梁的快速检测起振装置研究及应用.pdf

2024 年第 1 期138中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC梁的快速检测起振装置研究及应用赵芳芳辽宁省交通高等专科学校建筑工程系，辽宁 沈阳 110112摘要：在桥梁检测中，振动试验是检测梁或板是否存在缺陷的主要实验手段。在桥梁的振动试验中，需要非常严苛的试验条件，以往的激振装置大多由于运输不便、成本昂贵、测试结果偏差等达不到理想效果，所以研究设计一种桥梁的快速振动起振检测装置尤为重要。文章介绍的快速起振检测装置，在以往研究的基础上，以销钉剪断为基本思路，以液压支撑为实现手段，达到检测过程中快速、便捷、经济的目的。关键词：检测；桥梁；起振装置文献标识码：A中图分类号：U445文章编号：2096-4137（2024）01-138-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.41Research and application of rapid detection vibration device for beamsZHAO FangfangLiaoning Provincial College of Communications,Shenyang 110112,ChinaAbstract:In bridge inspection,vibration testing is the main experimental method relied on to detect whether there are defects in beams or plates.However,the test conditions of bridge vibration test are very strict,most of the previous excitation devices have not achieved ideal results due to inconvenient transportation,high cost,and deviation in test results.So it is necessary to research and design a rapid vibration detection device for bridges.The rapid vibration detection device for beams studied in this article,based on previous research,takes pin cutting as the basic idea and hydraulic support as the implementation method to achieve the goal of fast,convenient,and economical detection process.Keywords:detection;bridge;vibrating device1概述交通土建业的迅速发展是我国民经济发展的助推器，随着科学的进步，以及社会、文化水平的提高，对桥梁的建设及使用也提出了更高的要求。已建成的桥梁在服役期间，不仅受风吹、日晒、雨淋等自然荷载侵蚀，还受车辆、行人、撞击等人为荷载作用，桥梁容易产生各种各样的损伤及破坏，无论承载能力还是使用寿命都受到影响。为了保证桥梁的稳定性及安全性，对桥梁进行日常的检测与维护十分必要。对于桥梁的日常检测，评估结构的健康状态一般是通过外观检查、无损检测、静载试验检测和动载试验检测等途径。其中，静载试验是通过静力加载的方式得到桥梁控制截面中的应力、挠度、位移等数值，与初始设计要求进行比对。而动载实验是通过施加动力荷载引起桥梁振动，得到桥梁模态参数变化、振动特性等数据，以此判定和评价结构损伤。以往的动载实验是通过跳车、跑车和刹车等方式完成的，配合有大型卡车、传感器布设、道路交通管制、封闭等，实施效率低、耗费大、安全性低。针对目前在役桥梁数量庞大、检测评估工作量较大等情况，检测设备快捷、精确、经济成为该领域研究的主要趋势。在桥梁的快速检测中，冲击回波法应用较早，国内外学者做了很多实验性的研究，并取得了多项创新性成果。但脉冲激振装置设备庞大，使用过程中安全性低。比利时的Edwin Reynders 和 Daan Degrauwe 设计研发了小型激振装置用于行人天桥的振动测试，对比传统激振方法信号更易控制，更易得到桥梁的模态信息，但由于在检测中还需要布设传统传感器进行数据采集，达不到快速检测的目的。类似的脉冲激励装置还有由 Drexel 大学设计研发的气动反弹控制的落锤激振装置，以及第一个通过结合模态冲击测试的由 Rutgers大学 Moon 教授开发的 THMPER 评估桥梁承载能力的便携设备。2004 年，我国杨永斌院士提出了一种间接测量法的桥梁检测方法，采用一辆载有加速传感器的小车在桥梁上驶过，通过传感器提取桥梁的频率、振型等模态信息，具有快速、便捷的特点，但由于缺乏主动激振装置，不能激发桥梁的高阶振动响应。以往的激振方法很多，也有各自的优缺点，本文基于为结构提供合适可控的振动波形的目的，研究设计一种简单、快捷、经济的激振设施，为桥梁结构动载试验提供便利。2桥梁快速检测起振装置2.1结构原理根据以上研究，现有技术还存在很多不足。基于此，本文研究了一种快捷、经济的起振装置。本装置采用液压使梁体上挠，利用梁体的重力静载破坏剪切销钉引起梁体振动的原理。而在剪切销钉上，发生的是剪切破坏，在剪切破坏面的受力特点为构件受两组大小相等、方向相反、作用线相互很近（差一个几何平面）的平行力系作用。变形特点为构件沿两组平行力系的交界面发生相对错动，构件将发生相互的错2024 年第 1 期139中国高新科技ROAD TRAFFIC|道路交通动面为剪切面。剪应力 的计算公式为：（1）式中，FQ为剪力；A 为剪切面。该装置提升了原有起振装置对大型实验设备的依赖性，提高了检测效率，降低了经济成本。下面结合设计图对本装置的结构设计进行概述。如图 1和图 2 所示的桥梁快速检测起振装置，其特征在于：剪切圆筒内部安装有缓冲橡胶，剪切圆筒上部安装有球形支座，球形支座顶部与梁体试样底部紧密贴合；剪切圆筒内可以插入剪切销钉，且剪切圆筒对应安装剪切冲头，剪切冲头安装在液压油缸内，液压油缸坐于刚性支座上；液压油源分别连接加载进油口和卸载进油口。桥梁快速检测起振装置中的剪切圆筒与剪切销钉具有多种组合剪切方式，可根据不同的试验要求选择不同组合的销钉进行试验。桥梁自由振动检测快速起振装置的检测方式有两种：一是所述剪切销钉单个穿入剪切筒中引起梁体试样起振；二是所述剪切销钉按照试样要求成组穿入剪切筒中，引起梁体试样起振。图1桥梁快速检测起振装置的结构示意图（a）剪切筒正视图（b）剪切筒侧视图 （c）剪切筒俯视图图2剪切筒结构示意图2.2本装置所采用的技术方案根据所需试验需求，本装置由静载系统和重力剪切振动系统两部分组成。在两部分的配合下，使装置检测过程中达到快捷、精准、经济等目的。本装置可以实现多种形式力控制下的快速起振试验：单组力或多组力（1 5 组）。（1）对于单组力控制条件下的梁体起振试验，是指静载液压加载系统利用液压柱塞使梁相应位置产生上挠后，由梁自身的重力使销钉被动切断，从而使梁体产生振动的试验。采用单组力控制下的起振试验，设备使用简单，受其他因素的干扰较小。具体操作方式为：首先进行理论计算，根据剪切公式计算出梁体达到振动时所需要的剪切销钉的直径，然后将梁体固定在起振装置上，销钉装入剪切筒内，开动液压装置，使梁体上挠，当梁体上挠值达到剪切销钉承受的极值范围时，剪切销钉破坏，在力的突然释放下，梁体产生振动，应用数据采集装置记录振动数值。（2）对于多组力控制条件下的梁体起振试验，在剪切圆筒中穿入多个剪切销钉，剪切销钉可以为相同直径的销钉组，也可以为不同直径的销钉组，使梁体在自身重力的作用下由下至上逐一破坏剪切销钉，从而产生测试梁振动的试验。这种方式避免了相同或相近试验重复安装、烦琐枯燥的缺点，可以重复多种相同力作用下的梁体振动试验，也可以进行多组不同力作用下的梁体振动试验。具体操作方式与单一力相似。首先需要进行理论计算，计算需要达到振动时的各销钉组的销钉直径，按照需求值逐一装入剪切销钉筒内。液压加载使得梁体上挠，到达销钉承受的极值范围时，销钉破坏，梁体在卸载力作用下产生振动。在振动停止后，利用装置弹性橡胶和剪切筒的刚性挂钩快速将破坏的销钉取出，进行下一组试验。接下来的试验与前述步骤一致，直到销钉组全部破坏。2.3应用步骤桥梁自由振动检测快速起振装置的试验步骤包括如下阶段：步骤 1：对正，将装置中的各个构件，如球形支座、剪切圆筒、冲头、液压柱塞，与试验梁中心安装对正。步骤 2：确定试验方式并进行理论计算，根据试验需求确定进行单组或多组力试验，装置示意图详见图 3 和图 4。根据桥梁行驶车辆的轴重大小确定起振荷载，分别计算各个剪切销钉的尺寸，当进行多组不同力起振试验时，注意各个销钉的排列顺序。图 5 为剪切销钉破坏示意图，根据图 5 计算剪切销钉直径尺寸如下：（2）式中，F 为梁上作用荷载的大小；FQ为剪力。引入剪应力公式，当切应力 达到极值应力 b时，剪切销钉受剪切发生破坏，则销钉的横截面积 A 为：（3）2024 年第 1 期140中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC进而计算销钉的半径尺寸为：（4）步骤 3：根据理论计算结果，设计销钉，将销钉装入剪切筒内，准备进行液压加载试验，在待测梁体上布设传感器，并与无线桥梁及结构测试系统STS-WiFi设备相连。准备好后，启动液压系统及测试系统，待梁体上挠值达到销钉破坏级值时，销钉破坏，梁体受到突然卸载力的作用下振动，数据采集系统自动采集和存储数据，包括梁的挠度，应变、温度和加速度等。无论是单组力，还是多组力振动测试，均需重复以上步骤。装置的主要技术参数如下：装置主体尺寸：长 宽 高（500mm500mm 1200mm）。加载系统静荷载：0 500kN。剪切装置剪切荷载：5 500kN。图3单一剪切销钉振动检测装置结构示意图图4多个剪切销钉振动检测装置结构示意图FFQ=F/2FQ=F/2图5剪切销钉剪切破坏受力图3本装置的有益效果此快速检测起振装置分别由静载系统和重力剪切振动系统组成。在两部分的配合下，使装置检测过程达到快捷、精准、经济等目的。本装置可以实现多种形式力控制下的快速起振试验：最少 1 组，最多 5 组。采用单组力控制下的起振试验，设备使用简单，受其他因素的干扰较小。采用多组力控制下的起振试验，避免了相同或相近试验重复安装、烦琐枯燥的缺点，可以重复多种相同力作用下的梁的振动试验，也可以进行多组不同力作用下的梁体振动试验，真正达到简单、快捷，降低人力物力消耗，降低成本的目的。4结语在桥梁检测中，通过梁体振动试验，采集梁体振动模态等数据，进而分析桥梁梁板是否存在重大缺陷。本文对传统的检测设备进行调查分析，为了克服传统装置构件大、运输不便、检测复杂、影响交通等缺点，本装置在以往研究的基础上，基于剪切破坏理论，以液压支撑、销钉剪断为基本思路，在检测过程中实现瞬间便捷的优点。本文对本装置结构原理及操作方法进行了详细论述，为该装置的工程应用提供了理论依据，可为桥梁快速检测装置的进一步研究提供参考。基金项目：辽宁省交通高等专科学校技术应用型课题（lnccjyky 202202）；辽宁省交通高等专科学校教研项目（2023GJSG02C05-04，2023JYJXCG35）。作者简介：赵芳芳（1985-），女，吉林通化人，辽宁省交通高等专科学校建筑工程系讲师，研究方向：桥梁隧道施工技术。参考文献1 祝巍守护桥梁 J中国公路，2020（7）：42-532 蔡明大跨度桥梁结构健康监测系统 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