mass，Arno Zuuml;rbes
摘 要：
本文对预应力混凝土梁进行了一系列重复的静载试验，该梁最初是真实桥梁的一部分，然后受到逐步的人为破坏。 测试是在一个月的时间内完成的，通过切割钢筋引入四个级别的损伤，直到发生可见的裂纹。 通过几个位移传感器测量偏转线，并且以不同的方式将检索到的信息用于损伤检测。
首先，针对测量精度以及偏转线的数值推导的必要分辨率来分析传感器间距要求以获得旋转角度和光束的曲率。 除了偏转之外，这些派生量可以用作损伤指标。
混凝土的损坏通常伴随着非线性现象，如混凝土开裂和钢筋塑性应变。 讨论了这些影响，并展示了它们对重复加载测试以及状态监测的测试过程的影响。 渐进性损伤伴随着由于重力引起的桥梁的逐渐下垂，这也可以用作损伤指示器。
最后，讨论和评估不同室外温度的影响。 虽然这些效果可以通过选择没有高温变化且没有高太阳辐射的阴天来降低，但室外温度不会保持恒定。 因此，提出了一种根据参考温度反映测量数据的补偿算法。 这种补偿显着改善了数据的规律性。
1. 介绍
基于动态特性的桥梁损伤检测，
即特征频率，模态形状或阻尼比等模态参数在过去几十年中已经被研究了很多。 例如，可以通过减少特征频率或改变模式形状来发现损害。 模态特征还用于后续程序，如Z-24桥（瑞士）所示的有限元模型更新，和Gaertnerplatz桥（德国）。 这些参数可以评估实验刚度/灵活性，例如卢森堡真实桥梁的报告。 敏感性分析表明，新墨西哥州I-40桥的损坏是本地化的。 除了检测和本地化之外，还可以实现损害评估甚至预测剩余寿命也是有针对性的。
另一方面，静载试验在土木工程领域有着悠久的传统，提供有关变形，位移，旋转和应变的重要信息。 由于挠度或应变测量相对容易，因此它们一直是合适的替代方案和对视觉和动态检查的修正。 服务负载限制内的静态负载测试已用于验证新的网桥并验证现有网桥的实际容量。 例如，在10-2013年通车之前，通过摩泽尔河连接到Wellen（德国）的Grevenmacher（卢森堡）的一座新桥通过六辆充满电的卡车进行静态负载测试以归档偏转线。 对于旧桥，这种测试对于检查他们目前的状况非常有用。 在佛罗里达，两座预应力混凝土桥梁经受了全面的静态测试，其中负载测试车辆提供了最终的活载。 结果一致表明，结构具有比分析或设计所示更高的残余强度。 经过23年的服务，评估了墨西哥斜拉桥“安东尼奥杜瓦里海梅”桥的真实结构特性; 负载测试运行后，残余变形，没有被观察到。 土耳其的一座混凝土拱桥可以追溯到19世纪中后期，它的轨道长度大约为8600公里，通过动态和静态负载测试。 静载试验由两台DE24000型内燃机车进行，载荷等级程序证明了该桥的相当安全。 Marefat研究了伊朗两座60年历史的混凝土拱桥的剩余承载能力。 通过超载与预期的服务负荷相比，这些桥梁证明了它们令人满意的性能。 但是，高负载测试可能会引起额外的裂缝，因此并不总是合适的。
此外，众所周知，环境温度可以改变沥青和轴承（垫，土）的刚度，从而改变静态测试结果。 因此，下面讨论，使用和评估温度补偿程序。
我们最近有机会在拆除之前对真实预应力混凝土桥进行静态和动态测试。 随后在四个连续的步骤中引入增加的人为损伤，并随后分析其对服务负荷限制内的静态负荷测试的影响，而动态测试方法将在配套文件中发布。 研究了损伤，静态挠度，旋转角度，曲率和下垂以及不可避免的室外温度变化之间的关系。
2. 结构描述
被测试的结构是该桥的一部分，该桥建于1953年至1955年之间，横跨格雷文马赫（卢森堡）和韦伦（德国）之间的摩泽尔河。 它在2013年被拆除，换成新的钢桥。 进行了一些材料测试，以验证60年使用寿命后桥梁的混凝土和钢筋的静态强度。
2.1. 混凝土的材料特性
总共采集12个圆柱形混凝土标本，并对7个进行了压缩或拉伸试验。 结果在表中给出 表格1.
表格1
被测混凝土试件的材料性能。
|
标本号 |
长度 |
直径 |
块 |
密度[kg / |
杨氏模量 |
泊松 |
压缩强度 |
分解拉伸强度 |
|
[mm]的 |
[mm]的 |
[公斤] |
m3] |
[兆帕] |
比 |
[兆帕] |
[兆帕] |
|
|
1 |
200 |
104 |
4.14 |
2439 |
42,670 |
0.12 |
91 |
– |
|
2 |
203 |
104 |
4.18 |
2426 |
– |
– |
– |
5.9 |
|
3 |
204 |
104 |
4.23 |
2445 |
||||
|
4 |
202 |
104 |
4.19 |
2438 |
||||
|
5 |
204 |
104 |
4.17 |
2408 |
37,130 |
0.14 |
67 |
– |
|
6 |
202 |
104 |
4.16 |
2431 |
39,180 |
– |
69 |
– |
|
7 |
203 |
104 |
4.29 |
2483 |
– |
– |
– |
4.0 |
|
8 |
203 |
104 |
4.17 |
2423 |
||||
|
9 |
203 |
104 |
4.27 |
2474 |
43,290 |
0.13 |
75 |
– |
|
10 |
204 |
104 |
4.16 |
2399 |
– |
– |
– |
5.8 |
|
11 |
198 |
104 |
4.10 |
2443 |
||||
|
12 |
202 |
104 |
4.10 |
2392 |
||||
|
平均值 |
2433 |
40,568 |
0.13 |
76 |
5.2 |
|||
|
方差 |
733 |
8,524,692 |
0.00 |
113 |
1.1 |
|||
|
标准 |
27 |
2920 |
0.01 |
11 |
1.0 |
偏差
2.2. 预应力筋
如图所示，混凝土梁沿梁的纵向方向由19根钢筋预应力 图。1 为对称光束的一半。
如图所示 图2，每根肌腱由12根直径为7毫米的钢丝组成; 他们包围着一根沿着肌腱轴线的弹簧。 整个肌腱放置在一个护套。 桥梁施工期间，钢筋预应力和随后用砂浆灌浆。 这种灌浆是为了避免腐蚀并将钢筋与混凝土完全连接起来。
图2，一些肌腱的横截面表明它们并不全部被砂浆充满。 如果填充不完全，则会促进腐蚀。 在我们的切割肌腱试验系列中，无砂浆的肌腱比完全包围的肌腱显示出更高的应变减少。腐蚀和肌腱断裂导致局部损伤，压力，这通常是从外部通常不可见的，可以是安全相关的。 取决于预应力水平和发生混凝土开裂失败的钢筋数量。 由于钢筋用砂浆灌浆并且末端通常不可触及，因此不能仅通过拉动来进行测试。 因此间接测试方法非常有趣，例如那些跟踪弯曲刚度的人。
钢筋剩余的预应力以破坏性的方式测量，使用应变片，将其粘在肌腱的12根纤维中的一根上。 然后用角磨机将该纤维切割约50％，导致剩余部分的强制破裂。 然后应变的减少与应变仪记录在一起，此外还有可见间隙的长度在两个碎片末端之间用滑动卡钳测量。平均而言，应变ɛ=0.328%；如果没有千分之一的迹象并且检测到Delta;l=2.25mm的间隙， 考虑到杨氏模量E = 2·105MPa，可以计算以前存在的预应力。自由长度l0也可以计算得。后者的值意味着大约在切割位置周围0.7米处，预应力会减小。由于摩擦引起的背锚固，肌腱中的拉应力将更大。 这种效应对于数值模拟和模拟非常重要，我们将预应力设置为0长度为0.7米，这里不讨论。
图1.沿光束长度定位光束，显示光束的一半。
图2.后张混凝土梁的锚头。
2.3. 测试光束的情况
这座旧桥有5个独立的场地，每个场地由5条平行的预应力混凝土梁组成，这些梁带有行车道。其中两根长46米，质量约120吨的梁被运往附近Mertert港进行测试。
这个想法是模拟桥梁使用寿命期间的情况，然后测量由于计划的测试而产生的结构响应。 因此，其中一根梁被简单地支撑起来，如图所示 图3和4。 固定和滑动轴承在现有的铁路加实心混凝土基础上实现。 首先，在铁路上制作两个现浇混凝土砌块，然后用起重机将梁吊到这些砌块上。 梁的一端固定在混凝土地块上，以避免任何方向的移动。 对于滑动在梁和混凝土块之间放置两块钢板并用油脂润滑。 事实上，这不是一个完美的滑动轴承，因为有些摩擦仍然存在。 但是，我们清楚地测量并记录了梁下的纵向滑移运动，例如由于热膨胀。
在桥梁的一生中，梁不仅要承载自身，而且还要有沥青层，侧向和其他附加物的车道。 为了模拟这种额外的静载荷，将质量约为30t的第二梁的一部分切割并定位在结构的顶部。 这个质量在整个测试期间停留在梁上，在下文中称为静载。 尽管它不像沥青层那样在整个梁的长度上均匀分布，但它的诱导应力被检查并被认为是等效的近似值。
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