基于相對(duì)位移法的空心板梁橋鉸縫狀態(tài)識(shí)別

基于相對(duì)位移法的空心板梁橋鉸縫狀態(tài)識(shí)別

0鉸縫破損檢測(cè)方法本城市檢測(cè)中心為由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、截面高、可預(yù)制、施工方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已在中國(guó)的道路和市政橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。裝配式空心板梁橋中,各板梁之間通過(guò)鉸縫連接。如果鉸縫受損甚至橫向不能傳力,則會(huì)破壞結(jié)構(gòu)整體受力的格局,形成單板受力。因此,鉸縫的完好對(duì)于保證這類橋梁的結(jié)構(gòu)安全具有重要的作用。在裝配式空心板梁橋的病害中,鉸縫破損是最常見(jiàn)也是對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響最大的病害類型,橋梁發(fā)生破壞前總是鉸縫先發(fā)生破壞。傳統(tǒng)的鉸縫檢查以目測(cè)為主,主要檢查鉸縫的開裂和滲水情況。由于有橋面鋪裝的遮蓋,鉸縫的開裂不易直接被觀察到,至于開裂的程度則更加難以評(píng)估。因此,目前一般的做法是碰到鉸縫處橋面鋪裝縱向開裂或板梁橋鉸縫處滲水,則認(rèn)為鉸縫破壞,而鉸縫破損即鑿開重做,造成橋梁加固費(fèi)用增大。實(shí)際上,由各板相互鉸接共同作用發(fā)展到各板單獨(dú)工作是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程,即鉸縫的破損是逐步發(fā)生的,在不同的階段,破損程度也是不同的。對(duì)于破損程度較輕的尚未完全失去傳力能力的鉸縫,可采取修補(bǔ)的辦法,以較小的代價(jià),防止鉸縫病害的進(jìn)一步發(fā)展。目前,鑒定鉸縫破損程度的方法一般為荷載試驗(yàn)法,通過(guò)荷載試驗(yàn)所確定的橫向分布分析鉸縫是否仍能正常傳遞剪力。然而,荷載試驗(yàn)代價(jià)較大,并且需要封閉交通,對(duì)于很多路段并不適合。因此,如何能夠避免交通中斷,用相對(duì)簡(jiǎn)便的方法檢測(cè)出鉸縫破損的程度,是橋梁檢測(cè)領(lǐng)域中亟待解決的一個(gè)難題。目前,關(guān)于鉸縫破損程度檢測(cè)技術(shù)方面的研究較少。鄒毅松等提出利用多次沖擊試驗(yàn)下各板加速度幅值比之差作為鉸縫損傷的評(píng)定依據(jù)的識(shí)別方法,采用動(dòng)載試驗(yàn)獲取各板梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng),可以定性地評(píng)判鉸縫破損的程度;竇勇芝等采用信賴域算法對(duì)空間板橋的鉸縫橫向連接剛度進(jìn)行識(shí)別,可了解各鉸縫橫向連接剛度的變化情況,從而為定量評(píng)估各板梁實(shí)際工作狀況提供理論依據(jù),各測(cè)點(diǎn)位移的觀測(cè)數(shù)據(jù)以載重汽車在橋面上來(lái)回行駛的方式獲取。上述兩種方法均通過(guò)直接獲取板梁自身的位移或加速度響應(yīng),并通過(guò)構(gòu)造一種算法推算鉸縫的連接剛度間接判斷鉸縫的破損程度,為獲取數(shù)據(jù)均需臨時(shí)封閉交通。本研究提出一種通過(guò)測(cè)量板梁間相對(duì)位移直接確定鉸縫破損程度的方法,該方法無(wú)需封閉交通,可以較小的代價(jià)判定出鉸縫當(dāng)前是處于完好、損壞還是破壞的狀態(tài),為后期采取不同的維修加固方案提供依據(jù)。本研究將給出該方法的實(shí)現(xiàn)方式和判定準(zhǔn)則,并通過(guò)實(shí)橋試驗(yàn)檢驗(yàn)其實(shí)施效果。1相對(duì)位移法1.1鉸縫破損的表現(xiàn)簡(jiǎn)支梁橋的特點(diǎn)是跨中彎矩最大,因此,鉸縫的破損,一般從跨中開始發(fā)生。由于裂縫較小,在初期并不能完全反射到橋面上,并且由于環(huán)境條件的限制,也并不一定能直接觀察到裂縫。如果有雨水,則可能觀察到梁底跨中鉸縫周圍有滲水痕跡,有滲水說(shuō)明存在裂縫,同時(shí)伴隨該處橋面鋪裝防水層功能喪失。此時(shí),由于損傷較小,混凝土之間的咬合作用依然存在。本研究將這種破損輕微,鉸縫依然具有橫向傳遞剪力能力的情況,稱為鉸縫損壞。隨著破損程度的發(fā)展,裂縫開展區(qū)域有所拓展,由裂縫不可見(jiàn)拓展為橋面上可見(jiàn),由跨中局部開裂和滲水拓展為沿鉸縫縱向通長(zhǎng)的開裂和滲水,跨中部位的裂縫也變寬、加大直至失去橫向傳遞剪力的能力。相應(yīng)地,這種破損嚴(yán)重,鉸縫橫向傳遞剪力能力大為削弱的情況,稱為鉸縫破壞。鉸縫的狀態(tài)依據(jù)其損壞的情況劃分為鉸縫完好、鉸縫損壞與鉸縫破壞3種情況。其中,鉸縫損壞與鉸縫破壞的區(qū)別在于鉸縫是否仍具有足夠的傳遞剪力的能力。無(wú)論鉸縫損壞還是鉸縫破壞,都會(huì)伴隨著鉸縫兩側(cè)板梁間相對(duì)位移的發(fā)生,不同之處在于其發(fā)生的程度不同,鉸縫損壞時(shí)相對(duì)位移較小,鉸縫破壞時(shí)相對(duì)位移較大。根據(jù)這一規(guī)律,本研究提出通過(guò)測(cè)量鉸縫兩側(cè)板梁間的相對(duì)位移來(lái)評(píng)估鉸縫的破損程度,稱為相對(duì)位移法。這種相對(duì)位移只有在橋面有荷載,承載的板梁需要通過(guò)鉸縫將荷載傳遞到相鄰板梁時(shí)才可能發(fā)生。為避免封閉交通帶來(lái)的不利影響,相對(duì)位移法中利用現(xiàn)有的交通流量,通過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量,找出其中最大的相對(duì)位移,作為鉸縫的相對(duì)位移值。只要測(cè)量時(shí)間足夠長(zhǎng),即使在正常的通行荷載下,也能遇到至少一次較大的荷載,從而得到鉸縫所能發(fā)生的最大相對(duì)位移值。因此,使用相對(duì)位移法,即使不封閉交通也能得到合理的相對(duì)位移值,并用來(lái)評(píng)價(jià)鉸縫的破損程度,評(píng)價(jià)的方法詳見(jiàn)第2節(jié)。1.2板梁整體位移測(cè)量為實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移法,設(shè)計(jì)了一套測(cè)量相對(duì)位移的裝置。如圖1所示,鉸縫位于板梁1和板梁2之間。采用電阻式位移計(jì)測(cè)量其在橋面荷載作用下發(fā)生的相對(duì)位移,以方便連續(xù)采樣。為測(cè)量相對(duì)位移,需將位移計(jì)的一端固定在板梁1上,另一端隨板梁2一同發(fā)生位移。在板梁1上預(yù)先使用膨脹螺栓錨固一塊鋼墊板,以提供一個(gè)支撐平面,位移計(jì)則通過(guò)U形支架和磁性表座固定在這塊鋼墊板上。在位移計(jì)的觸桿與板梁2之間墊一塊玻璃片,以消除板底摩擦帶來(lái)的影響,保證所測(cè)量的值能夠反映2塊板梁間的豎向相對(duì)位移。利用該裝置測(cè)量相對(duì)位移,不僅可以直接測(cè)量板梁間的相對(duì)位移,避免了其他方法中假設(shè)帶來(lái)的不確定性,而且不需要搭設(shè)支架。因此,本裝置可以適用于高墩或深水等各種復(fù)雜、不適宜搭設(shè)支架的環(huán)境。1.3動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀測(cè)試相對(duì)位移的電阻式位移計(jì)要求其分辨率需達(dá)到0.02mm,除位移計(jì)以外,所需要的設(shè)備還包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器和便攜式電腦,本文采用的是東方所生產(chǎn)的INV3060A動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器與電阻式位移計(jì)連接采集數(shù)據(jù),采樣時(shí)不封閉交通,采樣的頻率控制在20~30Hz左右,采集時(shí)間一般控制在8~9h,覆蓋白天交通高峰時(shí)段;同時(shí),動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器與電腦連接,將采集后的數(shù)據(jù)輸送至電腦存儲(chǔ)。采集的數(shù)據(jù)采用DASPV10動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行分析,找出相對(duì)位移絕對(duì)值最大的一個(gè),用來(lái)評(píng)價(jià)該鉸縫的破損程度。23狀態(tài)分類2.1鉸縫的3種狀態(tài)的邊界值測(cè)量了板梁間的相對(duì)位移值后,如何評(píng)價(jià)鉸縫狀態(tài),即所測(cè)得的相對(duì)位移值分別落在什么區(qū)間可以認(rèn)為鉸縫的狀態(tài)是完好、損壞還是破壞,需要給出相對(duì)位移在3種狀態(tài)之間的界限值。為區(qū)分鉸縫的3種狀態(tài),需要了解鉸縫在3種狀態(tài)下相對(duì)位移的特征。為此,對(duì)上海地區(qū)有代表性的9座橋梁(詳見(jiàn)表1)的259條鉸縫進(jìn)行了相對(duì)位移的測(cè)試,測(cè)試過(guò)程中同時(shí)記錄鉸縫的外觀及工作狀態(tài)。2.2代表連接狀態(tài)的指標(biāo)2.2.1頻度比較分析根據(jù)調(diào)查得到的外觀狀態(tài)初步將鉸縫劃分為無(wú)裂縫無(wú)滲水,有局部裂縫或滲水,有通長(zhǎng)裂縫或滲水共3大類,分別對(duì)3大類鉸縫按相對(duì)位移值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2顯示,3大類鉸縫的相對(duì)位移分布規(guī)律是相同的:(1)各有一個(gè)頻度最大值;(2)頻度最大值之下的值都非常少,均只有1個(gè),說(shuō)明極少存在病害嚴(yán)重但相對(duì)位移很小的情況;(3)頻度最大值之上的值分布在較大的范圍內(nèi),說(shuō)明存在外觀病害并不嚴(yán)重、但相對(duì)位移較大的情況,因此,只通過(guò)外觀檢查并不可靠。頻度最大值所對(duì)應(yīng)的相對(duì)位移值有較大不同,表明不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的相對(duì)位移代表值,相對(duì)位移與鉸縫的損傷程度有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,通過(guò)相對(duì)位移來(lái)區(qū)分鉸縫不同的狀態(tài)是合理的。表2列出了相對(duì)位移的統(tǒng)計(jì)特征值,其中,假設(shè)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,對(duì)于實(shí)測(cè)值與均值之差超出3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)認(rèn)為已不符合該類數(shù)據(jù)的特征,予以剔除,剔除的數(shù)據(jù)參與病害更嚴(yán)重的一組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。這里,數(shù)據(jù)不再根據(jù)外觀病害分類而是依據(jù)相對(duì)位移值對(duì)鉸縫進(jìn)行分類,統(tǒng)計(jì)結(jié)果將作為劃分鉸縫狀態(tài)的依據(jù)。2.2.2最大相對(duì)位移和最大位移眾所周知,橋梁的變形與跨徑有很大的關(guān)系,所以,相對(duì)位移值除與鉸縫病害程度相關(guān)外,還與跨徑相關(guān)?？鐝皆酱?同等病害條件下所測(cè)得的相對(duì)位移也將越大,因此,將所測(cè)得的相對(duì)位移值除以跨徑后所得到的結(jié)果更具可比性。定義無(wú)量綱參數(shù):式中,Δ為實(shí)測(cè)相對(duì)位移;L為跨徑;10000為系數(shù)。采用與2.2.1節(jié)相同的方法對(duì)無(wú)量綱參數(shù)a進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到的結(jié)果如表3所示。比較表2和表3可以發(fā)現(xiàn),無(wú)量綱參數(shù)a的數(shù)據(jù)集中度更高一些,說(shuō)明無(wú)量綱參數(shù)a相比相對(duì)位移值Δ來(lái)說(shuō),是一個(gè)更有效的表征鉸縫狀態(tài)的指標(biāo)。以下采用無(wú)量綱參數(shù)a作為鉸縫狀態(tài)的評(píng)判指標(biāo)。2.3鉸縫期的相對(duì)位移測(cè)定有了鉸縫的3種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的相對(duì)位移統(tǒng)計(jì)特征值后,可用等概率原則確定3種狀態(tài)之間的2個(gè)界限值。如圖3所示,自左向右分別為鉸縫完好、鉸縫損壞和鉸縫破壞所對(duì)應(yīng)的概率密度分布曲線。以界限值b</SPAN>表示鉸縫完好和鉸縫損壞之間的界限。根據(jù)等概率原則,鉸縫完好時(shí)無(wú)量綱參數(shù)a大于b1的概率與鉸縫損壞時(shí)無(wú)量綱參數(shù)a小于b1的概率,二者是一樣的。因此,有以下等式存在:式中,μa和σa分別為鉸縫完好時(shí)相對(duì)位移的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,μb和σb分別為鉸縫損壞時(shí)相對(duì)位移的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,均見(jiàn)表3。從式(2)和式(3)可以求得鉸縫完好和鉸縫損壞之間無(wú)量綱參數(shù)a的界限值b1,同理可以求得鉸縫損壞和鉸縫破壞之間的界限值b2,修約到0.01后的結(jié)果見(jiàn)表4。這樣,使用相對(duì)位移法檢測(cè)鉸縫時(shí),可依據(jù)實(shí)測(cè)的相對(duì)位移值給出鉸縫當(dāng)前所處的狀態(tài)。當(dāng)鉸縫的無(wú)量綱參數(shù)a<0.14時(shí),可認(rèn)為鉸縫完好;當(dāng)鉸縫的無(wú)量綱參數(shù)a在0.14~0.57之間時(shí),可認(rèn)為鉸縫損壞;當(dāng)鉸縫的無(wú)量綱參數(shù)a>0.57時(shí),則認(rèn)為鉸縫已破壞。工程中,可依據(jù)鉸縫的不同狀態(tài)采取不同的維修或加固措施。3橋梁試驗(yàn)3.1靜載試驗(yàn)研究實(shí)橋試驗(yàn)在浦東新區(qū)滬南公路陶家橋上進(jìn)行。該橋?yàn)閱慰绾?jiǎn)支鉸接板梁結(jié)構(gòu),跨徑11.4m。為減小周圍交通對(duì)試驗(yàn)的影響,將3#板與4#板之間的鉸縫以及12#板與13#板之間的鉸縫鑿除,形成由4#~12#板組成的獨(dú)立簡(jiǎn)支鉸接板梁結(jié)構(gòu)。靜載試驗(yàn)共進(jìn)行了2次,第1次在鉸縫修復(fù)前,第2次在鉸縫修復(fù)后。試驗(yàn)主要針對(duì)外觀存在病害的6#-7#、8#-9#、9#-10#和11#-12#鉸縫,各鉸縫病害及相對(duì)位移見(jiàn)表5。根據(jù)表4確定的界限值,對(duì)于本文的11.4m跨徑來(lái)說(shuō),鉸縫完好與鉸縫損壞之間的相對(duì)位移界限值為0.16mm;鉸縫損壞與鉸縫破壞之間的相對(duì)位移界限值為0.65mm。因此,可初步判斷鉸縫修復(fù)前6#-7#鉸縫為破壞,8#-9#、9#-10#和11#-12#鉸縫為損壞。鉸縫修復(fù)后,這4條鉸縫已處于完好狀態(tài)。文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明,只有在受損鉸縫旁邊加載,損傷的結(jié)果才表現(xiàn)得較為明顯。因此,本文加載方式為在目標(biāo)鉸縫的一側(cè)加載,測(cè)試各板梁的位移并與理論位移曲線相比較。3.2構(gòu)造材料的突變鉸縫修復(fù)前的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖中同時(shí)列出了理論計(jì)算值,以方便比較。圖4(a)說(shuō)明,在6#-7#鉸縫旁加載時(shí),只有6#-7#板間位移有較大突變;圖4(b)說(shuō)明,在8#-9#鉸縫旁加載時(shí),8#-9#板間位移有較大突變,同時(shí),由于9#-10#鉸縫距離其較近,9#-10#板間位移也有較大突變;圖4(c)說(shuō)明,在9#-10#鉸縫旁加載時(shí),不僅9#-10#板間位移有較大突變,同時(shí),6#-7#板間位移有較大突變;圖4(d)說(shuō)明,在11#-12#鉸縫旁加載時(shí),11#-12#板間位移有較大突變。鉸縫修復(fù)后,實(shí)測(cè)位移曲線與理論位移曲線變化規(guī)律相同,未出現(xiàn)板間位移突變的情況。從以上結(jié)果可以推斷,鉸縫修復(fù)前,6#~7#鉸縫橫向傳力能力已大為削弱,可認(rèn)為已破壞;其他3條鉸縫的傳力能力也已受到不同程度的降低,可以認(rèn)為已損壞。鉸縫修復(fù)后,這4條鉸縫都處于完好狀態(tài)。這個(gè)結(jié)論與前面通過(guò)相對(duì)位移判斷所得結(jié)論一致,表明采用相對(duì)位移法判斷鉸縫的破損程度不僅方便,而且可靠。4鉸縫的相對(duì)位移法及其測(cè)試方法鉸縫的破損是裝配式空心板梁橋最常見(jiàn)的也是對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響最大的病害。在此之前,對(duì)于鉸縫破損程度的檢查,缺少行之有效的方法。本文提出了相對(duì)位移法,設(shè)計(jì)了測(cè)試相對(duì)位移的裝置,并