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利用环境热响应对连续预应力混凝土桥梁

进行结构健康监测

摘要：

研究了利用多跨预应力混凝土桥梁的环境热荷载监测其结构健康的可行性和响应措施。设计和建造了一座8米长、2跨连续混凝土桥梁, 以代表典型的全尺寸桥梁。该桥配备了各种传感器, 可持续监测温度、应变、偏转和支持反作用力, 并直接暴露在阳光、雨水、风和露珠中, 以达到真实的环境热负荷状态。在实验桥上施加两种超载集中力, 形成了五种从轻微到严重的分布弯曲损伤状态。在每一个损伤状态以及最初的未损坏状态下, 对桥梁的热载荷和响应进行了几天的连续监测, 并将这些响应与新开发的分析模型预测的反应进行了比较。该模型考虑了桥梁横截面的非线性温度分布、预应力的存在、支护的灵活性和桥梁跨度的初始条件。对于初始未损坏的状态, 模型预测和监测响应之间获得了很好的一致性。再次将五个损伤状态下的被监视响应与未损坏状态的模型预测进行了比较。不出所料, 它们之间的差异随着损害程度的增加而增加。然后为分析模型提出了一种考虑分布式弯曲损伤的方案。通过使用此方案, 可以调整模型预测以与监视的响应匹配。通过该模型调整过程, 可以确定整个桥梁长度沿线的近似损伤分布模式和损伤严重程度。研究表明, 基于环境热荷载和响应的结构健康监测系统是建立在多跨预应力混凝土桥梁基础上的有效系统。

1.导言：

为了在大型桥梁长预期使用寿命内适当维护其适用性和安全状况, 理想的做法是有可靠的措施来定期检测桥梁的结构状况, 在这种情况下,当结构过早老化时，可以准确诊断桥梁的劣化或承载能力的降低。然而, 传统的措施, 如定期目视检查和受控负载测试, 已知有其局限性和缺点。一种名为结构健康监测的新技术最近作为这方面有希望的新措施受到了更多的关注。

现有的几个SHM系统通过观察桥梁动态特性的变化 (例如固有频率的变化和振型形状的变化) 来检测桥梁的结构恶化。由于低频基本振动模式的特性对微小的结构变化并不那么敏感, 监测系统必须覆盖更高频率的模式来检测这种变化[1]。这不可避免地需要相当数量的高灵敏度传感器和高采样率数据采集系统[2]。还需要一个相当复杂的数据分析程序来确定动态特性的变化[2]。此外, 结构恶化引起的固有频率变化很容易被正常的环境影响所掩盖, 主要是温度和湿度变化造成的变化[1-4]。这些困难和限制是探索SHM其他方法的动机。

本文研究了基于环境热响应的SHM的可行性。据认为, 这种办法能够克服上述困难和限制。太阳辐射和与周边环境的热交换会导致桥梁各部分的温度变化。这种变化连续而缓慢地发生作为一种日现象[5, 6]。不同部分之间的温度差异会引起桥梁的环境热响应, 其中包括热引起的变形、应力和在支承处的反应变化 [7]。由于这些反应逐渐变化, 它们可以很容易地从短暂的交通引起的反应中分离出来。它们的影响也很大;连续预应力混凝土桥梁中的热致应力在大小上一般与活载应力相似, 而且经常超过活荷载引起的应力 [8]。

缓慢的变化和显著的震级使周围的热引起的反应以及桥梁不同位置的温度可以很容易地通过廉价和普遍可用的传感器进行监测。还可以使用简单的低成本、低采样率数据采集(DAQ)系统。因此, 可以轻松设计和实现同时监测桥梁环境热负荷和响应的系统。这种 SHM 系统将提供大量宝贵的数据, 可与每天对桥梁进行可控的全面负荷测试相比较。此外, 由于缓慢的热响应本质上是准静态类型的, 所涉及的分析将比动态响应复杂得多。

在阳光明媚的日子里, 桥面表面温度通常会比湿透的温度高得多, 导致整个桥跨向上。对于简单的跨径桥梁, 这不会对支撑反应和剪切弯矩等内力产生影响。另一方面, 对于多跨度连续桥, 这将改变支承反应, 并沿桥梁跨产生热致剪切和弯矩。这些热诱导的响应是桥梁弯曲刚度(EI)的函数。因此, 桥梁跨度内的裂缝和损伤会极大地改变有效弯曲刚度, 从而对这些响应产生重大影响 [8, 9]。

从以上考虑来看, 基于环境热响应的 SHM 似乎更适合于多跨度连续桥梁。其中许多是中、大跨度预应力混凝土桥梁, 这是本研究集中的结构类型。进行了实验和理论研究, 详见随后各节。结果表明, 基于环境热响应的 SHM 系统如果设计和实施得当, 能够检测结构恶化, 确定桥梁跨度内的损伤, 并评估其严重程度。

2. 方法概述

这项研究首先是利用两跨连续混凝土桥梁的缩小物理模型进行实验研究。该模型使用多个传感器进行了仪器测量, 以同时监测不同位置的温度、应变和偏转, 以及所有支架上的反作用力。为了模拟逼真的热加载条件, 模型被放置在室外, 直接暴露在阳光、雨水、风和露珠中。连续测量模型的热载荷和响应数天, 并将其与新开发的分析模型预测的响应进行了比较。该模型考虑了连续桥梁的几个现实特征, 如桥梁横截面的非线性温度分布、预应力存在、支承柔韧性和桥梁跨度的初始弯曲性。该阶段模型预测与实验结果吻合较好, 验证了桥梁分析模型在无损伤状态下的准确性和可靠性。

其次, 应用超载集中力, 将混凝土裂缝和钢筋屈服的几个层次从轻微到严重不等引入到缩放模型中。在每个损伤水平上, 连续测量模型的热载荷和响应数天, 并将其响应与桥梁分析模型预测的未受损状态下的响应进行了比较。正如可以预料的那样, 随着损伤程度的增加, 两者之间的差异也在增加。然后为分析模型制定了一种计算分布式损伤的方案。通过使用该方案, 可以对模型进行调整, 使其更好地符合测量结果。因此, 可以最终确定整个桥梁跨度沿线损伤的大致分布及其严重程度。

3. 实验模型

所使用的物理模型是具有工字形截面的连续预应力混凝土桥梁模型。该模型相对于内部支撑上方的中心点是对称的, 它将整个模型长度划分为两个相等的跨度, 每个跨度为4米。图1显示了模型的重要尺寸和详细信息。尽管该模型体积小, 但其热响应特性与典型的全尺度桥梁相似。通过设置控制模型热载荷和响应的关键无量纲参数, 使其与典型的全尺度桥梁接近, 实现了相似。通过将第6节中的控制方程及其相关边界条件转化为无量纲形式来识别这些无量纲参数。然后从现有几座多跨连续预应力混凝土桥梁的施工图和设计文件中确定了这些无量纲参数的典型值。这些桥梁分别是泰国的 Tinnasulanont 桥和 Satorn 桥、美国的盐河大桥、长钥匙大桥和 Vail pass 桥, 以及英国的 Torridge 桥。该模型的设计使所有关键无量纲参数都在这些典型值的范围内, 如表1所示。

表1中的前两个关键无量纲参数是 A、l 和 k, 其中 A 是横截面面积, l是跨度长度, k 是横截面围绕中性轴的旋转半径。通过将全规模桥梁的几何尺寸缩小到模型的几何尺寸, 缩放系数在1/10–1/20 左右, 就能满足相似性要求。第三个参数是E、W, 其中E是材料的弹性模量, w 是桥梁单位长度的重量。由于该模型是由与全尺度桥梁 (混凝土) 相同的材料制成的, 但其尺寸要小得多, 因此其体积 (以及自重) 与横截面面积比也要小得多。因此, 在模型下面悬挂了 16个铁块(见图 1), 以实现与第三个参数相关的相似性要求。这也将模型的破坏应力提高到与全尺度桥梁相当的水平。第四和第五个参数是p和 H_t, 其中 P 是钢筋束的初始预应力,H_t是从松饼中测量的钢筋束质心的高度。通过设置钢筋束面积与模型横截面面积 (A_s/A) 的比值和接近全纵横桥梁钢筋束的初始拉伸应变比, 得到了合理的 P值。参数 H_t随跨度变化, 并定义了钢筋束的轮廓。因此, 该模型采用了多跨度连续桥梁钢筋束的典型轮廓, 如图1所示。除了这五个关键参数外, 还使与模型的力学行为相关的几个参数与全尺度桥梁的参数相等或接近。这些参数包括, 例如, 钢筋面积与横截面面积 (A_s/A) 的比率、中性轴高度与桥梁深度的比率 (c/ h) 等。

通过上述设计，当模型在与全尺度桥梁相同的热荷载条件下, 预计将具有类似于全尺度桥梁的热响应特性：在模型和全尺度桥梁中, 热诱导应变、由归一化的位移和由 w 归一化的支承处的反作用力) 预计将非常相似。

图1实验模型

表1 控制热载荷和原型响应的无尺寸参数及实验模型

如果模型自由热应变的归一化横截面分布与全尺度桥梁相似, 则得到加载相似性。在这里, 自由热应变 (_f) 是由于材料在无约束状态下的温度变化而产生的应变。自由热应变的归一化横截面分布定义为- 坐标中的应变分布, 其中 = Y/ h 和 = Z/ h (Y 和 Z 坐标和桥梁深度 h 在表1的顶部图中定义)。模型中预计会出现类似的归一化自由热应变剖面, 因为它是由相同的建筑材料 (具有相同的导热性、材料特定热量和热膨胀系数) 制成的, 并且受到相同的热环境 (阳光、雨水、风和露珠) 作为全尺度桥梁。此外, 控制横截面几何形状的几个重要几何比率设置在接近全尺度桥梁的角度, 如表1所示, 桥模型的顶部表面涂有一层薄薄的黑色沥青涂料。尽管所有这些尝试, 它知道, 高度非线性自由热应变配置文件, 通常发现在全尺度桥梁不能完全复制在这个小型模型。然而, 加载相似性被认为是合理地满足的研究目的。

为了允许在支架上旋转和纵向移动, 在力传感器 (位于混凝土桥墩顶部) 和桥模型之间放置氯丁橡胶垫, 如图1所示。每个垫子有9厘米宽, 25 厘米长, 2 厘米厚。其轴承刚度和剪切刚度估计分别约为750克朗和3无/毫米。模型和它的设计的进一步细节可以在 Nonthachart (2010) [10] 中找到。

4. 仪器仪表

桥模型配备了许多传感器, 可连续同时监测不同位置的温度、应变和偏转, 以及所有三个支承的反作用力。混凝土应变是用电阻应变计(ERSG)测量的, 长度为90毫米。这些量具是电阻为120欧姆的金属箔量具, 用聚酯粘合剂粘合到混凝土表面, 并涂上透明的有机硅, 以保护其免受湿气和湿度的影响。由于混凝土是一种异质混合物, 应变在短距离内可能会有很大的波动, 因此这里选择了相当长的量具长度来平均波动应变, 从而在感兴趣的位置获得更合理的应变值。另一方面, 由于钢是一种均匀的材料, 钢筋中的应变和预应力筋是用5毫米长的(ERSG) 测量的。这些量具是电阻为120欧姆的金属箔量具, 用聚酯粘合剂粘合到钢表面, 并用防水橡胶胶带包裹。所有这些应变片都是为其附着的材料指定的自温补偿量具, 即混凝土量具 11times;10^-6/°C和钢量具 11.7 times;10^-6/°C。每个量具都连接到一个数据记录仪上, 每个计架都形成一个活动量具、三线、惠斯通桥电路。通过此设置, 可以实现小于 1times;10^-6 的应变测量分辨率。数据记录仪是一种多通道应变和温度测量装置, 可以预先预编程, 并完全自动执行。

缺陷和支持反应分别由基于应变的位移和力传感器测量。位移传感器的额定容量为 50 mm, 可实现约 0.01 mm 的测量分辨率, 对0–60°C范围内的传感器进行温度补偿。对于第7部分, 位移传感器固定在内部混凝土桥墩的顶部。对于第4部分(以及第10部分), 位移传感器连接到站在桥模型下面地面上的木柱顶部。对于第1部分(以及第13部分), 位移传感器固定在从混凝土码头末端悬臂伸出的钢架上。力传感器的额定容量为 300kN, 其测量分辨率小于50N, 10 至60°C范围内的传感器进行温度补偿。力传感器放置在每个桥墩的顶部, 其圆柱形应变传感元件沿垂直方向对齐, 以测量垂直反应分量。位于传感元件顶部的分别是钢板、轴承垫和桥梁模型。图1显示了在每个码头进行反应测量的安排。温度是通过热电偶(type K)对于表面温度测量, 设置热电偶导线的传感端 (扭曲端), 使其牢固地接触混凝土表面, 热电偶线的一部分与传感端粘附在桥模上, 以防止传感端的运动。然后, 在温度测量区域上涂上透明有机硅涂层, 以防止传感端的湿气和湿度。对于内部温度测量, 在铸造桥梁模型之前, 传感端牢固地固定在其位置。所有这些热电偶、力传感器和位移传感器都连接到用于应变读数的同一台数据记录仪上。在这里, 温度测量是通过使用数据记录仪中提供的内部参考结完成的。

图2显示了横截面以及安装应变片和热电偶的每个截面内的位置。在第1、4、7、10和13部分测量垂直偏转。在第4、7和10部分测量预应力筋的应变。模型的所有温度和响应每5分钟自动测量和记录一次。

用完全自温补偿的量具测量的应变是与热引起应力成正比的机械应变。然而, 如果自温补偿不完善, 测量到的应变将受到明显应变 (_m) 的污染。为了量化 _m, 采用混凝土、钢筋、高强度钢钢筋束等小样本试件, 对其进行了专门设计的试验。试验结果表明, 在每一种情况下, _m 都有很大的大, 并且与量具位置的温度 (例如混凝土的约 2.6times;10^-6/°C) 呈近似线性变化, 非线性程度略有。因此, 从混凝土、钢筋和钢筋应变片的试验结果中建立了_m 与量具温度的三个非线性关系, 并利用这些关系从应变测量中消除了_m结果 [10]。这是获得准确应变结果的关键步骤。

5. 对模型造成损坏

仪器设置完成后, 模型在室外环境下的温度和热诱导响应将持续监测并记录几天。这些测量结果可作为桥梁模型的参考数据集, 无损伤。下一步是在模型中引入某种形式的结构损伤, 而不将其从支撑物中移除, 以便实验能够在几乎相同的载荷和支撑条件下继续进行。为此, 图4所示的自锚式加载框架将两种集中力 (图3中的 F_A 和 F_B) 应用于中跨点的桥梁模型 (第4部分和第10部分)。通过这个框架, 每个集中的力都是由液压执行器产生的, 其反作用力通过顶部反应梁和斜缝传递给脚部, 而脚部的侧向运动受到它们之间水平压缩支柱的约束.

当集中力

资料编号：[4955]