趙海亮, 潘盛山

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024)

鋼管混凝土構(gòu)件是鋼-砼組合結(jié)構(gòu)的一個典型例子,在拱橋的建設(shè)中應(yīng)用廣泛.截止到2010年6月,中國已建成鋼管混凝土拱橋320座以上[1].值得注意的是,在很短的一段時間內(nèi),在沒有較為完善成熟的設(shè)計理論指導(dǎo)前提下(至今仍沒有鋼管混凝土拱橋的設(shè)計規(guī)范),修建數(shù)量如此眾多的大跨度鋼管混凝土拱橋,其耐久性如何,是否會出現(xiàn)和雙曲拱橋類似的問題,服役一段時間后出現(xiàn)大量的病害,是研究者關(guān)心的重要課題.這些問題使鋼管混凝土拱橋發(fā)展緩慢,新建鋼管混凝土拱橋的數(shù)量在最近幾年也大量減少.

文獻(xiàn)[2-5]認(rèn)為發(fā)生界面脫空是必然的.界面脫空的存在,不但失去了鋼管對混凝土的套箍作用,而且會降低拱肋的承載能力;與吊桿、橋面系等局部構(gòu)件的可更換性不同,其承載能力和耐久性將直接決定鋼管混凝土拱橋的使用壽命,同時界面脫空無法通過外觀檢查確定其損傷位置和程度,潛在危險大.因此,急需對鋼管混凝土拱肋界面脫空的實時監(jiān)測技術(shù)和損傷識別理論進(jìn)行研究,避免重大事故的發(fā)生.

1 鋼板振動頻率與界面脫空的理論關(guān)系

根據(jù)彈性薄板的振動理論,彈性地基上四邊簡支的矩形薄板的振動圓頻率為[6]:

(1)

式中,ρ、h分別為板密度、厚度;a為板的長度、b為板的寬度;m,n為頻率階數(shù);ks為地基的彈性系數(shù);D為板的抗彎剛度.

當(dāng)板為其他邊界條件時,亦可導(dǎo)出與式(1)類似的表達(dá)式.在混凝土的支承下, 鋼板的振動類似于彈性地基上的薄板. 在沒有界面脫空的位置, 相對于脫空處的鋼板, 由于混凝土對鋼板的支承, 表達(dá)式中增加了ks項, 因此其振動頻率將顯著提高. 換言之, 當(dāng)鋼板與混凝土發(fā)生脫空時, 脫空處的鋼板失去了混凝土的支承,導(dǎo)致ks的降低, 從而引起板的振動頻率降低. 脫空范圍越大, 則ks越小, 因此脫空處鋼板的振動頻率下降就越大.

2 試驗驗證

本試驗利用力錘敲擊產(chǎn)生的瞬態(tài)寬頻激勵得到板的振動頻率、振幅等振動信息,從而對基于加速度傳感器鋼管混凝土拱肋界面脫空的定性識別的有效性和可行性進(jìn)行驗證.

本試驗設(shè)計了兩個試件進(jìn)行對比試驗,分別在C30混凝土臺的頂面安裝上一塊鋼板.其中混凝土臺長寬高尺寸為40 cm×40 cm×25 cm,鋼板長寬厚尺寸為40 cm×40 cm×0.6 cm,混凝土臺在地面上澆筑堅固.試件1將鋼板和混凝土臺直接連接,兩者之間無縫隙.試件2在混凝土臺中間預(yù)設(shè)了平面尺寸為22 cm×22 cm的空洞,模擬鋼板下面的脫空.

圖1～圖3為試件布置圖和實拍圖.為了防止混凝土由于本身的收縮而引起鋼板和混凝土之間出現(xiàn)脫空,試件在制作時混凝土中摻入適量膨脹劑,同時當(dāng)混凝土達(dá)到實驗要求時立刻進(jìn)行實驗,防止由于時間過長混凝土發(fā)生收縮徐變致使混凝土和鋼板之間出現(xiàn)脫空.試驗采用NATIONAL INSTRUMENTS公司的NIPXI-1045動態(tài)測試系統(tǒng),該系統(tǒng)可以同時對多個加速度傳感器信號進(jìn)行采集和記錄.

圖1 試件1布置圖(單位:cm)Fig.1 Arrangement diagram of test specimen No.1

圖2 試件2布置圖(單位:cm)Fig.2 Arrangement diagram of test specimen No.2

圖3 試驗?zāi)Ｐ蛯嵟膱DFig.3 Real shot diagram of test specimen

2.1 試驗方案

方案1 分別在試件1和試件2鋼板平面的同一測點布置加速度傳感器,目的為對脫空鋼板和非脫空鋼板的動力響應(yīng)進(jìn)行對比試驗.

方案2 在有預(yù)設(shè)脫空區(qū)的試件2的鋼板平面上一次布設(shè)8個加速度傳感器,目的為在瞬態(tài)激勵下通過8個加速度傳感器同時采集數(shù)據(jù),通過傳感器的信號來進(jìn)行脫空區(qū)域的識別.加速度傳感器的排列如圖4所示,圖中數(shù)字1～8分別為

圖4 方案2加速度傳感器布置圖(單位:cm)Fig. 4 Program 2 the arrangement of the acceleration sensor (Unit: cm)

8個傳感器的編號.

2.2 界面脫空的識別

方案1 從試件1的測試結(jié)果看到,在0～2 000 Hz的頻段內(nèi),各個傳感器的加速度功率譜中均沒出現(xiàn)明顯的共振峰,而在預(yù)設(shè)有脫空區(qū)的試件2中,基頻明顯下降,分析頻帶中出現(xiàn)密集的共振峰,如圖5所示.

圖5 非脫空與脫空狀態(tài)下的典型加速度功率譜Fig. 5 Typical acceleration power spectrum of non-void state and void state(a)—非脫空區(qū); (b)—脫空區(qū).

以上結(jié)果從試驗的角度論證了界面脫空后鋼板的頻率顯著下降的特性.可以根據(jù)該特性定性判斷是否存在界面脫空狀態(tài).但是需要知道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的基頻,因此對于現(xiàn)役結(jié)構(gòu)欲通過基頻的變化來判斷是否脫空難度較大.

方案2 從圖6中可以看出處于脫空區(qū)的3號、4號傳感器的信號頻譜圖出現(xiàn)明顯波動,而且能量明顯強(qiáng)于非脫空區(qū)(1號、2號傳感器),并且主峰處頻率要遠(yuǎn)大于非脫空區(qū)主峰處頻率.從圖7中可以看出處于脫空區(qū)的3號、4號傳感器的信號的加速度峰值要比非脫空區(qū)大(1號、2號傳感器),并且脫空區(qū)信號衰減速度明顯比非脫空區(qū)緩慢.因此,可以根據(jù)脫空區(qū)與非脫空區(qū)存在的這些振動特性的不同對鋼管混凝土拱肋界面是否脫空進(jìn)行定性判斷.

圖6 頻譜圖Fig.6 The spectrogram(a)—1號傳感器; (b)—2號傳感器; (c)—3號傳感器; (d)—4號傳感器.注: g為重力加速度,9.8 m/s2.

圖7 時程曲線Fig.7 The time-history curve(a)—1號傳感器; (b)—2號傳感器; (c)—3號傳感器; (d)—4號傳感器.

3 結(jié) 論

通過對比試驗結(jié)果表明:

(1) 當(dāng)鋼板和混凝土之間發(fā)生界面脫空時,其基頻明顯下降.

(2) 脫空區(qū)內(nèi)測點的加速度信號強(qiáng)度明顯高于非脫空區(qū)的測點,脫空區(qū)測點的振幅明顯高于非脫空區(qū)測點振幅,而且脫空區(qū)主峰頻率要遠(yuǎn)大于非脫空區(qū)主峰頻率,并且脫空區(qū)信號衰減速度要比非脫空區(qū)明顯緩慢.由此,可通過脫空區(qū)與非脫空區(qū)振動特性的差異對鋼管混凝土拱肋界面是否脫空進(jìn)行定性判斷.

(3) 在今后的研究工作中,應(yīng)投入更多的精力對振動頻率、振幅與阻尼等振動特性與脫空區(qū)邊界的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究,并對在完全脫空、部分脫空等各種非均勻、非規(guī)則支承的脫空狀態(tài)進(jìn)行深入研究.

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