混凝土梁桥自监测裂缝自闭合试验研究.pdf

第 3 9卷第 1 期 2 0 1 3年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 8 9 混凝土梁桥 A监测裂缝 自闭合试验研究 郭殿军 ( 山西交通科学研究院， 山西 太原0 3 0 0 0 6 ) 摘要： 通过 S MA埋人梁体， 进行混凝土梁桥 自监测裂缝 自闭合试验， 试验拟合出梁裂缝宽度变化与 S M A电阻变 化率的曲线关系， 得到了在混凝土梁允许裂缝范围内对应的 S MA电阻变化率的安全区段， 实现了混凝土梁桥在突 发开裂情况下的智能预报； 同时对梁中埋入的 S M A实施相应的电压激励 ， 在电流作用下， 随着合金丝温度的升高， 合金内部由马氏体相向奥氏体相转变 ， 马氏体相状态下产生的塑性变形随之消失并产生回复力作用于混凝土使结 构变形恢复， 实现混凝土裂缝的自闭合， S MA将桥梁监测带进了一个新领域。 关键词： 形状记忆合金 ； 混凝土梁桥 ； 监测； 闭合 中图分类号： U 4 8 8 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 8 9 0 3 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n s e l f - m o n i t o r i n g a n d s e l f - r e p a i r i n g o f c o n c r e t e br i d g e GU0 Di a n i u n ( L i a o n i n g A c a d e my o f T r a f fi c S c i e n c e s ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： B y t h e s e l f - mo n i t o ri n g a n d s e l f - r e p a i ri n g e x p e ri me n t t o t h e c o n c r e t e b ri d g e b e a m s al o n g t h e l e n g t h o f t h e b e a m S MA ( s h a p e me m o r y a l l o y s )i s e m bed d e d i n t o T h e rel a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s t r u c t u r a l d e f o r ma t i o n o f c o n c r e t e b e a m a n d c h ang e o f t h e S MA res i s t a n c e w a s s i mu l a t e d a n d a n a l y s e wh e n s t r u c t u r al Was me t a mo r p h o s i n g Wh e n， a c c o r d i n g t o t h e beam e mb ed d e d f o r e c a s t l y i n t h e S MA i mp l e me n t e d t h e c o r r e s p o n din g v o l t a g e i n c e n t i v e Wi t h t h e i n c r e a s e o f t e mp e r a t u r e o f a l l 0 y w i r e ， ma r t e n s i t e p h a s e c h a n g e d i n t o a u s t e n i t i e p h a s e At t h e s a me t i me ， t h e s t a t e of t h e p l a s t i c d e f o r ma t i o n d i s a p p e a red Un d e r t h e c u r r e n t ， b e c a u s i n g o f r e s t o r e pow e r wo r k i n g t o t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e， s t ruc t u re d e f o rm a t i o n res u me d T h e s e lf - h e a l i n g and e me r g e n c y s e lf - r e p air o f c r a c k s i n c o n c r e t e s t ru c t u r e c a me t ru e Ke y w o r d s ： S MA( s h a pe m e mo ry a l l o y s ) ； c o n c r e t e b ri d g e ； s e lf - mo n i t o ri n g ； s e lf - rep ai ri n g 0 引 言 合试验。 随着我国改革开放的深入和经济的持续、 高速 发展， 公路交通作为我国经济建设中重点投资建设 的行业， 正以前所未有的规模和速度向前发展。近 年来， 在风、 雨、 洪水、 冰冻、 温度变化和湿度等自然 因素侵蚀下， 甚至地震、 撞击和超载营运的严重损害 下， 许多桥梁的结构性能发生了巨大变化， 有些桥梁 已出现不同程度的损伤， 甚至其承载能力已大大降 低而逐渐演变为危桥 。到 2 0世纪末 ， 我国公路危 桥数量已达 4 4 5 1座 ， 总长度达 1 6万延米 ， 服役桥梁 能否继续使用成为相关部 门必须关注的一件大事。 针对上述在桥梁使用过程中存在的安全隐患， 为寻求一种可行的、 长期的、 实时的、 在线的健康监 测方法， 以最终实现桥梁结构的自 诊断、 裂缝自闭合 功能为目的， 进行了模型梁的智能自监测、 裂缝自闭 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 1 1 作者简介 ： 郭殿军( 1 9 7 2一) ， 男 ， 山西 山阴人 ， 工程师 ， 主要从事 桥梁 检测与加固工 作。 E ma i l ： 51 2 7 8 2 3 8 8 q q c o m 1 试验概况 1 1 试验模型【 2 J 试验以混凝土简支梁式桥为例， 混凝土梁中沿 梁长度方向埋入 S M A( 形状记忆合金) ， 制成 自诊 断、 裂缝 自闭合智能混凝土梁式桥梁结构模型， 如图 1 所示。将一定预拉应变、 常温下为马氏体相的 S M A丝复合于混凝土梁中， 外接两路电路， 一路为 合金激励 电路 ， 用于加热合金丝 ； 另一路为合金电阻 测定电路， 用于测定混凝土梁在变形开裂过程中合 金丝电阻值的变化。合金丝加热用可控低压直流电 源。该专用电源由调压模块、 整流模块和控制模块 三部分组成， 可调电压为： O 1 2 V ； 输出电流为： 0 1 0 0 A。 1 2 模型制作 模型制作时， 首先将 N i ：Ti 。合金丝 预张拉 至其长度的8 ， 用专用夹头将合金丝两端固定， 并 使合金丝张紧， 合金丝两端夹头直接浇筑于混凝土 梁中， 通过夹头使混凝土与合金丝牢固结合， 消除合 四川建筑科学研究 第 3 9卷 夹 头 图 1 混凝土裂缝 自监测裂缝 自闭合试 验模 型 Fi g 1 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n i n t e l l i g e n t s e rf - mo n i t o r i n g a n d s e l f - r e p a i r i n g o f c o n c r e t e b e a m 金丝产生滑移对试验结果的影响， 随后浇筑混凝土 ， 拆模后放入养护箱中。 本 次试验混凝土简支梁桥模型基本参数 见表 1 ， 合金丝参数见表 2 ， 梁体断面如图2 所示。 表 1 试验模型基本参数 Ta bl e 1 Ba s i c p ar a me t e r s o f e xp e r i m e n t a l mo de l 表 2 N i 5 0 2 T i 合金丝规格及参数 Ta b l e 2 Ni 5 0 2Ti 4 98 a l l 0 y wi r e s p e c i f ic a t i o n s a n d p a r a m e t e rs 2 5 o 【 a J S 1 【 b 】 S 。 2 图 2 试验梁断面 F i g 2 Te s t b e a m s e c t i o n 1 3试验过程 在万能试验机上进行 S MA智能混凝 土梁 自监 测 自修复试验， 如图 3所示。整个试验分两个阶段。 第一阶段： 模型加载至开裂， 该阶段研究模型裂缝宽 度与合金电阻变化率之间的关系； 模型开裂并卸载 后， 激励合金丝， 激励电流 2 0 A， 合金温度升高， 在 发生相变的同时产生回复力并作用于混凝土。第二 阶段： 研究合金激励过程中混凝土梁裂缝的闭合情 况及混凝土梁跨 中竖向位移的变化情况。 2 试验结果与分析 2 1 裂缝宽度与合金丝电阻变化率间关系 第一阶段加载过程中， 混凝土梁模型开裂过程 中实时测定合金丝的电阻变化， 图4 、 5分别为 s 1 图 3 S MA智能混凝土梁 自监 测裂缝 自闭合试验 Fi g 3 SM A s ma r t c onc r e t e be a m s e l f moni t o r i n g a nd s e l f r e pa i r t e s t c ha r t 和S - 2 裂缝宽度与合金电阻变化率间的关系曲线。 裂缝宽度 ram 图4 S - 1裂缝宽度与合金电阻变化率 F i g 4 S - 1 t h e c r a c k wi d t h a n d th e a l l o y r e s i s t a n c e c h a n g e ra t e 图 5 S - 2裂缝宽度与合金 电阻变化率 Fi g 5 S - 2 th e c ra c k wi d th a n d t h e a l l o y re s i s t a n c e c h a n g e ra t e 从试验结果来看， 形状记忆合金作为传感元件 用于结构健康监测是可行的， 因为混凝土裂缝宽度 与合金电阻变化率近似为线性关系。另外 ， 结构在 正常使用过程中允许的混凝土裂缝宽度值较小， 在 这样小范围的开裂情况下， 使用形状记忆合金丝作 为传感元件进行结构健康监测可以较好的实现实 时、 在线的监测目的， 对结构的损伤程度做出实时评 价 。 2 2混凝土梁裂缝的自闭合研究 加载完成并卸载后， 用裂缝观测仪观察裂缝宽 度不变、 位移计测量位移不变时开始第二阶段试验， 另外本试验还进行了一些前期 试验 ： 形状记忆合金 随温度变化的力学特性 ， 得到 了随着温度变化形状 记忆合金的力学性能有着显著的改变， 温度升高时， 合金由马氏体相转化为奥氏体相， 其马氏体相状态 郭殿军： 混凝土梁桥自监测裂缝 自闭合试验研究 9 1 下产生 的塑性变形随着温度的升高将完全消失 即表现 出形状记忆效应 ， 且 合金强度 随温度升高而 升高， 还给出了不同温度下合金的应力应变曲线。 本阶段主要研究激励合金后混凝土裂缝宽度的 变化情况， 即混凝土裂缝的自闭合研究 J 。卸载后 对埋人混凝土中的 S MA丝通电激励 ， 试验中激励电 流为 2 0 A的低压直流电。图 6为合金激励前、 后 S - l和 S - ： ! 混凝土裂缝宽度 的变化情况 。在加、 卸载 及激励阶段 ， 混凝土裂缝变化较为敏感 ， 激励后随着 合金温度的增加， 合金中的马氏体相向奥氏体相转 变并产生较大的回复力作用 于混凝土使裂缝闭合。 激励前后混凝土裂缝的变化情况见图 7及表 3 。 ( a ) s - 1 ( b ) s - 2 图 6 加、 卸载及激励过程中混凝土裂缝宽度 F i g 6 Co n c r e t e c r a c k wi d t h i n t h e b e f o r e a n d a f t e r o fth e a l l o y i n c e n t i v e 图 7 激励 前后 混凝土裂缝对 比 Fi g 7 Co nc r e t e c ra c k c ont f a s t i n th e b e f o r e a n d aft e r o fth e a h o y i n c e n t i v e 表 3 合金激励前、 后混凝土裂缝宽度 Ta b l e 3 Th e w i d th o f c o n c r e t e c ra c k s i n the b e f o r e a n d a f t e r o f the ah o y i n c e n ti v e 各阶段混凝土梁底裂缝宽度 m m 编号 丽 S一1 2 0 1 2 0 3 4 S一2 2 O 1 1 O 3 2 3 混凝土梁跨中竖向位移 混凝土梁跨中竖 向位移在激励合金前 、 后变化 较大， 图8 为加、 卸载及合金激励过程中S - 1 和 S -2 跨中竖向位移的变化情况 。图中括号 中数据从上至 下依次为： 最大跨中位移、 卸载后跨中位移、 合金激 励后跨中位移。图8中可看出， 合金丝具有较大的 初始应变， 并在消除了合金丝与混凝土间的粘结滑 移影响的情况下， 激励合金后， 混凝土跨中竖向位移 变化较 为明显。 2 4 形状记忆合金工作原理简述 加载前 S M A初始应力为 8 的应力状态( 即记 I ll r ， 一 7一一 j l 图 8加、 卸载及激励过程中 Fi g 8 Ve r t i c a l d i s p l a c e me n t o f th e mi d d l e o f s pa n i n t h e b e f o r e an d aft e r o f th e ah o y i nc e ntiv e 忆状态 ) ， 加载时形状记忆合金产生塑性变形 ， 变形 稳定后对其加热， 合金塑性变形将完全消失回复到 变形前 的状态 ， 即表现出形状记忆效应 。激励后 ， 合 金内将产生较大的回复力， 促使裂缝闭合。温度恢 复正常时， 合金状态还为激励后的状态。 3 结 论 1 ) 实现混凝土结构 的 自监测裂缝 自闭合 是本 试验的重要研究 内容。从试验结果来看 ， 作为传感 元件的 S MA丝在混凝土梁受荷变形直至开裂过程 中， 合金本身的电阻变化敏感、 易于捕捉采集 ， 完全 可以通过对形状记忆合金丝电阻的实时测定实现对 混凝土结构损伤的实时评价 。 2 ) 形状记忆合金在马氏体状态下发生塑性变 形后 ， 在随后 的加热过程中， 随着马氏体相向奥氏体 相的转变， 塑性变形将完全消失， 合金恢复到变形前 的状态。试验中混凝土开裂后， 通电激励合金丝， 随 着合金温度的升高， 混凝土裂缝明显闭合 ， 跨中竖向 位移明显减小 ， 说 明 S MA丝作为驱动元件用于混凝 土结构 的裂缝 自闭合是完全可行的。 3 ) 本试验 S M A合金丝与混凝土直接接触 ， 进行 一 次激励后不能进行二次张拉施加塑性变形 ， 即作 为驱动元件的 S MA丝完成一次作动后不能反复利 用， 致使在混凝土梁再次开裂后无法进行修复， 所以 如何反复利用 S M A丝实现混凝土梁的多次 自 修复 有待进一步研究。 4 ) 本试验就混凝土梁式桥 自监测裂缝 自闭合 作 了初步的研究 ， 如何实现实时、 在线监测还有大量 的工作要做 ， 如何将试验模型应用到实 际工程 中也 有待进一步研究。 参 考 文 献 ： 1 王国鼎， 袁海庆， 陈开利 桥梁检测与加固 M 北京： 人民交 通 出版社 ， 2 0 0 3 2 李卓球， 宋显辉 智能复合材料结构体系 M 武汉 ： 武汉理工 大学 出版社 ， 2 0 0 5 3 李厚祥， 唐春安， 等 混凝土裂缝 自愈合性能研究 J 武汉理 工大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 3 )： 2 2 9 4 邓宗才， 李庆斌 形状记忆合金对混凝土梁驱动效应分析 J 土木工程学报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 2 ) ： 4 1 - 4 7 蘑 薹瓣薹蔼蠢 鹱瓣 蕊