1、綜述梁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀3張耀庭蔡利建張長(zhǎng)跑李瑞鴿(華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院武漢430074摘要:從當(dāng)前土木工程中梁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀出發(fā),全面地介紹了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工程中針對(duì)混凝土和預(yù)應(yīng)力筋受力狀況進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估的各種技術(shù)、方法及存在的問題;對(duì)預(yù)應(yīng)力筋受力狀況的檢測(cè),提出應(yīng)采用多種檢測(cè)技術(shù)結(jié)合,大力發(fā)展動(dòng)力無損檢測(cè)新技術(shù)。關(guān)鍵詞:梁式預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力筋受力狀況動(dòng)力檢測(cè)A SU MMAR Y OF RESEARCH STATUS ON THE DETECTIONMOTH ODS OF PRESTRESSE D CONCRETE BEAMSZhang Y a

2、oting Cai Lijian Zhang Changpao Li Ruige(School of Civil Engineering and Mechanics ,Huazhong University of Science and T echnology Wuhan 430074Abstract :S tarting from the current application and research status of prestressed concrete beams ,it was introduced that the techniques ,methods and proble

3、ms of detecting and evaluating the stress of concrete and prestressing tendons of prestressed structure com pletely ,then it was als o presented the reas ons for adopting multiple detecting technologies and developing new dynamic nondestructive detection technologies rapidly to detect the stress of

4、prestressing tendons.K eyw ords :prestressed concrete beams prestressing tendons stress state dynamic detection3本項(xiàng)目為華中科技大學(xué)博士后基金資助項(xiàng)目。第一作者:張耀庭男1965年3月出生工學(xué)博士副教授國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師收稿日期:2005-04-260引言自19世紀(jì)末預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)誕生以來,從20世紀(jì)30年代開始,預(yù)應(yīng)力混凝土已廣泛地應(yīng)用于橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、海洋平臺(tái)、水工結(jié)構(gòu)等土木工程之中,它們?cè)谏鐣?huì)經(jīng)濟(jì)生活和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用1,2。工程中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的形式很

5、多,其中,梁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是橋梁、建筑等基本建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式之一,從不同的角度,可將其分為:體內(nèi)預(yù)應(yīng)力梁和體外預(yù)應(yīng)力梁;有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁;全預(yù)應(yīng)力梁、有限預(yù)應(yīng)力梁和部分預(yù)應(yīng)力梁;先張法梁和后張法梁等。統(tǒng)計(jì)資料表明3:近20年來,我國(guó)所建混凝土橋梁中,75%以上采用的是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),歐美國(guó)家近70年來所建混凝土橋梁中,70%以上采用的是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),按照一般建筑物設(shè)計(jì)使用年限50年或者100年計(jì)算,大量的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁正在逐漸步入“中年”或者“老年”,在其長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年的服役期內(nèi),由于荷載、疲勞、腐蝕、老化及環(huán)境因素等不利條件和因素的影響

6、,預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減,甚至導(dǎo)致突發(fā)性事故。1982年我國(guó)交通部門對(duì)全國(guó)公路的普查資料表明,當(dāng)時(shí)我國(guó)公路橋梁中危橋約占3154%,其中,國(guó)道干線上的危橋約占214%;2000年廣東省交通廳的資料顯示,廣東全省1187萬余座橋梁中,屬于三、四類不良狀況或承載力不足的橋梁有4244座,占總橋數(shù)的2217%;這種狀況在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)也相當(dāng)嚴(yán)重,如美國(guó),19781981年中對(duì)其全國(guó)公路橋梁進(jìn)行了調(diào)查,當(dāng)時(shí)全美5616萬座公路橋梁中,約占40%以上的橋梁有不同程度的損壞;據(jù)前聯(lián)邦德國(guó)1978年的調(diào)查資料,橋齡在5060年的橋梁中,77%的有中等損傷;橋齡在3050年的橋中,5

7、3%的有中等損傷。普查結(jié)果還表明,預(yù)應(yīng)力混凝土橋比鋼筋混凝土橋的損傷情況更為嚴(yán)重,橋齡在2030年的預(yù)應(yīng)力混凝土橋中,有近50%的橋梁上至少有一處重要損傷。近年來大量的文獻(xiàn)資料顯示,用于其他工程中的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也存在著與橋梁工程類似的結(jié)構(gòu)隱患。因此,對(duì)包括預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在內(nèi)的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)和健康狀況評(píng)估顯得非常迫切,己成為當(dāng)前國(guó)際社會(huì)土木工程界重點(diǎn)研究的課題,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值38。預(yù)應(yīng)力混凝土與普通鋼筋混凝土相比,具有其特殊性,它是依靠張拉力筋建立具有內(nèi)應(yīng)力的混凝土結(jié)構(gòu),預(yù)應(yīng)力筋成為結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力部件,它的有效或失效直接關(guān)系到預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全、適用與耐久,工程實(shí)踐表明

8、,由于預(yù)應(yīng)力筋的嚴(yán)重?fù)p壞而引起的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是不可挽救的。眾所周知,實(shí)際工程中引起預(yù)應(yīng)力損失的因素很多,精確地確定預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力損失是一個(gè)復(fù)雜48Industrial C onstruction V ol 135,N o 111,2005工業(yè)建筑2005年第35卷第11期的問題,由于某一個(gè)因素,例如力筋松弛所引起的損失率是在不停地被其他因素(如混凝土的徐變所引起的應(yīng)力變化改變著,而徐變率本身又被力筋內(nèi)應(yīng)力的變化所改變,很難劃分在不同的應(yīng)力、環(huán)境、加載及其他不定因素等條件下每個(gè)因素所引起的凈損失量;另外,物理?xiàng)l件,如按照同一規(guī)定強(qiáng)度制成的混凝土在實(shí)際性能上的變異性,也能改變預(yù)

9、應(yīng)力總損失,加上施工條件、結(jié)構(gòu)的具體使用條件和環(huán)境的影響,使得實(shí)際構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失值的確定成為一個(gè)十分復(fù)雜的技術(shù)難題。1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的失效,從其受力機(jī)理上看,組成構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土二者之一或兩者共同失效均會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)在土木工程中的廣泛應(yīng)用,結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)和診斷技術(shù)已發(fā)展成為一門適應(yīng)工程需要而形成的多學(xué)科交叉、融合的綜合學(xué)科3,4。當(dāng)前,有關(guān)在役結(jié)構(gòu)混凝土的檢測(cè)技術(shù)與評(píng)定方法發(fā)展迅速,已由常規(guī)的通過局部損傷信息評(píng)定結(jié)構(gòu)整體工作性能的靜載及動(dòng)載試驗(yàn)階段,發(fā)展到局部信息與整體信息結(jié)合的新階段。概括起來大致可分為以下四個(gè)方面4,9

10、:第一,對(duì)在役結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度的檢測(cè),這方面新工藝、新技術(shù)層出不窮。第二,缺陷檢測(cè),即:對(duì)在役混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷(如裂縫、空洞、蜂窩等的檢測(cè)。第三,對(duì)在役混凝土結(jié)構(gòu)其他物理力學(xué)性能上的檢測(cè),如:檢測(cè)混凝土的彈性模量、粘塑性指標(biāo)、脆性指標(biāo)、密實(shí)度、抗凍性、混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的位置和銹蝕狀況的測(cè)定等。第四,對(duì)在役結(jié)構(gòu)的受力歷史、損傷位置、損傷程度的檢測(cè),這是結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)與評(píng)定的基礎(chǔ),是進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)的新領(lǐng)域,尚在進(jìn)一步的研究和完善中。在這個(gè)方面,發(fā)展較快的是動(dòng)力檢測(cè)與評(píng)定方法,因?yàn)閷?duì)于一般的工程結(jié)構(gòu),容易實(shí)施和量測(cè)的是結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)或物理參數(shù),并進(jìn)而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)、判別

11、結(jié)構(gòu)損傷。動(dòng)力檢測(cè)方法的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)已成為土木工程界的重要研究課題,在動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別的理論方面,國(guó)內(nèi)外科技工作者開展了卓有成效的研究工作1013。文獻(xiàn)14,15指出:當(dāng)前尚沒有一種方法能夠較準(zhǔn)確地檢測(cè)出既有預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失。究其原因,除開發(fā)這一新的檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)有條件下的難度大、需要解決的理論和技術(shù)問題多之外,對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)上的偏差與不足,在客觀上直接導(dǎo)致了研究上投入不夠,是引起這種狀況的主要原因。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在其生命周期中包括施工和使用兩個(gè)重要階段,在施工階段從張拉設(shè)備、預(yù)應(yīng)力筋的質(zhì)量、張拉工藝、錨具、夾具、連接設(shè)備到構(gòu)件的安裝、定位,各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有相應(yīng)的施工規(guī)范和檢測(cè)

12、要求,在嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范施工的前提下,一般都能建造滿足設(shè)計(jì)要求的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,即認(rèn)為構(gòu)件上建立了穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力,這一觀點(diǎn)已成為工程界的共識(shí)。因而對(duì)在役預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(如橋梁的檢測(cè)與評(píng)定分析中,普遍的作法是將預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力視為定值,比如當(dāng)前在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的動(dòng)力分析時(shí),僅考慮預(yù)應(yīng)力引起的軸力項(xiàng),并與質(zhì)量項(xiàng)一起視為常量,以此推斷結(jié)構(gòu)的損傷位置、損傷程度。眾所周知,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于時(shí)間效應(yīng)、外荷載及環(huán)境因素的影響會(huì)不斷地引起力筋的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生損失,力筋的有效預(yù)應(yīng)力也因此而逐漸減小,因而對(duì)在役預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的損傷定位不可避免地會(huì)引起誤差,盡管引起誤差的原因有很多,但將力筋的有效預(yù)應(yīng)力視為定值

13、的做法應(yīng)是其中的主要影響因素之一。許多學(xué)者針對(duì)當(dāng)前工程上預(yù)應(yīng)力損失的近似計(jì)算方法,即:將預(yù)應(yīng)力損失的主要影響因素分項(xiàng)計(jì)算、疊加然后與預(yù)應(yīng)力損失的總估值相比較來確定預(yù)應(yīng)力損失的做法,提出了不同的看法和修改建議,在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)力筋預(yù)應(yīng)力損失的問題上,開展了一些富有成效的研究工作。Vimalanandam.V16等人,利用稱作SSRHT(steel stress relief hole technique法的局部破損技術(shù)進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力混凝土梁中力筋的剩余應(yīng)力的估算,通過與實(shí)測(cè)值對(duì)比,該方法具有較高的精度,據(jù)報(bào)道,還有與上述方法類似的預(yù)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù),如:截面法測(cè)試鋼筋的預(yù)應(yīng)力17、打孔法18測(cè)試構(gòu)件的殘余應(yīng)

14、力,應(yīng)力釋放法測(cè)試預(yù)應(yīng)力損失等,這些方法的思路均是采用將局部破損技術(shù)與理論分析計(jì)算相結(jié)合,從而確定預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失或殘余的預(yù)應(yīng)力,在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的條件下,配合理論計(jì)算,都取得了比較理想的測(cè)試結(jié)果。然而,如將這些方法應(yīng)用于實(shí)際工程尤其是大型的預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),不僅工作量大、投資費(fèi)用高,加上實(shí)際工程結(jié)構(gòu)受外界因素的影響大,能否得到理想的檢測(cè)結(jié)論還有待于工程實(shí)踐檢驗(yàn);Arupk. Maji等人19研究利用形狀記憶合金(S M A技術(shù),及時(shí)地反映力筋的受力狀況,許多學(xué)者也進(jìn)行了類似的研究工作,將智能監(jiān)控技術(shù)20應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力工程中,如:在混凝土中埋設(shè)智能型傳感器等,這些方法在待建的重要預(yù)

15、應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工程中,具有良好的應(yīng)用前景,但是,必須注意到,結(jié)構(gòu)在使用過程中預(yù)埋的儀器設(shè)備容易損毀而喪失其功能而且成本高,并且,在大量的既有工程結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控技術(shù)很難實(shí)施甚至是不可能做到的:有的學(xué)者根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失的實(shí)測(cè)資料提出:利用灰色理論預(yù)測(cè)預(yù)應(yīng)力的損失21,或利用有限元分析模型計(jì)算預(yù)應(yīng)力的損失22,或通過人工元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)預(yù)應(yīng)力損失23,24,這些通過建模計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失的方法,有一個(gè)共同的弊端:必須依靠大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料、結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果,才能進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失估算,其實(shí)用性嚴(yán)重受到實(shí)際結(jié)構(gòu)使用環(huán)境和條件的限制,離工程應(yīng)用還有相當(dāng)大的差距;有學(xué)者探討利用超聲波技術(shù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力

16、損失檢測(cè)25,利用建造初與使用過程中某個(gè)時(shí)點(diǎn)的波譜比較來分析力筋預(yù)應(yīng)力的改變,有一定的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值,但也只適用于新建工程;近年來,部分學(xué)者26,27指出:利用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,即進(jìn)行動(dòng)測(cè)試驗(yàn)是解決包括大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)在內(nèi)的檢測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的良好途徑。理論上可以證明:受軸向力的梁,其彎曲振動(dòng)頻率會(huì)受到軸向力大小的影響,軸向力的增加會(huì)降低梁彎曲振動(dòng)的固有頻率,因此,通過測(cè)試梁的固有頻率變化應(yīng)該可以確定梁軸向力的變化,從實(shí)際效果上看,僅通過頻率進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失的預(yù)測(cè),誤差還是相當(dāng)大的(文獻(xiàn)26,27上的誤差分別為19%和80%,頻率的測(cè)試誤差和計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異是58梁式預(yù)應(yīng)力混

17、凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀綜述張耀庭,等引起誤差的重要原因,因?yàn)楣こ讨械念A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),在使用荷載作用下,只有全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、有限預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),而部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)則處于非線性工作狀態(tài),并且,預(yù)應(yīng)力梁是連續(xù)體而非單自由度結(jié)構(gòu);同時(shí),預(yù)應(yīng)力在構(gòu)件的軸向有軸向分力、在垂直于構(gòu)件的軸向有剪切分力,因而梁體的振動(dòng)并非理想彈性材料的純彎曲振動(dòng),因此,不可避免地引起分析誤差。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),其構(gòu)件本身即是由預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系,力筋作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵受力部位,其有效預(yù)應(yīng)力值是一個(gè)不確定的參數(shù),它控制著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫的形成、開展及撓度的大小

18、、甚至是預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的承載力,由于力筋的嚴(yán)重?fù)p壞而引起的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是難以挽救的;同時(shí),預(yù)應(yīng)力損失是由混凝土的壓縮和彎曲、收縮和徐變、鋼筋的應(yīng)力松弛、錨固端的壓縮、力筋的滑移及力筋與周邊的摩擦等多項(xiàng)因素引起的,預(yù)應(yīng)力筋的拉應(yīng)力是一個(gè)隨時(shí)間而發(fā)生變化的量值,然而,結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力一經(jīng)建立,在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)段內(nèi)它又是一個(gè)定值,因而,利用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的難度是很大的,僅僅依賴某種單一檢測(cè)方法和技術(shù)是很難進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋受力狀況識(shí)別和檢測(cè)的。因此,在使用荷載下保證預(yù)應(yīng)力構(gòu)件具有足夠的有效預(yù)應(yīng)力,正確地評(píng)估預(yù)應(yīng)力損失至關(guān)重要。除非在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件施工時(shí)就安裝有效的智能監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備,否則

19、,利用常規(guī)的檢測(cè)方法和手段是很難進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋的受力狀況的識(shí)別與評(píng)估的。2存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)與診斷的研究上,混凝土的損傷檢測(cè)診斷技術(shù)已趨完善并應(yīng)用于工程實(shí)踐,而預(yù)應(yīng)力筋的檢測(cè)評(píng)估技術(shù)則相對(duì)滯后。工程中在關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋的檢測(cè)與評(píng)定問題上,發(fā)展慢、實(shí)用性技術(shù)少,成為當(dāng)前預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作的“盲區(qū)”。一方面通過靜力和動(dòng)力檢測(cè)能得出裂縫、撓度、動(dòng)力性能參數(shù)等物理量,以此即可判別出預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的整體工作狀況;另一方面,對(duì)其關(guān)鍵受力部件預(yù)應(yīng)力鋼筋的工作狀況(包括預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕程度、預(yù)應(yīng)力損失、有效預(yù)應(yīng)力、力筋實(shí)際內(nèi)力等卻一無所知。利用動(dòng)力檢測(cè)方法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失

20、的檢測(cè),已有的研究結(jié)論如下:結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力損失與結(jié)構(gòu)的剛度變化有關(guān)26;預(yù)應(yīng)力的損失改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能27;結(jié)構(gòu)的剛度變化能通過檢測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的變化來評(píng)估28,29;然而從數(shù)據(jù)上看,并沒有準(zhǔn)確確定預(yù)應(yīng)力損失與模態(tài)參數(shù)變化之間的相互關(guān)系26,27的方法。因此有必要進(jìn)一步研究和開發(fā)一種通過預(yù)應(yīng)力混凝土梁自振頻率、模態(tài)參數(shù)的識(shí)別來確定預(yù)應(yīng)力損失及力筋受力狀況的動(dòng)力檢測(cè)方法。然而,如何建立模態(tài)參數(shù)與預(yù)應(yīng)力損失及力筋受力狀況之間的相互關(guān)系,利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力性態(tài)參數(shù)評(píng)定預(yù)應(yīng)力筋受力狀況的穩(wěn)定性及精確度,即:參數(shù)的靈敏度問題如何提取,使用哪些檢測(cè)技術(shù),利用哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,這些因素將成為預(yù)應(yīng)力筋受力狀況動(dòng)

21、力檢測(cè)中必須面對(duì)的關(guān)鍵問題。開展預(yù)應(yīng)力損失及力筋受力狀況的動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)的研究,在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)與診斷上是十分必要的,且應(yīng)用前景廣闊。然而,已有的研究還存在以下嚴(yán)重的不足:1現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力損失檢測(cè)中所依賴的局部破損檢測(cè)技術(shù),投入大、時(shí)間長(zhǎng),加上結(jié)論的可靠性難以把握,難以用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu);2近年所提倡的動(dòng)力檢測(cè)方法尚待繼續(xù)研究,目前的研究?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室的條件下對(duì)單根梁進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn),并僅以基頻的變化作為主要的評(píng)定參數(shù)。大量的研究表明,結(jié)構(gòu)的自振頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷及預(yù)應(yīng)力筋受力狀況的影響不太敏感,而且對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率進(jìn)行精確的量測(cè)尚有困難;3如何將模態(tài)參數(shù)、人工智能技術(shù)與預(yù)應(yīng)力筋的受力狀況的檢測(cè)有

22、效地結(jié)合起來,將多種檢測(cè)信息融合起來,即在參數(shù)的識(shí)別和提取上缺乏實(shí)用有效的數(shù)據(jù)融合算法;4預(yù)應(yīng)力筋的受力對(duì)構(gòu)件的作用在絕大多數(shù)情況下,并非作用在構(gòu)件上的一般軸向力,它在構(gòu)件的軸向和與軸向垂直的方向上都存在分力,軸力和剪力對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的影響是動(dòng)力分析中需要進(jìn)一步探討的問題。攝動(dòng)理論于19世紀(jì)80年代由Lindstedt、P ointcare等人在研究天體力學(xué)問題時(shí)被提出,作為處理非線性問題的一種普遍方法,自20世紀(jì)50年代以后蓬勃發(fā)展起來,在振動(dòng)理論、流體力學(xué)、固體力學(xué)、近代物理、自動(dòng)控制、海洋工程、生物、化學(xué)及經(jīng)濟(jì)學(xué)、人工學(xué)方面都有著廣泛的應(yīng)用。近年來,這一理論逐漸應(yīng)用于土木工程之中。根據(jù)剛

23、度與固有頻率之間的相關(guān)關(guān)系,有學(xué)者利用攝動(dòng)理論對(duì)混凝土梁裂縫的分布形式30、拱橋索損傷程度31、橋梁彎曲振動(dòng)特征值的求解32等問題進(jìn)行了研究,這些工作都是在將預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)視為彈性材料、考慮性態(tài)參數(shù)一階攝動(dòng)的基礎(chǔ)上展開的,在一定程度上表明,將矩陣攝動(dòng)理論應(yīng)用于土木工程尋求工程問題高精度的解析解是可行的,具有數(shù)值分析、人工智能等方法和技術(shù)難以替代的優(yōu)越性。工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)可分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè),動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法又可分為環(huán)境激振檢測(cè)法和局部激振檢測(cè)法。靜態(tài)檢測(cè)方法是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法,這一方法的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確,但對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu),因工程結(jié)構(gòu)體積大、構(gòu)件多,有些部位無法檢測(cè),在應(yīng)用上受到限制;環(huán)境激振檢

24、測(cè)方法能較好地把握結(jié)構(gòu)的整體性能,且實(shí)施方便,不易造成結(jié)構(gòu)破壞,但較難準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)局部的物理參數(shù);利用局部激振法則可在靜態(tài)檢測(cè)難以實(shí)施的部位通過局部激振動(dòng)力識(shí)別技術(shù)準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的物理參數(shù),因此,有效地綜合各種方法的識(shí)別或檢測(cè),能更好地把握結(jié)構(gòu)的整體性能和構(gòu)件在整體中的作用。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力檢測(cè)包含對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別和物理參數(shù)的識(shí)別,而物理參數(shù)的識(shí)別往往是以模態(tài)參數(shù)的識(shí)別為基礎(chǔ)的,模態(tài)誤差會(huì)引起物理參數(shù)識(shí)別的誤差,同時(shí),模態(tài)參數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷的位置、程度的敏感性不一致,進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的敏感性分析是保證動(dòng)力檢測(cè)穩(wěn)定性和精確度的重要基礎(chǔ)。近年來,多信息融合技術(shù)33以其強(qiáng)大的時(shí)空覆蓋能力和對(duì)多元

25、不確定信息的綜合處理能力得以發(fā)展和應(yīng)用,傳統(tǒng)的攝動(dòng)理論是解決機(jī)械、航天、航空等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)問題的有力工具。綜上所述,針對(duì)梁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋的受力狀況,我們應(yīng)大力研究開發(fā)基于多種檢測(cè)手段結(jié)合、多種數(shù)68工業(yè)建筑2005年第35卷第11期據(jù)融合的動(dòng)力無損檢測(cè)新方法。可運(yùn)用攝動(dòng)理論及人工智能技術(shù)進(jìn)行動(dòng)力分析中的模態(tài)識(shí)別、模態(tài)轉(zhuǎn)換和性態(tài)參數(shù)的靈敏度分析,借鑒已有的結(jié)構(gòu)健康診斷和損傷識(shí)別的理論知識(shí),通過對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性態(tài)參數(shù)來識(shí)別預(yù)應(yīng)力筋的受力狀況;將多種檢測(cè)方法與動(dòng)力檢測(cè)方法相結(jié)合,對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的受力狀況(包括力筋的預(yù)應(yīng)力損失、有效預(yù)應(yīng)力和實(shí)際拉力等作出評(píng)估,以獲得梁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)完整、準(zhǔn)

26、確的工作狀況信息,促進(jìn)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)理論、優(yōu)化理論、智能結(jié)構(gòu)理論、動(dòng)力學(xué)、攝動(dòng)法原理及結(jié)構(gòu)檢測(cè)新技術(shù)和新理論等多學(xué)科間相互交叉和融合,能解決預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測(cè)、評(píng)定與健康監(jiān)測(cè)中迫切需要解決的具有共性的問題。我國(guó)是地震災(zāi)害及其他自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一,加上現(xiàn)階段處于基本建設(shè)的大力發(fā)展時(shí)期,雖然在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與評(píng)定技術(shù)上已取得可觀的成就,并在一些大型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)(如橋梁、高層建筑上安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),但對(duì)眾多的在役和新建預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)而言,進(jìn)行其預(yù)應(yīng)力筋受力狀況準(zhǔn)確及時(shí)的檢測(cè)與評(píng)定已迫在眉睫,開展梁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)與評(píng)定方法的研究,尤其是在對(duì)預(yù)應(yīng)力筋受力狀況(包括預(yù)應(yīng)力損失、有

27、效預(yù)應(yīng)力、在荷載作用下力筋的實(shí)際拉應(yīng)力等的正確評(píng)價(jià)上進(jìn)行新技術(shù)和新方法的探索,是檢測(cè)評(píng)定預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)尤其是既有的梁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的整體工作狀況的重要組成部分,是進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)與評(píng)估的基礎(chǔ),具有重要的科學(xué)意義和良好的工程應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1Lin T Y,Burns H.Design of Prestressed C oncrete S tructures.3d ed.New Y ork:John W iley S one,1981.1167Hall D L,Linas J.An Introduction to Multi2Sens or Dato Fusion.Proc.

28、IEEE,1997,85(1:6238K arim Hariri,Alex H olst,W ichmann Hans2Joachim,et al.Assessment of the S tate of C ondition of Prestressed C oncrete S tructures with Innovative M easurement T echniques.S tructure Health M onitoring,2003, 2(2:17918510Abdel M M,W ehab,G De R oeck.Damage Detection in Bridge Using

29、 M odel Cuivatures:Application to a Real Damage Scenario.Journal of S ound and Vibriation,1999,226(2:21723511G uido De R oeck.The S tate2of2the2Art Damage Detection by Vibration M onitoring:the SI MCES Experience.Journal of S tructure C ontrol,2003, 10:12713412Y ang J N,Lei Y,Lin S,et al.Hilbert2Hua

30、ng Based Approach forS tructural Damage Detection.ASCE,Journal of Engineering M echanics, 2004,130(1:859513K im Jeong2T ae,Ryu Y em2Sun,Cho Hyum2M an,et al.Damage Identification in Beam2T ype S tructures:Frequency2Based M ethod Vs M ode2Shape2Based M ethod.Engineering S tructure,2003,25:5767 14M ois

31、es A Abraham,S ooy ong Park,N orris S tubbs.Loss of Prestress Prediction Based on N ondestructive Damage Location Alg orithms.15K im Jeong2T ae,Ryu Y eon2Sun,Y un Chung2Bang.Vibration2Based M ethod to Detect Prestress2Loss in Beam2T ype Bridges.ASCE,Prec.of SPIE,2003,5057:5655919Arupk M aji,Lhosvany

32、 Negret.Smart Prestressing with Shape2M em ory Alloy.ASCE,J,Engrg.M ech,1998,124(10:1121112820T im othy J F owler,Luis Q Y epez,Charles A Bames.Acoustic Em ission M onitoring of Rein forced and Prestressed C oncrete S tructures.ASCE, SPIE,2004:28129822Sreinberg,Eric P.Probabilisstic Assessment of Pr

33、estress Loss in Pretensioned Prestressed C oncrete.PCI Journal,1995,40(6:7685 23K im Sang2Hy o,Y oon Chongyul,K im By oung2Jin.S tructural M onitoring System Based on Sensitivity Analysis and a Neural Netw ork.C om puter2 Aided Civil and In frastructure Engineering,ASCE,2000(15:309318 24Jeng Chyuan2

34、H wan,M Y L M o.Quick Seism ic Response Estimation of Prestressed C oncrete Bridges Using Artifical Neural Netw orks.ASCE, Journal of C om puting in Civil Engineering,2004(10:36036925R oger H L Chen,K om wut W issawapaisal.An Ultras onic M ethod for M easuring T ensile F orces in a Sever2W ire Prest

35、ressing S trand.Review of Quantitative N ondestructive Evaluation,2002,21:1295130126Saiidi M,D ouglas B,Feng S.Prestress F orce E ffect on Vibration Frequency of C oncrete Bridges.Journal of S tructural Engineering,1994, 120(7:2233224127M iyam oto Ayah o,Nakamura K ei,Nakamura H ideaki.Bridge M anag

36、em ent S ystem and M aintenance Optim ization for E xisting Bridges.C om puter2 Aided C ivil and In frastructure Engineering,2000(15:455528K im B H,S tubbs N,S ikorsky C.Local Detection Using Incom plete M odal Data.Proceedings of SPIEThe International S ociety for Capical Engineering,2002:43544129K

37、 im J T,S tubbs N.Im proved Damage Identification M ethod Based on M odal In formation.Journal of S ound and Vibration,2002,252(2:223 23830Obrezanova O,M ovchan A B,Villis J R.Dynam ic S tability of a Propagating Crack.Journal of the M echanics and Physics of S olids, 2002,50(12:2637266831S ofi Alba

38、,Borino G uido,Muscolino G iuseppe.Dynam ic Analysis of Prestressed Cables with Uncertain Pretension.Universita di Palerm o, Dipto.di lngegneria S trutturale,90128,Palerm o,Italy:2002,37(12: 6784(下轉(zhuǎn)第83頁78梁式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀綜述張耀庭,等混凝土基體開裂等破壞現(xiàn)象,說明動(dòng)荷載作用下植筋錨固強(qiáng)度有較大提高。表2實(shí)測(cè)植筋動(dòng)力特性參數(shù)鋼筋直徑mm 混凝土強(qiáng)度錨固長(zhǎng)度mm動(dòng)應(yīng)變峰值10

39、-6動(dòng)拉拔力峰值kNK1K2C3026026402591211421187C2026027042651511452121注:K1為動(dòng)應(yīng)變峰值和鋼筋材料靜屈服應(yīng)變比值;K2為動(dòng)載試驗(yàn)的拉拔力峰值和靜載試驗(yàn)的植筋屈服拉拔力的比值。在錨筋不產(chǎn)生屈服的條件下,植筋的抗拔力與錨固段界面動(dòng)粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān),而錨筋的粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土或粘結(jié)材料的強(qiáng)度有關(guān)4,因此,由試驗(yàn)得到K2>K1的結(jié)果表明,混凝土、粘結(jié)材料的強(qiáng)度提高值明顯大于鋼筋材料。4爆炸荷載下植筋錨固設(shè)計(jì)方法目前,有關(guān)抗爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范5所規(guī)定的HR B335級(jí)鋼筋材料動(dòng)力強(qiáng)度提高幅度為10%15%,在規(guī)定可靠度條件下的強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)為1135。而試驗(yàn)表明,錨固力動(dòng)力強(qiáng)度提高幅度可達(dá)到42%以上,因此,種植鋼筋錨固力可滿足抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)以上關(guān)于試驗(yàn)成果的分析,結(jié)合目前有關(guān)抗爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范5,可以得到以下關(guān)于爆炸荷載下植筋錨固長(zhǎng)度和抗拉承載力的設(shè)計(jì)方法。4.1錨固長(zhǎng)度受拉鋼筋在支座的錨固長(zhǎng)度一般根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋類型等因素確定。試驗(yàn)表明,爆炸荷載下鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的提高幅度要大于鋼筋材料的提高幅度