CN209167040U - 一种预应力混凝土梁疲劳损伤测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种预应力混凝土梁疲劳损伤测试装置，包括设置在两个简支支座上的待测预应力混凝土梁、激振系统以及模态测试分析系统，激振系统包括激振器、功率放大器、信号放大器，模态测试分析系统包括拾振器、信号采集系统以及模态分析系统，待测预应力混凝土梁上方还设有作动头正对待测预应力混凝土梁的疲劳试验机，疲劳试验机通过反力架固定安装在地面上。本实用新型通过在预应力混凝土梁结构疲劳试验过程中开展动力测试，基于振动模态参数分析预应力混凝土梁疲劳损伤的位置及其损伤程度，从而实现了基于模态参数表征预应力混凝土梁疲劳损伤状态，为预应力混凝土梁疲劳性能研究和测试提供了一种新思路。

Description

一种预应力混凝土梁疲劳损伤测试装置

技术领域

本实用新型属于工程结构疲劳损伤测试技术领域，尤其涉及一种预应力混凝土梁疲劳损伤测试装置。

背景技术

预应力混凝土梁广泛应用于公路铁路桥梁等土木大跨度工程结构中。这一类预应力混凝土梁在设计使用年限内将长期承受车辆疲劳荷载的反复作用。疲劳荷载作用将引起结构疲劳损伤的发生和发展，随着损伤的累积将影响结构的正常使用性能甚至危及结构的安全性。因此，预应力混凝土梁的疲劳性能，引起了国内外许多学者和工程技术人员的普遍关注。

传统的预应力混凝土梁疲劳性能试验中，通常采用脉动式疲劳试验机施加等幅疲劳荷载，在疲劳加载历程中的典型时刻，停机开展静力加卸载实验，从而根据预应力混凝土梁的挠度、应力和应变等静力特性推测预应力混凝土梁疲劳损伤发展过程。这些方法切入点较为单一，不能反映疲劳动力荷载作用下结构的受力特点，难以揭示预应力混凝土梁疲劳损伤的发展过程和疲劳破坏机理，亟需研究开发新的基于动力学测试手段研究预应力混凝土梁疲劳问题的新方法。

实用新型内容

本实用新型所要解决的在于提供一种基于模态参数的预应力混凝土梁疲劳损伤测试装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种预应力混凝土梁疲劳损伤测试装置，包括相对设置在地面上的两个简支支座、设置在两个简支支座上的待测预应力混凝土梁、激振系统以及模态测试分析系统；

所述激振系统包括顺次连接的激振器、功率放大器及信号放大器，激振器可自由移动的设置在待测预应力混凝土梁的下方位于两个简支支座之间；

所述模态测试分析系统包括顺次连接的拾振器、信号采集系统以及模态分析系统，拾振器布置在待测预应力混凝土梁的顶面。

进一步的，拾振器沿待测预应力混凝土梁长度方向等长布置。

进一步的，激振器设置在行走小车上。

进一步的，待测预应力混凝土梁上方还设有疲劳试验机，待测预应力混凝土梁的顶部位于疲劳试验机作动头的下方设有荷载分配梁，疲劳试验机通过反力架固定安装在地面上，疲劳试验机的作动头中心点正对着待测预应力混凝土梁中心点和荷载分配梁的中心点。

进一步的，待测预应力混凝土梁的两端上部位于简支支座处、梁跨中位置及荷载加载点底部均设有位移计。

进一步的，荷载分配梁的两端通过滑动铰支座与待测预应力混凝土梁连接。

一种预应力混凝土梁疲劳损伤状态表征方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待测预应力混凝土梁放置于两个简支支座上，首先对初始完好待测预应力混凝土梁进行动力测试，得到待测预应力混凝土梁的初始模态频率w₀；

步骤2：开启疲劳试验机对待测预应力混凝土梁进行疲劳试验，疲劳循环一定次数后停机进行动力测试，得到疲劳循环次数为n万次时待测预应力混凝土梁的模态频率w_n；

步骤3：根据如下公式得到不同循环次数下待测预应力混凝土梁的损伤变量：

其中：w₀为初始模态频率，w_N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的模态频率，N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的循环次数；

步骤4：对步骤3得到的不同循环次数下待测预应力混凝土梁的损伤变量进行拟合，得到基于模态频率的疲劳全过程损伤变量演化规律，由此表征待测预应力混凝土梁疲劳损伤状态。

进一步的，损伤变量与循环次数采用如下公式进行拟合：

其中：α，β为待拟合参数，n为循环次数，N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的循环次数。

进一步的，动力测试采用激振法，通过移动激振器至待测预应力混凝土梁各阶理论振型幅值最大幅值点附近进行扫频激振，通过拾振器采集加速度信号后传递至模态测试分析系统进行模态分析。

进一步的，所述以模态频率定义的损伤变量选取第一阶模态频率。

进一步的，动力测试时，激振器与拾振器错开设置。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型利用预应力混凝土梁疲劳加载和破坏过程中结构的疲劳损伤状态和模态参数存在良好的映射关系，将预应力混凝土梁结构疲劳试验与动力测试试验相结合，基于振动模态参数分析预应力混凝土梁疲劳损伤的位置及其损伤程度，从而实现了基于模态参数表征预应力混凝土梁疲劳损伤状态，为预应力混凝土梁疲劳性能研究和测试提供了一种新思路。

2、本实用新型测试装置将传统固定式激振设备改进为移动式激振设备，可以根据激振点的位置快速运输，使试验的进行更加便捷，具有结构简单、测试方便的优点。

附图说明

图1为本实用新型表征方法的流程图；

图2为本实用新型动力测试示意图一；

图3为为本实用新型疲劳试验过程装置示意图一；

图4为本实用新型的截面图；

图5为激振位置选取示意图；

图6为疲劳历程中实测频率退化比曲线；

图7为以一阶模态频率表征的预应力混凝土梁疲劳损伤演化规律图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1-图4，一种基于模态参数的预应力混凝土梁疲劳损伤测试装置，包括相对设置在地面10上的两个简支支座1、设置在两个简支支座1上的待测预应力混凝土梁2、激振系统3以及模态测试分析系统4。

具体的，激振系统3包括激振器301、与激振器301连接的功率放大器302、与功率放大器302连接的信号放大器303，激振器301可自由移动的设置在待测预应力混凝土梁2的下方位于两个简支支座1之间。模态测试分析系统4包括拾振器401、与拾振器401连接的信号采集系统402以及与信号采集系统402连接的模态分析系统403，信号采集系统402连接的模态分析系统403等部件均为现有结构，在此不追赘述。

拾振器401布置在待测预应力混凝土梁2的顶面上，拾振器401吸附在磁性支座上，磁性支座固定设置在待测预应力混凝土梁2。待测预应力混凝土梁2上方还设有作动头正对待测预应力混凝土梁2的疲劳试验机5，疲劳试验机5通过反力架6固定安装在地面上。

优选的，拾振器401沿待测预应力混凝土梁2长度方向等长布置，拾振器401的输出端与信号采集系统402的输入端相连，信号采集系统402的输出端与模态分析系统403的输入端相连，信号采集系统402通过采集拾振器401测得的振动信号，并将其传至模态分析系统403，模态分析系统403经过分析处理得到待测梁模态参数。

可以想到的是，在实际设计中，激振器301设置在行走小车11上，行走小车11设置在地面上，每次模态测试，通过行走小车将激振器快速地将运输到指定激振点，使模态测试更加便捷有效。

需要说明的是，在实际应用中，简支支座1包括固定安装在地面上的基座101和设置在基座101上的铰支座102，两个铰支座102用于支撑待测梁(预应力混凝土梁)，基座101通过紧固螺栓固定安装在实验室地面10上。在待测预应力混凝土梁2的顶部还设有用于将疲劳试验机5施加的荷载传递给待测梁的荷载分配梁7，荷载分配梁7的两端通过铰支座8与待测预应力混凝土梁2连接，待测预应力混凝土梁的两端简支支座对应的梁上端、梁跨中位置及荷载加载点底部均设有位移计9。试验时，按照静力单调加载试验的加载程序，进行分级加载至疲劳上限荷载，量测各级荷载下的应变、裂缝、挠度等及其发展情况。

参见图5，一种预应力混凝土梁疲劳损伤状态表征方法,包括如下步骤：

步骤1：将待测预应力混凝土梁放置于两个简支支座上，首先对初始完好待测预应力混凝土梁进行动力测试，得到待测预应力混凝土梁的初始模态频率w₀；

步骤2：开启疲劳试验机对待测预应力混凝土梁进行疲劳试验，疲劳循环一定次数后停机进行动力测试，得到疲劳循环次数为n万次时待测预应力混凝土梁的模态频率w_n；

步骤3：根据如下公式得到不同循环次数下待测预应力混凝土梁的损伤变量：

其中：w₀为初始模态频率，w_N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的模态频率，N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的循环次数；

步骤4：对步骤3得到的不同循环次数下待测预应力混凝土梁的损伤变量进行拟合，得到基于模态频率的疲劳全过程损伤变量演化规律，由此表征待测预应力混凝土梁疲劳损伤状态。

进一步的，损伤变量与循环次数采用如下公式进行拟合：

其中：α，β为待拟合参数，n为循环次数，N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的循环次数。

进一步的，动力测试采用激振法，通过移动激振器至待测预应力混凝土梁各阶理论振型幅值最大幅值点附近进行扫频激振，通过拾振器采集加速度信号后传递至模态测试分析系统进行模态分析。

进一步的，所述以模态频率定义的损伤变量选取第一阶模态频率。

进一步的，动力测试时，激振器与拾振器错开设置。

模态测试时，激振位置的选取遵循以下原则：1)将激振器移动至待测梁各阶理论振型幅值最大幅值点附近进行扫频激振；2)所述激振器放置位置应避开拾振器放置位置正下方，以避免该点测得的振动信号因过载而失真。

模态测试分析系统选用的模态分析方法为随机子空间SSI法，该方法不用输入外部激励或外部激励不可测，可以有效地从环境激励的结构响应中提取结构模态参数。

下面将结合具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例

选取32m普通高度标准铁路桥梁预应力混凝土简支T梁为原型梁，根据相似理论，制作原型梁的1:6缩尺模型作为待测预应力混凝土梁3，设计参数见下表1。本实施例共制备了3根模型梁，其中一根梁(编号No.1)用于静载试验，以确定疲劳试验所需的静力极限荷载P_u，实测P_u＝265kN；另外两根(编号No.2，No.3)用于疲劳试验。

表1模型梁设计参数

混凝土配合比为水泥：水：石：砂：减水剂＝460：118：1092：735：4.2，各试验梁浇筑时预留混凝土试块，其力学性能测试与模型梁试验同时进行，测得力学性能见下表2：

表2实测混凝土力学性能参数

纵筋采用HRB335级钢筋，直径10mm；按照铁路桥梁设计构造要求，在梁纯弯段内布置直径8mm(HPB300)、间距为100mm的箍筋，其它区段内为50mm。钢筋的实测力学性能参数见下表3：

表3实测钢筋力学性能参数

预应力钢筋采用2束7φ5钢绞线，公称直径d＝15.2mm，极限强度标准值f_ptk＝1860MPa，采用抛物线型布置。预应力筋采用两端张拉(单孔千斤顶单根钢绞线对拉，分两次完成)，张拉控制应力σ_con＝1116MPa，超张拉5％，张拉时混凝土龄期均超过28天。

一种预应力混凝土梁疲劳损伤状态表征方法，主要包括以下步骤：

1)预应力混凝土梁的初始动力参数测定及首次静载试验：将待测预应力混凝土梁2放置于简支支座1上，首先对初始完好待测预应力混凝土梁2进行动力测试，动力试验采用激振法，通过移动激振器301至各阶理论振型幅值最大幅值点附近进行扫频激振，通过拾振器401采集加速度信号后传递至模态测试分析系统进行模态分析，得到各阶模态参数；然后按照四点弯曲加载方式布置荷载分配梁7，荷载分配梁7通过铰支座8放置于待测预应力混凝土梁2上，并保证疲劳试验机5的作动头中心点正对着待测预应力混凝土梁2中心点和荷载分配梁7的中心点；按照静力单调加载试验的加载程序，进行分级加载至疲劳上限荷载，量测各级荷载下的应变、裂缝、挠度等及其发展情况；

2)疲劳加载历程中预应力混凝土梁静载试验及动力测试：完成步骤1)后，开启疲劳试验机5进行疲劳加载，在疲劳荷载循环次数达到1万次、5万次、10万次、25万次等后停机(以此类推，直至待测预应力混凝土梁2接近疲劳破坏时)，分别如步骤1)所述进行一次动力测试和加载至疲劳上限荷载的静载试验；待测预应力混凝土梁2疲劳破坏后，再进行一次动力测试和静载试验。

疲劳试验采用等幅正弦波加载，加载频率为3.5Hz，试验主要参数见下表4，疲劳荷载下限值取P_min＝0.2P_u，疲劳荷载上限值P_max分别取0.45P_u和0.5P_u。

表4模型梁试验参数及疲劳寿命

3)预应力混凝土梁振动模态参数分析：如步骤1)和步骤2)所示，分别于初次静载前和疲劳历程中对初始完好待测预应力混凝土梁2进行动力测试，通过模态测试分析系统进行振动模态参数分析，得到疲劳历程中各阶模态参数。

在初始动力参数测定时，将荷载分配梁7与简支支撑8装置撤去，将与拾振器401配套的磁性支座粘贴在待测预应力混凝土梁2上，拾振器401通过吸附在磁性支座上，从而固定在待测预应力混凝土梁2上；疲劳试验循环加载中，取下拾振器401保管，在疲劳一定次数停机进行动力测试时，取出拾振器401吸附在磁性支座上再次测量。

模态测试分析系统选用的模态分析方法为随机子空间SSI法，该方法不用输入外部激励或外部激励不可测，可以有效地从环境激励的结构响应中提取结构模态参数。

4)预应力混凝土梁疲劳损伤状态评估：通过步骤3)分析得到的疲劳历程中各阶模态参数，经过相关分析进行待测预应力混凝土梁2的疲劳损伤状态评估。

本实施例中采用的仪器型号及生产厂家见下表5：

表5试验仪器

基于本实用新型所述的一种基于模态参数的预应力混凝土梁疲劳损伤状态表征方法及测试装置，得到了两根疲劳试验梁在疲劳历程中的频率如下表6。

表6疲劳历程实测及退化比汇总表

定义疲劳作用下频率退化比：

γ(n)＝w_n/w₀

式中，ω₀为完好梁的初始频率；ω_n为疲劳n万次后梁的频率。则得到疲劳历程中前三阶实测频率的频率退化比上表6，并绘制频率退化比曲线见附图6所示。

由上表6和附图6可见，随着疲劳次数的增加，预应力混凝土梁的前三阶频率均有所下降。加载开始，模态频率即出现较显著的降幅；进入疲劳中期后，频率下降速率变缓，以一较小的数值在逐渐降低，有波动但基本保持稳定；达到疲劳寿命时，出现一次幅值较小的降低，最终梁No.2前三阶频率降低幅值分别为19.5％，15.8％，9.0％，梁No.3前三阶频率降低幅值分别为19.4％，13.6％，7.4％。由此可见，在疲劳作用下，一阶频率的频率降低幅度最大；二阶频率次之；而三阶频率的频率降低幅度最小。

从附图6中还可以看出：预应力混凝土梁模态频率的退化过程也存在类似疲劳刚度退化的三阶段规律。疲劳初期模态频率降幅较大，这是因为在加载刚开始时，混凝土裂缝的开展，以及有效预应力损失较大，使试验梁刚度有较大幅度的降低，从而使梁模态频率呈现出迅速减小的特点。进入疲劳中期后，裂缝在缓慢伸延、扩展，有效预应力损失速率减小并趋于稳定，钢筋和混凝土间出现局部粘结滑移破坏，使梁刚度呈近似线性的发展状态，模态频率也近似呈线性减小，相对发展较为稳定。疲劳末期，混凝土裂缝再次急剧扩展并出现树枝状裂缝，此时梁体刚度再次降低，故频率再次有一个下降阶段。

定义基于模态频率的损伤变量：

其中:w₀为初始模态频率，w_N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的模态频率，N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的循环次数。本式定义的损伤变量D的变化范围在0～1之间；D＝0对应于试验梁的无损状态；D＝1对应梁完全疲劳破坏。损伤变量D为单调递增的函数，即试验梁的疲劳损伤程度随荷载循环次数的增加而增大，且损伤是不可逆的。

考虑到实际工程的桥梁动力测试中，由于第一阶模态频率的能量等占有较大比例，具有较高的准确性，同时由前面研究发现第一阶模态频率的频率退化幅度最大，所以这里采用第一阶模态频率来定义损伤变量。综合众多学者对损伤累积拟合曲线的研究，经过比选后，选用下式进行拟合：

其中：α，β为待拟合参数，n为循环次数，N为待测预应力混凝土梁疲劳破坏时的循环次数。由试验结果采用最小二乘法进行非线性回归分析，得到参数见下表7。两片梁的拟合度R²均接近100％，说明该模型拟合程度较好。

表7疲劳损伤非线性模型拟合参数

根据上述拟合曲线和拟合参数即可得到基于一阶模态频率的两根梁疲劳累积损伤演化规律，见附图7。

从附图7可以看出，各试验梁疲劳损伤演化规律具有明显的非线性。整个疲劳损伤演化可分为3个阶段。在损伤初始发展的第1阶段，疲劳累积损伤急剧增加达到稳定水平；第2阶段，疲劳累积损伤平稳缓慢增长；随着循环次数增加，疲劳累积损伤进入第3阶段，在第3阶段疲劳累积损伤在第2阶段累积损伤的基础上又开始急剧增加，直至试验梁完全破坏失去承载力。

对比两根梁疲劳损伤演化曲线还可以看出，疲劳应力幅越大，其损伤发展越剧烈。疲劳前期，应力幅较大的梁No.2损伤发展程度较梁No.3更迅速，在两根梁分别达到数值约为0.68和0.56的损伤阈值时，进入损伤稳定发展的疲劳中期；损伤末期梁No.2的阈值约为0.85，大于梁No.3的阈值0.82。纵观整个发展过程，应力幅较大的梁损伤发展总是超前于应力幅较小的梁，而相比而言的大应力幅梁的低寿命特性也显示了此演化规律的合理性。

本实施例以一阶固有频率为损伤变量，有效地模拟了预应力混凝土梁三阶段非线性疲劳损伤演化规律。由此可见，通过对疲劳损伤累积曲线的研究，结合疲劳损伤三阶段阈值的识别，可为结构性能退化程度判定及剩余寿命预测提供研究基础，具有一定应用前景，为预应力混凝土梁疲劳性能研究提供了新思路。

上述实施例仅仅是清楚地说明本实用新型所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种预应力混凝土梁疲劳损伤测试装置，其特征在于：包括相对设置在地面上的两个简支支座、设置在两个简支支座上的待测预应力混凝土梁、激振系统以及模态测试分析系统；

所述激振系统包括顺次连接的激振器、功率放大器及信号放大器，激振器可自由移动的设置在待测预应力混凝土梁的下方位于两个简支支座之间；

所述模态测试分析系统包括顺次连接的拾振器、信号采集系统以及模态分析系统，拾振器布置在待测预应力混凝土梁的顶面。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：拾振器沿待测预应力混凝土梁长度方向等长布置。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：激振器设置在行走小车上。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：待测预应力混凝土梁上方设置疲劳试验机，疲劳试验机通过反力架固定安装在地面上，待测预应力混凝土梁的顶部位于疲劳试验机作动头的下方设有荷载分配梁，疲劳试验机的作动头中心点正对着待测预应力混凝土梁中心点和荷载分配梁的中心点。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：待测预应力混凝土梁的两端上部位于简支支座处、梁跨中位置及荷载加载点底部均设有位移计。

6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：荷载分配梁的两端通过简支支座与待测预应力混凝土梁连接。