混凝土梁損傷識別的試驗研究

王海春 田平 李志剛

【摘 要】

由于目前基于橋梁動力信息的損傷識別方法存在不少問題，本文嘗試性地采用結構自重作為損傷識別分析的外部信息，在此基礎上分析混凝土裂縫損傷對結構的哪些響應變量有重要影響，以及影響的性質有什么不同，從而找到能較好的反映結構損傷的物理量，并通過光纖傳感器和傳統電測應變片的對比試驗，驗證了光纖傳感器用于損傷識別的可行性。

【關鍵詞】混凝土梁；損傷識別；應變檢測

Experiment research of concrete beam harm identification

Wang Hai-chun1，Tian Ping2，Li Zhi-gang3

（1. Transportation occupation technical college of Qinghai Xining Qinghai 810003；

2. Hebei transportation occupation technical college Shijiazhuang Hebei 050091；

3. Liberation Arm science and engineering university Jiangsu Nanjing 210000）

【Abstract】In order to identify a method to exist not a few problems according to the harm of bridge motive information currently， The article tries ground adoption structure self-respect is a harm to identify an analytical exterior information， analyze concrete crack harm on this foundation to structure of those respond to change the quantity contain importance influence， and influence of the property have what dissimilarity， find out thus can the better reflection structure hurt of physical quantity， and pass fiber optic spread feeling machine and traditional electricity to measure a contingency slice of contrast experiment， verify a fiber optic to spread a feeling machine to used for the possibility that the harm identifies.

【Key words】Concrete beam； Harm identification；Contingency examination

1. 前言

（1）損傷識別是橋梁健康監測的重點與難點，目前國內外許多大型橋梁均埋設了長期健康監測系統，利用這些系統在自然風荷載或行車荷載作用下獲取的結構動力信息，基于動力信息開展了大量損傷識別理論研究，但是在研究中發現：環境噪音嚴重，影響損傷識別的準確性；結構動力特性對小損傷不敏感，難以捕捉早期損傷；動力信號的測試精度相對較低，識別精度難以保證；對于中小型重要橋梁，難以測試結構動力信息。

（2）光纖傳感器與傳統的傳感器相比具有測量精度高、動態范圍大、頻帶寬并可實現絕對測量以及抗電磁干擾、耐腐蝕的特點，而且光纖體積小、柔軟可彎曲，能以任意形式復合于基體結構中而不影響基體的性能。光纖傳感系統最具優勢的地方在于它可同時作為傳感元件和傳輸媒介，便于與光纖傳輸系統聯網，以實現系統的遙測和控制。所以，把光纖傳感器埋入混凝土結構中，用于各種參量的測量是比較理想的方法，因此本文嘗試將光纖傳感器應用到損傷識別中來。

（3）由于損傷識別是一個標準的反問題求解問題，存在解不唯一等客觀理論難點，課題組在理論研究上遵循如下技術路線：首先進行損傷的正分析，了解混凝土裂縫損傷對結構的那些響應變量有重要影響，以及影響的性質有什么不同；其次將損傷識別問題分解為損傷出現識別、損傷位置識別與損傷程度識別等相對簡單的問題，力爭解決其中的一到兩個問題。

本文主要進行損傷識別正分析的探討，關于第二個論題由于篇幅原因，另撰文論述。

2. 不同位置、不同深度的裂縫對結構應變與撓度的影響分析

（1）分別在結構完好的小梁、跨中深20mm裂縫的1#小梁、跨中深37mm裂縫的1#小梁、跨中深80mm裂縫

（2）為了分析不同位置、不同深度的裂縫對結構應變與撓度的影響情況，1#小梁六種結構形態在均布荷載與集中荷載作用下的應變與撓度響應變化見圖7、圖8、圖9與圖10。由圖7、圖9可見：即使小梁在完好狀態下應變分布出現了跨中應變小于1/4處應變的反?，F象，初步分析可能在1/4處出現了微裂紋；隨著跨中人為裂縫的逐漸加深，靠近裂縫一側的應變逐漸釋放，應變值降低，但是1/4微裂紋處的應變持續增加，其他部位的應變幾乎不受裂縫擴展的影響。由圖8、圖10可見：隨著裂縫不斷擴展，相同荷載下結構撓度持續增加，說明構件剛度持續降低，同時構件全長的撓度均受到影響。

3. 裂縫擴展對應變與撓度的影響分析

為了進一步分析裂縫擴展對應變與撓度的影響，在2#小梁上做了沒有人為裂縫和跨中裂縫120mm、1/4處斜裂縫170mm的兩種結構形式在均布荷載作用下的對比試驗，電阻應變片與百分表的布置基本同1#梁。做出兩種結構形式下應變與撓度對比見圖11與圖12，由圖可見：在跨中與1/4處存在裂縫一側的應變均不同程度降低，而其他部位的應變幾乎不受影響，但是撓度在構件全長均受裂縫出現的影響。

4. 光纖傳感器在損失識別中的應用

為驗證光纖傳感器能夠敏感地感應混凝土裂縫地出現與擴展，在1#梁跨中人為裂縫為0mm、20mm、37mm、80mm、100mm分別記錄混凝土光纖傳感器與鋼筋光纖傳感器采集的混凝土應變，作出混凝土應變與鋼筋應變隨裂縫擴展的變化情況見圖13與圖14。由圖可見：由于光纖傳感器設置在裂縫附近，因此能夠敏感地感應混凝土開裂；其中混凝土傳感器跨越裂縫，因而應變值隨裂縫擴展而持續增加；而鋼筋傳感器在裂縫一側，裂縫擴展到鋼筋所在位置前，應變增加，但裂縫擴展到鋼筋所在位置后，位于裂縫一側的應變釋放，因而讀數減小。裂縫與傳感器相對位置見圖15。

5 . 結論

5.1 損傷識別變量的選擇：應變對局部損傷敏感，但是感應的范圍有限；撓度是個全局變量，感應的范圍比較廣，但是難以用于損傷定位。

5.2 應變量的變化與裂縫、應變片的相對位置、裂縫擴展程度有復雜的非線性關系，因此進行損傷定位與程度計算的難度較大。

5.3 實際工程應用時，如果不能實現光纖傳感器的分布式布置，應該將撓度監測手段與應變監測手段相結合，用撓度變量識別損傷的出現，利用應變變量進行損傷定位的識別。endprint