利用自振周期进行混凝土梁损伤程度识别的试验验证.pdf

2 0 1 3年第 l 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND CE ME NT P RODUC 2 01 3 No ． 1 J a n u a r y 利用自振周期进行混凝土梁损伤程度识别的试验验证 王 卓 ( 中央广播电视大学工学院， 北京 1 0 0 0 3 9 ) 摘要 ： 对混凝 土梁式结构的健康状 况进行检 测鉴定 ， 首先 需要 掌握其 系统参数 关于结构损伤 的演化规律 ， 以 便进行 有的放 矢的检 测和得到 可靠 的鉴定结果。本文以混凝土简支梁为例 ， 通过静力加栽试验模 拟梁的损伤 累积过 程 ， 通过 突加荷载 试验 跟踪梁 自振周期随加载损伤 等级 的变化 ， 深入分析 了这些变化的发 生机 理 ， 并提 出了一种基 于 自振 周期 的 结 构损 伤 程 度 识 别指 标 。 关 键 词 ： 振 动测 试 ；自振 周 期 ； 损 伤 ； 混凝 土 梁 Ab s t r a c t ：F o r t h e d e t e c t i o n a n d e v a l u a t i o n o f c o n c r e t e b e a m s t r u c t u r e ，t h e e v o l u t i o n r u l e o f i t s s y s t e m p a r a me t e r s a b o u t s t ruc t u r e d a ma g e s h o u l d b e g r a s p e d fi r s t l y ．T h e n ，t h e r e s u l t s o f d e t e c t i o n a n d e v a l u a t i o n ma y b e r e l i a b l e ．I n t h i s p a p e r ． t a k i n g a s i mp l e s u p p o r t e d c o n c r e t e b e a m a s a n e x a mp l e ，t h e a c c u mu l a t e d d a ma g e o f t h e b e a m i s s i mu l a t e d b y a s t a t i c l o a d i n g t e s t ． a n d t h e c h a n g e o f n a t u r a l v i b r a t i o n p e rio d wi t h l o a d i n g d a ma g e i s t r a c k e d b y a s h o c k l o a d i n g t e s t ．T h e me c h a n i s m o f t h e c h a n g e s i s a n a l y z e d ，a n d a n i d e n t i fi c a t i o n i n d e x o f d a ma g e s e v e rit y b a s e d o n n a t u r a l v i b r a t i o n p e rio d i s p r e s e n t e d ． Ke y wo r ~ ： Vi b r a t i o n t e s t ； Na t u r a l v i b r a t i o n p e r i o d ； Da ma g e ； C o n c r e t e b e a m 中图分类号 ： T U 3 7 8 ． 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 【 2 0 1 3 ) O 1 - 6 6 - 0 3 0前 言 桥梁结构在承受车辆 、 风 、 地震 等动力荷 载以 及环境侵蚀 、 腐蚀 的作用下 ， 不可避免地会出现损 伤和病害 ， 导致抵抗 自然灾害 、 甚至正常环境作 用 的能力下降 ，极端情况下会 引发 灾难性 的突发事 故 。为保障在役桥梁 的使用功能 ， 适时地对结构进 行检测 、 鉴定是必不可少 的。为指导桥梁检测和保 证鉴定结果的可靠性 ， 首先需要掌握桥梁结构系统 参数关于累积损伤的演化规律 ， 国内外学者在这方 面已取得了一些研究成果 。N e i l d t 1 采用 冲击振动测 试 以及对测量加速度信号的时频分析 ， 获得 了各加 载等级下钢筋混凝土简支梁 自振 频率随幅值的变 化关系。文献[ 2 ] 通过共振测试和非线性频域 、 时域 分析 ， 得到了各级加载后钢筋混凝土梁 的共振频率 和阻尼 比随加速度幅值 的变化关系。孙晓燕四 通过 对钢筋混凝土简支梁进行的反复超载试验 ， 研究 了 结构动力特性随损伤状态的变化规律 。王利恒 通 过对钢筋混凝土简支梁进行的静力加载试验 ， 提 出 可以用锤击试验反应最大值监测结构的损伤程度。 文献[ 5 】 结合两座桥梁 的跟踪测试 ， 提出可 以通过桥 跨实测频率 、 振型振幅和阻尼 比的变化 ， 对桥梁结 构的运营状态进行定性判断。本文针对城市中常见 的混凝土简支梁桥来设计试验 ， 对一混凝土简支梁 基金项 目： 中国博士后科学基金资助项 目( 2 0 1 0 0 4 8 0 3 2 3 ) 。 一 6 6一 ． 模型进行静力加载试验和突加荷载试验 ， 研究结构 自振周期随加载损伤等级的演化规律 ， 并从 中挖掘 能够反映梁损伤程度的新指标 ， 可为混凝土简支梁 桥的快速 、 无损检测和鉴定提供依据 。 1 试验描述 1 ． 1 试验 目的 根据实测混凝土简支梁的 自由振动响应数据 ， 分析结构的 自振周期 ， 建立其与梁静载损伤等级 的 关系 ， 并进一步建立评价指标来判断结构 的损伤程 度 。 1 ． 2 试验构件及加载方式 所设计 的混凝土梁总长度 4 3 5 0 mm，跨度 4 0 0 0 m m， 截面宽 2 0 0 mm， 截 面高 1 8 0 m m； 设计极 限弯矩 2 1 ． 4 4 k N m， 设计极 限剪力 6 3 ． 9 5 k N； 结构基频 的计 算值在 1 8 H z 左右。加载方式为梁跨中的单点静力 加载 ， 加载接触面铺细砂找平 ， 试验装置如 图 1 、 图 2所示 。根据设 计极限弯矩求得跨 中极 限荷载 约 2 1 k N， 加载分六级进行 ， 设计加载大小依次为 3 k N， 6 k N， 1 0 k N， 1 4 k N， 1 8 k N， 2 1 k N， 每加一次荷载可 以看 作梁的损伤增加一级。为了使梁裂缝充分开展和闭 合 ， 当加至各级荷载后 ， 保持荷载静置 1 5 m i n ， 然后 卸载， 卸载后再静置 7 ~ S mi n ， 进行振动测试。 1 ． 3 传感器布置及振动测试过程 在加载点左右对称布置 2 枚 9 4 1 B竖向速度拾 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 O ． 0 8 0 ． 0 6 O ． 0 4 0 ． O 2 。 蚓 一 o ． 0 2 - o ． 0 4 - o．0 6 -o．0 8 t 一 t + T 『i 一 1 、t t + T ( |+ 1 ) ： t + T ( n ) I 一 I 0．6 0 ． 8 1 ． 0 1 ． 2 1 ． 4 时间／ s 图 5 速度衰减 曲线 图 6 T ( i ) 的变化曲线 图 7 随加载等级的变化曲线 振动，故其力学模型可视为粘滞阻尼单 自由度体系 的自由衰减振动 ， 则梁的基本周期 的表达式为 、 ／ (3 ) 式 中， 和 K分别为基本模态 的模态质量 和模态刚 度 。进一 步 ， 式 ( 3 ) 可改写 为 K： ( 4) 由于结构的刚度是反映结构损伤程度的最直接 指标 ， 并且结构损伤一般不改变结构的质量 ， 故可利 用损伤前后模态刚度的下降率来指示结构的损伤程 度。定义混凝土简支梁损伤程度的识别指标 ‘ p ， 有 { 一 T I 1o0％㈤ ＼ ⋯ ／ l 式中， 上标 和 d分别代表完好状态和损伤状态。 表 1 给出了各试验工况下 的 值。 将表 1中的 go值与文献[ 8 ] 表 l中的抗弯刚度 下降率进行 比较 ( 见表 2 ) 可见 ， 各试验工况下 ， 值 较抗弯刚度下降率均偏小 ， 并且对于轻微损伤( 损伤 表 1 各试验工况的 ‘ p 值 表 2 本文 与文献[ 8 ] 关 于损伤程度识别值 的比较 一 6 8一 状态 1 ) ， 值不如抗弯刚度下降率敏感 ；但从 总体 上看 ， 两种损伤程度识别指标的计算结果相差不大 ， 因此 ， 验证了用 值进行损伤程度识别的有效性 。 4结语 ( 1 ) 混凝土简支梁的基本周期与加载等级呈单 调递增关 系， 且接近线性。混凝土梁在做 自由振动 时弯 曲刚度存在弱非线性 ， 随振幅的衰减而提高。 ( 2 ) 提出了一种基于 自振周期 的结构损伤程度 识别指标 ，并将该指标与笔者已提出的抗弯刚度 下降率指标进行了对 比， 证明了 指标的可靠性及 其用于混凝土梁桥结构检测 的可行性 。 参考文献 ： [ 1 ] N e i l d S ．A． ，Wi l l i a n m M—S M c f a d d e n P ． D．N o n l i n e a r V i b r a t i o n C h a r a c t e r i s t i c o f D a ma g e d C o n c r e t e B e a ms 【 J 1 ． J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 1 2 9 ( 2 ) ： 2 6 0 — 2 6 8 ． [ 2 ]K o e n V a n D e n A b e e l e ， J o e l l e D e V i s s c h e r ． D a m a g e A s s e s s me n t i n Re i n f o r c e d C o n c r e t e U s i n g S p e c t r a l a n d T e mp o r a l N o n l i n e a r V i b r a t i o n T e c h n i q u e s l J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r e h ， 2 0 0 0 ， ( 3 0 ) ： 1 4 5 3 — 1 4 6 4 ． [ 3 ] 孙 晓燕 ， 孙保沭， 黄承逵． 钢筋混凝土简支梁 超载后动力 特性试验研究Ⅲ． 振动 、 测试 与诊 断， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 1 ) ： 6 1 — 6 5 ． [ 4 ] 王利恒， 周锡元， 闫维明． 用 锤击试验反应最 大值监测 钢 筋混凝土简 支梁桥结构损 伤程度 的试验研究 【 J ] ． 振动与 冲 击， 2 0 0 6 ， 2 5 f 1 ) ： 9 0 - 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