基于加速度传感器钢管混凝土拱肋界面脱空的定性识别

赵海亮, 潘盛山

(大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连 116024)

钢管混凝土构件是钢-砼组合结构的一个典型例子,在拱桥的建设中应用广泛.截止到2010年6月,中国已建成钢管混凝土拱桥320座以上[1].值得注意的是,在很短的一段时间内,在没有较为完善成熟的设计理论指导前提下(至今仍没有钢管混凝土拱桥的设计规范),修建数量如此众多的大跨度钢管混凝土拱桥,其耐久性如何,是否会出现和双曲拱桥类似的问题,服役一段时间后出现大量的病害,是研究者关心的重要课题.这些问题使钢管混凝土拱桥发展缓慢,新建钢管混凝土拱桥的数量在最近几年也大量减少.

文献[2-5]认为发生界面脱空是必然的.界面脱空的存在,不但失去了钢管对混凝土的套箍作用,而且会降低拱肋的承载能力;与吊杆、桥面系等局部构件的可更换性不同,其承载能力和耐久性将直接决定钢管混凝土拱桥的使用寿命,同时界面脱空无法通过外观检查确定其损伤位置和程度,潜在危险大.因此,急需对钢管混凝土拱肋界面脱空的实时监测技术和损伤识别理论进行研究,避免重大事故的发生.

1 钢板振动频率与界面脱空的理论关系

根据弹性薄板的振动理论,弹性地基上四边简支的矩形薄板的振动圆频率为[6]:

(1)

式中,ρ、h分别为板密度、厚度;a为板的长度、b为板的宽度;m,n为频率阶数;ks为地基的弹性系数;D为板的抗弯刚度.

当板为其他边界条件时,亦可导出与式(1)类似的表达式.在混凝土的支承下, 钢板的振动类似于弹性地基上的薄板. 在没有界面脱空的位置, 相对于脱空处的钢板, 由于混凝土对钢板的支承, 表达式中增加了ks项, 因此其振动频率将显著提高. 换言之, 当钢板与混凝土发生脱空时, 脱空处的钢板失去了混凝土的支承,导致ks的降低, 从而引起板的振动频率降低. 脱空范围越大, 则ks越小, 因此脱空处钢板的振动频率下降就越大.

2 试验验证

本试验利用力锤敲击产生的瞬态宽频激励得到板的振动频率、振幅等振动信息,从而对基于加速度传感器钢管混凝土拱肋界面脱空的定性识别的有效性和可行性进行验证.

本试验设计了两个试件进行对比试验,分别在C30混凝土台的顶面安装上一块钢板.其中混凝土台长宽高尺寸为40 cm×40 cm×25 cm,钢板长宽厚尺寸为40 cm×40 cm×0.6 cm,混凝土台在地面上浇筑坚固.试件1将钢板和混凝土台直接连接,两者之间无缝隙.试件2在混凝土台中间预设了平面尺寸为22 cm×22 cm的空洞,模拟钢板下面的脱空.

图1～图3为试件布置图和实拍图.为了防止混凝土由于本身的收缩而引起钢板和混凝土之间出现脱空,试件在制作时混凝土中掺入适量膨胀剂,同时当混凝土达到实验要求时立刻进行实验,防止由于时间过长混凝土发生收缩徐变致使混凝土和钢板之间出现脱空.试验采用NATIONAL INSTRUMENTS公司的NIPXI-1045动态测试系统,该系统可以同时对多个加速度传感器信号进行采集和记录.

图1 试件1布置图(单位:cm)Fig.1 Arrangement diagram of test specimen No.1

图2 试件2布置图(单位:cm)Fig.2 Arrangement diagram of test specimen No.2

图3 试验模型实拍图Fig.3 Real shot diagram of test specimen

2.1 试验方案

方案1 分别在试件1和试件2钢板平面的同一测点布置加速度传感器,目的为对脱空钢板和非脱空钢板的动力响应进行对比试验.

方案2 在有预设脱空区的试件2的钢板平面上一次布设8个加速度传感器,目的为在瞬态激励下通过8个加速度传感器同时采集数据,通过传感器的信号来进行脱空区域的识别.加速度传感器的排列如图4所示,图中数字1～8分别为

图4 方案2加速度传感器布置图(单位:cm)Fig. 4 Program 2 the arrangement of the acceleration sensor (Unit: cm)

8个传感器的编号.

2.2 界面脱空的识别

方案1 从试件1的测试结果看到,在0～2 000 Hz的频段内,各个传感器的加速度功率谱中均没出现明显的共振峰,而在预设有脱空区的试件2中,基频明显下降,分析频带中出现密集的共振峰,如图5所示.

图5 非脱空与脱空状态下的典型加速度功率谱Fig. 5 Typical acceleration power spectrum of non-void state and void state(a)—非脱空区; (b)—脱空区.

以上结果从试验的角度论证了界面脱空后钢板的频率显著下降的特性.可以根据该特性定性判断是否存在界面脱空状态.但是需要知道结构健康状态下的基频,因此对于现役结构欲通过基频的变化来判断是否脱空难度较大.

方案2 从图6中可以看出处于脱空区的3号、4号传感器的信号频谱图出现明显波动,而且能量明显强于非脱空区(1号、2号传感器),并且主峰处频率要远大于非脱空区主峰处频率.从图7中可以看出处于脱空区的3号、4号传感器的信号的加速度峰值要比非脱空区大(1号、2号传感器),并且脱空区信号衰减速度明显比非脱空区缓慢.因此,可以根据脱空区与非脱空区存在的这些振动特性的不同对钢管混凝土拱肋界面是否脱空进行定性判断.

图6 频谱图Fig.6 The spectrogram(a)—1号传感器; (b)—2号传感器; (c)—3号传感器; (d)—4号传感器.注: g为重力加速度,9.8 m/s2.

图7 时程曲线Fig.7 The time-history curve(a)—1号传感器; (b)—2号传感器; (c)—3号传感器; (d)—4号传感器.

3 结 论

通过对比试验结果表明:

(1) 当钢板和混凝土之间发生界面脱空时,其基频明显下降.

(2) 脱空区内测点的加速度信号强度明显高于非脱空区的测点,脱空区测点的振幅明显高于非脱空区测点振幅,而且脱空区主峰频率要远大于非脱空区主峰频率,并且脱空区信号衰减速度要比非脱空区明显缓慢.由此,可通过脱空区与非脱空区振动特性的差异对钢管混凝土拱肋界面是否脱空进行定性判断.

(3) 在今后的研究工作中,应投入更多的精力对振动频率、振幅与阻尼等振动特性与脱空区边界的对应关系进行研究,并对在完全脱空、部分脱空等各种非均匀、非规则支承的脱空状态进行深入研究.

参考文献:

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(Chen Baochun, Liu Fuzhong, Wei Jiangang. Statistical Analysis of 327 CFST[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2011,31(3):96-103.

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