基于热传导理论的钢管混凝土拱肋界面脱空的定性识别

毛 健, 潘盛山

(大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连 116024)

近几十年来钢管混凝土拱桥在国内外得到了广泛运用,包括我国在内的许多国家都对此类桥型进行了研究.根据文献[1]统计,截止到2010年6月,在我国跨径50 m以上的钢管混凝土拱桥共327座,其中跨径300 m以上的仅有9座.值得注意的是,在没有较为完善成熟的设计理论指导前提下,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,服役一段时间后是否会出现大量的病害,是研究者关心的重要课题.

根据文献[2-3]统计钢管与混凝土的界面脱空是必然的,并且这是钢管混凝土拱桥的主要病害之一.文献[4]认为脱空使钢管失去了对混凝土的套箍作用,混凝土局部受力截面削弱,并且降低钢管混凝土拱桥的整体承载力,严重影响结构的使用安全,因此钢管混凝土界面脱空的实时监测以及加固显得尤为重要.目前的钢管混凝土界面脱空的实时监测技术如表面波法、超声波检测法等[5],还都不够成熟,而且成本较高,无法完成无损条件下的大范围定量检测.本文基于热传导理论及热传导试验结果,提出一种新的钢-砼界面脱空的无损检测方法.

1 基于热传导理论的钢管混凝土拱肋界面脱空实时监测的新方法

基于结构测温的损伤识别技术正在快速发展,红外热像技术就是利用结构的热辐射探测内部损伤[6].因其操作简单、实用,这种方法被越来越多地应用于各个行业的损伤识别.然而,由于红外热像仪成本较高,且检测时受环境及被检测结构表面材料特性影响较大,制约了红外热像损伤识别技术的发展.

根据热传导理论[7],不同材料的热物理特性是不同的.由于钢材、混凝土及空气之间的热物理特性存在较大差异,当对钢管混凝土构件加热时脱空区域和非脱空区域会形成温度差.文献[8]通过对试件加热,利用红外热像仪检测试件的温差变化,可以很明显的看出脱空区域与非脱空区域的温度差异.

本文提出了一套全新的钢管混凝土拱肋界面脱空实时监测的方法:以界面脱空区域表面温度为检测对象,通过对构件的加热,利用分布式温度传感器采集表面温度信息,经过数据处理描绘出构件表面的温度变化.通过这种温度变化,结合热传导基本理论,推断出脱空区域的位置.

实现这种新方法的关键技术之一是如何通过检测到的温度差异来判断是否出现脱空,本文将通过对比数值模拟及试验结果来验证这一问题.

2.1 材料的热物理特性

自然界中的各种物质都有其特定的热物理特性并且各不相同,其中导热系数是热传导理论中重要的参数之一.导热系数表征了一种材料传导热量的能力,即单位时间内相同的温差和厚度条件下传导热量的多少.本文的研究对象,即存在脱空的钢管混凝土中,钢材、混凝土及空气的热物理特性有较大差别,具体详见表1和表2.

表1 20 ℃时钢材及混凝土的热物理特性Table 1 Thermo-physical properties of steel and concrete at 20 ℃

表2 空气在各温度下的热物理特性Table 2 Thermo-physical properties of air under different temperature

2.2 热传导理论基础

根据热传导理论[7],任意材料任意时刻的温度场可用三维热传导方程描述:

式中,ρ为材料密度;c为材料比热容;T为材料温度;t为加热时间;λ为导热系数.

2.3 钢砼界面脱空的理论判断

当对钢管混凝土构件加热时,表面的钢管温度升高与钢管下的混凝土以及脱空区域的空气之间形成温度梯度,而温度梯度的存在是热传播的必要条件[7].热量通过钢管传播给混凝土及空气,根据导热微分方程,空气与混凝土的导热系数相差很大,导致钢板的热量在脱空区域和非脱空区域的传导速率不同.混凝土的导热系数较大,传导热量的速度较快,因此非脱空区域钢管表面的温度在没有达到稳态状态时要比脱空区域钢管表面的温度高.通过这种温度差异可以推断出某区域内是否出现界面脱空.

3 数值模拟

3.1 计算模型尺寸与材料参数

计算模型平面大小为40 cm×40 cm,高25 cm的混凝土方块,中间预留22 cm×22 cm的空洞,深2 cm,顶部为6 mm的钢材.各材料热力学特性如上文中表1、表2所示.

3.2 加热类型及边界条件的设定

模型设定为对钢板表面进行面加热,采用热流密度的方式加热,数值为800 W/m2;模型的其他边界面采用自然对流边界,其中内部脱空部分与接触的混凝土之间也采用自然对流,对流系数为8.7 W/m2.

3.3 结果分析

从图1所示的结果云图可以看出,钢板表面的温度成阶梯状分布,从中心向四边逐渐减小.

图1 钢板表面温度分布云图Fig.1 Surface temperature of steel plate

图2所示为从中点沿中心线到边缘处各点的温度.从图2中可以看出脱空部分(0～11 cm)温度由中心处的39.237 ℃缓慢变化到边缘处的37.813 ℃,脱空区平均温度为38.525 ℃.而非脱空区温度变化显著,从脱空边缘的37.813 ℃急速变化到试件边缘的32.118 ℃,平均温度为34.966 ℃,温度梯度较脱空区更为明显.

由此可以看出,脱空部分与非脱空部分传导热量的差异性,这种差异就造成了钢板表面的温度差异,以此为依据便可以判断出脱空区域的大致位置.

图2 钢板中心各点温度对比Fig.2 Temperature contrast of the points in the center of the steel plate

4 试验验证

为了验证基于热传导理论的钢-砼界面脱空损伤识别方法的可行性和有效性,本实验利用碘钨灯对试件照射加热,测得试件表面温度差异,以此进行脱空损伤识别.

本实验设计了一个脱空试件进行模拟试验.试件尺寸与计算模型尺寸相同为40 cm× 40 cm,高25 cm的方形混凝土块件,中间预留22 cm×22 cm的空洞, 深2 cm, 顶部安装一块钢板, 板厚6 mm, 用来模拟钢管混凝土. 具体如图3所示.

图3 试件构造图(cm)Fig.3 Thestructure map of specimen (cm)(a)—俯视图; (b)—侧视图.

为避免预设脱空区外的混凝土与钢板之间出现脱空, 在混凝土中掺入膨胀剂以补偿收缩, 并在混凝土达到强度后马上进行试验, 避免时间过长由混凝土收缩和徐变等因素可能引起的脱空.

4.1 试验方案

试件表面经过打磨抛光处理后,在试件表面沿对角线方向分别布设4个光纤光栅传感器用以测量钢板表面温度,将布设好的光纤光栅传感器串联接入光纤光栅解调仪,准备测量.具体布置如图4所示.

图4 光纤光栅传感器布置图Fig.4 The layout of FBG sensors

4.2 界面脱空损伤识别

取实验结果中的脱空区域传感器A和非脱空区域传感器D的数据进行对比,得出图5所示结果.可以看出,在40 min的加热时间里前15 min内升温速率高于后25 min,脱空区域升温速率2 ℃/min高于非脱空区域的升温速率,15 min后温度缓慢升高.脱空区域在加热40 min后温度高达42.6 ℃,非脱空区域温度接近30 ℃,温度差异明显.降温过程基本同升温过程规律相似,开始降温15 min内温度降低较快,脱空区域降温速率高于非脱空区域,15 min后降温缓慢,温度低于15 ℃时脱空与非脱空区域基本相同.

图5 随时间变化各个位置的温度Fig.5 Temperature of each position with the time changes

从以上实验结果中可以看出,钢管混凝土脱空区域与非脱空区域之间的温度以及温度变化速率存在明显差异.两者变化趋势基本相同,脱空区域的温度和温度变化速率高于非脱空区域.降温过程中,当温度低于15 ℃时实验数据不再具有参考价值,因此降温过程监测中温度不宜过低.实际应用中可根据需要选择传感器布设的方式和位置,以此检测出脱空部分的大概形状和位置.至于精确的反演计算,还有待进一步的研究.

5 结 论

通过以上数值模拟及实验验证对比,得出以下结论:

(1) 混凝土与空气之间的热传导差异可以明显表现在钢板表面,形成温度梯度,证明利用不同材料的热传导特性检测脱空区域的方法的可行性.

(2) 脱空区域温度和温度变化速率明显高于非脱空区域,边界位置有明显变化.由此,可以通过合理布置传感器进行脱空识别.

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