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混凝土结构破坏评估的动态测试方法摘要 本文分为两个部分，第一部分是关于实验室的测试而第二部分是真正桥梁的处理和实验。本文意在总结几个实验动态测试方法和不同的破坏指标来评估预应力混凝土和钢筋混凝土的状态。 预应力混凝土和被动混凝土的第一点差异是，在成功地向动力学过度之前是否重复静态行为，以下的非线性的增加和破坏将会被证明。谐波的刺激有利于实现良好的测试条件。它是用于在线性和非线性结构特点的可视化变更。这些变化随后将作为破坏指标，例如，固有频率的下降，阻尼和形状的改变，更高的谐波和一个固有频率及发力振幅的变化依据的出现。这些不同的指标将会被用于被动的钢筋混凝土梁构件和工业生产的预应力板何在第二部分的两个真正的后张桥梁。这些所有的结构都情况良好并且认为破坏之前的情况被应用于多个步骤和每个破坏指标的敏感性都进行了分析。1.介绍 钢筋混凝土的每个检验经常先由一个经验丰富的工程师进行视觉检查，经常花费很多天甚至好几个星期在尺寸和通道上，也就是比如脚手架的必要与否。不幸的是任何可能的内部结构的破坏，例如部分预应力的破坏，疲劳破坏的钢筋等，可能不能从外部观察出来，还要看由【1.12】这些失效产生了的可见的裂缝。评估一座桥的一个已知的方法是进行一个静荷载试验，一个高费用的用超过最高可能交通荷载，恰好低于残余破坏水平。桥梁和结构的静态变形和计算值相比是在定义荷载下直接测量的，计算和测量之间的比较大的差异，混凝土裂缝和高残余变形是一个刚度损失和缺陷破坏的标志。此外，我们需要强调的是，和普通的安全因素相比，在这个测验中结构是超载的，而当费用降低时是稳定的。这个静态方法的缺点是静态和复杂性，特别是当桥的交通不允许关闭时或者当静态变形的测量比较困难时。因此，作为一个代替或补充，线性和非线性动态特征可以用来作为破坏指标，而振动可以由速度和加速度传感器测量出来，在过去的几年中在这个领域做了很多研究，至少涉及到了线性动态破坏指标，关于谐波激发，本文还特别强调线性和非线性动态破坏指标。1.1 静力学图1提供了被动和预应力混凝土中的钢筋各种形态的了解，各种梁在三点弯曲试验中已经用相同的极限荷载测试过了。只要应力小于混凝土抗拉强度，即在第一个裂缝产生之前，曲线显示没有变化，如果被动钢筋的第一条裂缝，就如图1小箭头指示的，发生在一个非常低的力水平和刚度（成正比的斜坡力挠度曲线）是明显减小了，减少的数量取决于出现的第一条裂缝和进一步的曲线形状。随着预应力的增加，裂缝的影响和刚度降低变得越来越突然和明显，但是更接近极限荷载。 1.2 动力学任何结构的动力性能取决于质量的分布，刚度和阻尼。单自由度（DOF）弹簧元件的固有频率可由下式计算： 其中k是刚度，m是系统的质量，结果很明显，在给定的系统中是一个特征常数，即系统的一个恒定不变的性质。图1可得出裂纹开始时固有频率下降，刚度也降低，这个影响是众所周知的。作为破坏指标，当第一条裂缝产生后它是有效的。开裂之前阻尼机构以材料阻尼为基础，它和线性理论充分接近，连同裂缝阻尼数量增加，同样的在第一步，这机构变成了非线性的。这是因为这个震荡裂缝的开裂和闭合，由于考虑到刚度和能量耗散而变得不对称，这个想法是使用变化的阻尼机制和裂缝作为额外破坏指标。它们必须高精度测量，即使在小非线性情况下。因此，正弦扫频激发和低扫描速度和横幅被用在所有测试，使用的不同扫描率都在0.010.2hz/s之间，在【9】中显示这些并没有影响结果。1.钢筋混凝土梁的试验 2.1 梁和不同破坏情况的描述有些被动的钢筋混凝土梁在三点弯曲试验和后来的动态分析中破坏和负载。这根6米长的由C40/50混凝土制成的梁受拉区和受压区均匀分布了6根16mm直径的钢筋。每次加载后，在一个自由装置都进行动态测试，通过一个在第一固有频率范围内的正弦扫频，近似把他们悬挂在软弹簧上让它们一致。在这个配置中最大允许荷载约22kn，当55kn时钢筋开始屈服，图3显示了梁的第一模态，即弯曲和扭转模式。下面的分析着重于第一模式，根据破坏程度不同频率在1122hz之间，作为模式的最大变化（见图5）。2.2 实测传递函数在下文中，频率影响函数和正弦函数扫频不同振幅在510n之间显示。梁中对应的最大应力振幅在0.12Mpa之间变化，信号用2000hz进行抽样（几分钟），然后进行后续处理。它们被分为不同的80%时间间隔的每个T=12.5s长度，就是傅里叶变换曲线。傅里叶转换和平均，最后确定频率范围是0.8hz。以下重要结论可从图4得到：（1）B1（更高模式不显示）取决于激发力振幅。在无损状态，#0依赖范围已经是3.2%，振幅在5100n（相当于最大0.12Mpa的力振幅），这是一个非线性效应，可以解释为不恒定刚度或混凝土的杨氏模量和固有微裂纹，被称为“振幅依赖范围”作为破坏指标，振幅依赖范围的变化包括了3.210.3%，最后的8.6%也很明显。（2） 阻尼取决于激发力振幅，破坏情况似乎也会相应严重（3） 当不同的破坏情况#0和#6比较时，固有频率明显减少了15%（精确值取决于激发力振幅）。2.3 线性破坏指标因此这两个线性参数（固有频率和阻尼）可以使用并进一步分析可作为破坏指标。图5表明被动钢筋混凝土在持续过程中很快出现裂缝（图1）。因此降低了刚度和固有频率（见式（1）。这是一个持续过程，我们必须记得，最大允许负荷载介于#4和#5之间，#6时开始屈服。因此，固有频率减少的几个百分点介于#4（允许）和#5或#6（超过允许限制的破坏）是这个破坏指标的可操作范围。图6显示了阻尼的增加和每个破坏情况，然而最后，再次出现了轻微的降低。应该指出的是，挡结构挂在软弹簧上时，模态阻尼的变化很小（约0.1%）。正弦激发扫频也保持在恒定振幅，即理想试验条件，在实践中很少发生。因此这种指标很弱而且不单调，它必须考虑到#4被允许的情况和#5超载的情况。2.4 非线性破坏指标下一个提出的指标，振幅依赖范围已经显示第一固有频率（见图4），分析见图7.尤其是第一个模式到#4时增加很多，可以观察到之后又降低了。这个指标很敏感但是增长不单调，如果不知道增加的过程可能导致误断。这一趋势是由裂缝引起的，并且和图6阻尼的变化一致。随着破坏发生，裂缝的数量和长度也随之增加，当裂缝敞开时非线性和最大阻尼都超负荷了，在这种情况下小覆盖震荡中它们不再关闭。然而，图4和图7显示，混凝土的进一步开裂诱发了不恒定的刚度和阻尼现象造成的非线性。因此可以得出，为把固有频率作为破坏指标，它们必须在明确条件下测量，否则变化会太大。此外，结构中更高谐波的出现可以用非线性解释，与裂缝闭合（向上移）相比，裂缝开裂时（向下）梁的刚度降低，这就是正弦信号变形的原因，相当于在频率范围高次谐波的发生。总谐波畸变（THD）被定义为谐波振幅数量的比例组合成基本频率，它有利于量化这种影响。在这里近似地比例C2超过C1，定义第二非线性指标： （2）THD可以容易地从破裂条件区分出非破裂（#1和#2），从#3到#6没有明确的排名情况，符合前面图6图7的观察，最大的THD要达到#4情况下（见图9）。这种非线性效应的可视化也可以通过一个特殊的传递函数，一个纯粹的正弦激发在严格意义上是永远不可能由于激发器结构的反馈的原因，即当结构和正弦变形有反应时，输入的力信号还包括高次谐波。THD有反馈作用，因为它不再可能确定哪些高次谐波的数量是由激发器产生的和哪些结构产生裂缝。激发起变得独立，定义第三个非线性指标器。 （3） （4）TF和普通的频率影响函数唯一区别是激发的范围，由图10可得。至于,考虑到（这里是21hz）和自动激发（这里 ）。在特征频率周围只有一个小的频率。然而，从（）范围的也自动激发（更低程度见图10（a）由于一个完美的激发器和结构的反馈，有必要通过将输出谱除以输入谱来消除不必要的激发。如果没有在大概（42hz）先前在（2）处定义的THD附近激发，可以在输出信号充分评估第一谐波的影响。图10中的输出表明，当结构在21hz振动时，出现的第一谐波（42hz）是由非线性或者混凝土中的裂缝产生的，即结构本身。不幸的是，如前所示，图10显示，在42hz时不完美的激发器生成一个小的输入，输入/输出目的是揭示，在传递函数TF产生第一谐波的多少是结构本身产生的并且并没有被不完美的激发器影响。至于TF，最大激发频率。为了不被傅里叶变换删除，输入中产生的激发频率的扫描第一谐波产生了小的输出光谱，基本激发的振幅高于第一谐波（图10（a）激发的兴奋的振幅相对不兴奋范围的可能因素是高于。图10（a）的输入信号的水平虚线标记了有足够刺激是一个任意选择的限制，即一个限制定义噪音，下面没有对它的评价。因此，在这个例子中，40hz或45hz的数据没有显示合理的结果。根据（4）图10（d）中虚线部分和1745hz之间完整的频率来确定频率影响函数（FRF）是兴奋的。TF和FRF的频率范围和充分刺激都相同，即在噪声范围之外。FRF和TF的不同是FRF在大概42hz可见。在图10（d）和11中计算出并且显示为实线，推出特殊的传递函数。损坏的梁在高一倍频率时变得清晰可见，即固有频率的第一个高次谐波处，这个伪共振也可作为破坏指标。分析图11，明显的裂缝的增加产生了越来越高的谐波，结果，传递函数的伪共振增加，这可以作为额外的破坏指标，当#4，#5和#6情况进行比较时，差别并不明显，这也符合前面的结论，伪共振的峰值还在增长，但是宽度降低了。2.5 预应力的影响液压千斤顶张拉中央钢筋产生的压应力，在下面没有被破坏的梁。现在，任何混凝土的小裂缝在压缩下关闭以致刚度增加，可在图1看到。作为经验法则，在这种情况下，每Mpa相当于增加1%，梁的完整量是预应力，参照图5.必须指出的是，减小的频率可用于破坏测试只有几个百分点（在极端情况下只从#4-仍然允许荷载到#5-重载）。考虑到桥梁或壳结构，破坏引起结构中一部分体积的预应力损失，这种预应力损失促进动态检查。2.6 破坏定位原则上动态破坏定位是可行的，因为模态描述（固有频率，固有形态包括集中矩阵缩放和阻尼值）相当于三个矩阵【M】,D和【K】的物理描述，即整套的模态参数是一个等价的物理描述【2.7】。破坏主要影响刚度分布。在较小程度上，也有阻尼特性。因此，实验或者模态参数和物理描述 可以改变，但如何想想如何消除测量噪声，固有频率和模态阻尼我们讨论过了，是标量参数，因此，破坏指标是基于模式形状的变化。图13显示，不同模式情况下模式形状的测量的比较。差别很小，尽管在实验室条件下模式形态进行了高精度测量，然而，所有模式主要被中间影响，我们可以得出结论，破坏主要在图2中三点弯曲设置中的梁。破坏定位的一个明显的可视性变化，柔度矩阵【F】可被使用，它是刚度矩阵【1.9】的逆矩阵。然而这是一个不同的主题，我们将在一个单独文件里进行处理。3. 预应力板单元的实验 两个工业产生的混凝土板元素在下面进行测试，图15中，板边缘被两个外部支撑支持，这两个内在的一个只用于安全原因，在板上显示出一个几公分的自由裂缝。我们在混凝土板中间钻的洞，直到快接触到钢筋但是不破坏钢筋的时候。下一个步骤是在八个情况下进行削减，钢筋痛过火焰喷射器刀穿过这些孔直到板破碎。这样做是为了模拟内部破坏或者分别破坏筋腱。质量荷载在从0到4钢筋重量在不同步骤中每个约850kg，见图15.表1总结了不同的破坏情况和荷载步骤分析。在图14中我们对钢绞线进行了编号。符号意味着荷载的转移，即重量从4到2最后从2到0.图16显示了板中间的静态挠度作为破坏情况和混凝土开裂的函数。从#6情况起（钢筋减少63%），在更高荷载情况下静态挠度明显上升，对破坏和裂缝都一样。在动态测试中，板在40N的力下被扫频的正弦力激发，在板中间0.3Mpa的共振下产生最大应力振幅，图17中，实验表明第一固有频率增加。符号意味着荷载的转移，即重量从4到2最后从2到0.图16和图17进行比较，很明显发现在无裂缝情况（#1到#4）时无论是在偏转时或是固有频率降低时破坏都能被检测。尽管钢筋已经减少了42%（表1，#4），这只导致了混凝土中预应力的减少，在#5情况裂缝迅速扩大，这种影响是动态和静态的检测综合引起的。可见裂缝的迅速扩大（从#5到#7）在图1中显示是预应力混凝土特有的。因此，任何刚度降低的确定影响是裂缝产生，它们在预应力混凝土后期出现。接下来，我们对其他以前定义的破坏指标做了描述和分析。由于这个原因，板用锤子施加刺激，在第二个测试中第一种模式是用一个40N的正弦扫频进行谐波激发，导致0.3Mpa产生最大力振幅。图18显示在所有情况下各种模式在不同荷载下的破坏。而图19和图20突出了正弦激发力振幅和不同固有频率的非线性影响。在图21中前面根据式（2）不同的力振幅定义了总谐波失真，不幸的是，开裂板和没有开裂板的明显区分不可能像#6和#5的那样的错误顺序。用6到12hz的正弦扫频激发和40N的力振幅和两个质量荷载用一个特征函数，在图22中表示为实线，FRF显示为虚线。静挠度（图16），固有频率（图17）和阻尼（图18）以及振幅依赖范围（图20）有很大增长。从那一刻开始开裂，所以这些都可以作为破坏指标，然而在那一刻没过多久钢筋的50%就局部毁灭和崩溃了（84%的钢筋折断）THD的变化和传递函数法在破坏情况下不单调，但是未来的改进会让高次谐波的不同参数的影响变得清楚，这毫无疑问是不同的也是新兴的。3. 结论混凝土结构的动态测试很快并且容易运用。因此，这里分析了作为替代和补充的破坏静态测试。然而，我们发现这些测试的解释有点难于计算多少。第一部分钢筋混凝土梁和预应力板在实验室条件下进