基于撓度監(jiān)測的鉸縫損傷定量評估方法
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李小年，彭崇梅，孫燕，張香
(上海市政養(yǎng)護(hù)管理有限公司，上海201103)
摘要：結(jié)合3D有限元分析、撓度監(jiān)測、荷載試驗(yàn)，對空心板梁鉸縫損傷機(jī)理進(jìn)行研究。提出采用鉸縫相對位移與空心板撓度的比值作為檢測指標(biāo)，在不巾斷交通的情況下完成某橋鉸縫損傷的定量評估，最后通過荷載試驗(yàn)驗(yàn)證評估方法的正確性。
關(guān)鍵詞：空心板；鉸縫；損傷；評估；檢測指標(biāo)；撓度監(jiān)測
中圖分類號：U445.7 文章編號：1004-4655( 2016) 02-0060-04
裝配式空心板梁橋中，各板梁通過現(xiàn)澆的企口混凝土鉸縫聯(lián)結(jié)，使各板梁橫向連成整體，共同承擔(dān)橋上車輛荷載，顯著減小單根板梁受力。鉸縫破損是最常見也是對結(jié)構(gòu)承載能力影響最大的病害。如果鉸縫受損甚至橫向不能傳力，則當(dāng)車輪作用于某一根板梁時，全部輪重將由該板梁單獨(dú)承受，形成“單板受力”狀態(tài)。
“單板受力”狀態(tài)對橋梁危害性很大且范圍廣泛，其所承擔(dān)的荷載往往高出設(shè)計(jì)荷載時該梁所承擔(dān)荷載的3倍以上，出現(xiàn)承載能力不足。除引起梁本身破壞外，“單板受力”還可引起橋面鋪裝、伸縮裝置、橋梁支座等的破壞，甚至出現(xiàn)橋面鋪裝拱起、破碎、脫落等現(xiàn)象，影響行車安全。
在日常檢查中，對于鉸縫破損主要是基于橋面鋪裝縱向開裂或鉸縫處梁底滲水的目觀檢查來判斷。由于有橋面鋪裝的遮蓋，鉸縫的開裂不易直接觀察到，至于開裂的程度則更加難以評估，導(dǎo)致這種檢測結(jié)果具有很大的主觀性，難以準(zhǔn)確把握鉸縫損傷程度及損傷狀態(tài)下橋梁的實(shí)際承載能力。
本文提出“基于撓度監(jiān)測的鉸縫損傷評估方法”，在不中斷交通的情況下進(jìn)行低成本且高效的監(jiān)測，完成鉸縫損傷的定量評估，為鉸縫維修提供決策依據(jù)。
1有限元模型
某橋位于S4高速，其跨徑為22 m，上部結(jié)構(gòu)形式為裝配式空心板梁橋，設(shè)計(jì)荷載為汽車一超20級。該橋橫向由11片空心板梁組成，編號從外側(cè)到內(nèi)側(cè)分別為1號~11號梁，1號梁與2號梁之間的鉸縫編號為1’’2鉸縫，以此類推。橫截面形式如圖1所示。
用ANSYS中的SOLID185單元對該橋建立全橋?qū)嶓w模型，單元長度為0.1 m，如圖2所示。其中空心板混凝土的彈性模量取3.25×104 M Pa．7 cm厚C30鋼筋混凝土面層的彈性模量取3.00×104.MPa,混凝土重度為25 k N／m3；8 cm厚瀝青混合料面層的彈性模量取1200 M Pa，混凝土重度為23 k N／m3；兩側(cè)防撞護(hù)欄自重取12 k N/m，采用MASS21單元模擬。
2鉸縫相對位移影響線
為定量評價板梁橋鉸縫損傷程度，對鉸縫損傷后的鉸縫相對位移進(jìn)行有限元分析，通過刪除鉸縫處的實(shí)體單元模擬鉸縫損傷。
首先觀察損傷鉸縫處相對位移的縱、橫向影響線特性。以4’’5鉸縫作為考察對象，將跨中對稱損傷50%，以1 k N的單位集中力在橋梁跨中橫向移動，得到鉸縫相對位移的橫向影響線如圖3所示�？梢钥闯觯q縫兩側(cè)影響線幅值符號相反，且接近損傷鉸縫處的峰值較為明顯。這說明，在車輛行駛過程中，車輪越接近損傷鉸縫處時，相對位移幅值越明顯；若鉸縫兩側(cè)同時行車或車輛左右車輪分別作用于鉸縫兩側(cè)時，由于鉸縫兩側(cè)同時受力變形而使相對位移幅值變小。同時還可看出，荷載作用于1號-4號梁一側(cè)時的峰值要略大于荷載作用于5號-11號梁一側(cè)的峰值。
觀察相對位移的縱向影響線特性。取4’’5鉸縫跨中對稱損傷50%及梁端損傷50%2種工況，得到鉸縫相對位移的縱向影響線分別如圖4、圖5所示。可以看出，相對位移測點(diǎn)1均位于鉸縫損壞區(qū)域中間，其影響線幅值范圍與鉸縫損壞區(qū)域大致相同，影響線峰值位于測點(diǎn)處；相對位移測點(diǎn)2位于鉸縫損壞區(qū)域與完好區(qū)域的交接處，其影響線幅值較小。
從以上分析可以看出，鉸縫相對位移不僅與鉸縫的損傷程度有關(guān)，而且與車輛荷載的大小、作用橫向位置、縱向位置以及測點(diǎn)所處位置有關(guān)。因此，在鉸縫損傷檢測時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇測點(diǎn)布置方案，不能簡單以跨中相對位移作為損傷程度指標(biāo)。
3檢測指標(biāo)
在鉸縫損傷檢測時，需找一個檢測指標(biāo)來定量描述鉸縫的損傷程度。考慮到橋上車輛荷載大小對于鉸縫損傷檢測的影響，采用鉸縫處相對位移與板梁撓度的比值作為鉸縫損傷的檢測指標(biāo)，見式(1)。
及右側(cè)的梁底撓度，如圖6所示。
由式(1)可知，檢測指標(biāo)D i為一個無量綱參數(shù)，當(dāng)鉸縫完好無損時，鉸縫處板梁間的相對位移為0，即D i=0；當(dāng)鉸縫完全失效時，D i=1；當(dāng)鉸縫出現(xiàn)一定程度的損傷時，D i在0-1之間變化。
由于跨中位置的鉸縫受力最明顯，理論上也越容易破壞，因此假設(shè)各鉸縫的損傷均從跨中開始對稱向兩端發(fā)展。
計(jì)算中假定車輛總重為30 t，前后軸距分別為4m、1.4 m，輪距為1.8 m。將車輛荷載按相對位移縱、橫向影響線加載在作用于5號-7號梁跨中，使4’’5鉸縫的損傷依次增長10%，分別計(jì)算其損傷度的變化情況。計(jì)算中考慮以下4個工況以模擬多鉸縫損傷的情況。
1)工況1：其他鉸縫完好。
2)工況2:5’’6鉸縫損傷50%。
3)工況3：全橋其他鉸縫均損傷50%。
4)工況4:5’’6鉸縫損傷100%。
其中，工況4為5號梁逐步變?yōu)?#8220;單板受力”，計(jì)算各工況下檢測指標(biāo)D4的變化，如圖7所示。
從圖7可得，各工況下的檢測指標(biāo)隨鉸縫損傷度基本一致，由此可將鉸縫損傷的情況分為完好、輕微損傷、中度損傷、嚴(yán)重?fù)p傷及完全破壞這5種，并列出相應(yīng)的損傷檢測指標(biāo)區(qū)間（見表1），作為鉸縫損傷檢測的依據(jù)。
從表1中可知，檢測指標(biāo)在輕微損傷及以下時，檢測指標(biāo)值較小，這對儀器的精度提出了較高要求。
4利用檢測指標(biāo)進(jìn)行損傷評估
在不中斷交通情況下進(jìn)行鉸縫損傷檢測，由于車流量較多，在橋上各個橫向位置出現(xiàn)的可能性均有，則撓度監(jiān)測相當(dāng)于利用社會車輛對其進(jìn)行反復(fù)的荷載試驗(yàn)過程。因此，通過增加測量時間，分別計(jì)算各輛重車通過橋梁時的鉸縫損傷檢測指標(biāo)，取其最大值作為評判標(biāo)準(zhǔn)。
由于該橋日常車流量較大、重車較多，管養(yǎng)單 位在日常檢查時發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝縱向裂縫，且梁底部分鉸縫有滲水。
針對該橋目觀檢查情況，對疑似損傷最嚴(yán)重的3’’4鉸縫、4’’5鉸縫及7’’8鉸縫進(jìn)行鉸縫損傷評估。按照圖6所示，對鉸縫位移測點(diǎn)進(jìn)行布置，主要采用電阻式位移計(jì)測量，量程為50 mm，重復(fù)精度為0.013 mm，線性度≤±0.1%，采樣頻率為50 Hz。試驗(yàn)選擇早、晚高峰段，基本涵蓋白天全部時段，分10次完成約10 h的數(shù)據(jù)采集。
采用小波分析方法，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除溫度效應(yīng)、零飄、噪聲等處理。采用MATLAB編程選取絕對位移峰值及對應(yīng)的相對位移峰值計(jì)算各鉸縫的損傷檢測指標(biāo)，為提高計(jì)算精度，僅針對位移較大的峰值進(jìn)行計(jì)算。4’’5鉸縫的計(jì)算示意圖如圖8所示。
按照式(1)計(jì)算各鉸縫的損傷檢測指標(biāo)，取4’’5鉸縫的計(jì)算最大值0.665作為損傷檢測指標(biāo)，對比表1可以判斷其鉸縫已完全破壞。同理可以得到3’’4鉸縫、7’’8鉸縫的損傷檢測指標(biāo)分別為0.123和0.377，損傷程度分別為：中度損傷和嚴(yán)重?fù)p傷。可以看出，4號梁的單板受力狀態(tài)明顯，需要立即進(jìn)行鉸縫維修加固。
5荷載試驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證上述方法的正確性，進(jìn)行多次鉸縫損傷荷載試驗(yàn)，利用所測得的大量數(shù)據(jù)，在有限元模型中對鉸縫損傷進(jìn)行模型修正，以各鉸縫損傷程度為待修正參數(shù)對初始有限元模型進(jìn)行修正，使得理論計(jì)算曲線與實(shí)測撓度曲線相吻合，從而得到各鉸縫較為準(zhǔn)確的損傷程度。
以4’’5鉸縫為例，完好狀態(tài)的理論計(jì)算值、模擬損傷后的理論計(jì)算值以及實(shí)測值的比較如圖9所示。
從圖9中可以看出，理論計(jì)算撓度的橫向分布曲線較為平滑，各片梁受力較為均勻，而實(shí)際測得的曲線則是直接承受車輪的5號梁-7號梁受力突出，4’’5鉸縫傳力能力幾乎喪失，7’’8鉸縫傳力能力亦大大降低。
對各鉸縫損傷程度進(jìn)行模型修正后，其計(jì)算值與實(shí)測值較為吻合（見圖9）。其中，3’’4鉸縫、4’’5鉸縫、7’’8鉸縫的損傷度分別為50%、95%、70%。這說明，上節(jié)中所得鉸縫損傷程度是比較準(zhǔn)確的，利用檢測指標(biāo)進(jìn)行損傷評估的結(jié)果具有相當(dāng)?shù)目尚哦取?
6結(jié)語
本文結(jié)合3D有限元分析、撓度監(jiān)測、荷載試驗(yàn)，對空心板梁鉸縫損傷機(jī)理進(jìn)行研究，提出基于撓度監(jiān)測的鉸縫損傷定量評估方法，主要成果如下。
1)鉸縫相對位移不僅與鉸縫的損傷程度有關(guān)，而且與車輛荷載大小、橫向及縱向位置、位移測點(diǎn)有關(guān)，不能簡單以跨中相對位移作為損傷程度的判別指標(biāo)。
2)定義相對位移與絕對位移的比值作為鉸縫損傷的檢測指標(biāo)。
3)通過各工況下的鉸縫損傷有限元模擬，列出損傷檢測指標(biāo)用以定量評估鉸縫損傷程度。
4)提出在不中斷交通的情況下進(jìn)行空心板鉸縫損傷的定量評估方法。
5)通過荷載試驗(yàn)，采用鉸縫損傷模型修正方法驗(yàn)證評估方法的正確性。
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