损伤钢筋混凝土简支梁模态频率变化规律试验研究.pdf
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1、 四川建筑科学研究 S i c hu a n Bui l d i ng S c i e nc e 第 3 7卷第 2期 2 0 1 1 年 4月 损伤钢筋混凝土简支梁模态频率变化规律试验研究 薛 刚, 李奉阁, 刘海生 ( 内蒙古科技大学建筑与土木工程学院, 内蒙古 包头0 1 4 0 1 0 ) 摘要: 设计了 1 2根钢筋混凝土简支梁, 进行了逐级加荷一卸荷试验, 每次卸荷后, 测试梁的动力特性并进行模态分析, 得 到不同加载条件下梁的自振频率, 对频率进行统计分析, 得到不同承载状况下 R C梁模态频率均值及方差, 对频率均值进行 了置信区间估计。此外, 通过曲线拟合 , 得到了模态频率
2、的变化量和外荷载之间的关系曲线。 关键词: 钢筋混凝土梁; 损伤; 频率; 试验 中图分类号: T U 3 7 5 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 【 2 0 1 1 ) o 2 0 4 6一 o 3 Ex p e r i me n t s t u d y o n m o d a l f r e q u e n c y v a r i a t i o n r e g u l a t i o n s f o r d a m a g e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms XUE Ga n g, L I F e n
3、g g e, LI U Ha i s h e n g ( S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g , I n n e r M o n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , B a o t o u 0 1 4 0 1 0 , C h i n a ) A b s t r a c t : D y n am i c t e s t i s c a r r i e d o n
4、1 2 R C b e a ms , w h i c h i s s u b j e c t e d t o an i n c r e a s i n g s t a t i c l o a d i n t h e m i d d l e t o i n t r o d u c e c r a c k s Af t e r e a c h l o a d s t e p, u n l o a d i n g , a n d a l l e x p e r i me n t al d y n am i c mo n i t o r i n g i s p e r f o r me d o n t
5、 h e b e am , t h e n r e l o a d i n g t o t h e n e x t s t e p Mo d a l an a l y s i s i s c a r r i e d o u t o n b e am s u n d e r e a c h l o a d s t e p, a n d b e am f r e q u e n c y c o r r e s p o n d i n g t O d i ff e r e n t d am a g e s t ag e s a r e d e mo n s t r a t e d Wi t h t
6、h e m a t h e m a t i c al s t a t i s t i c s m e t h od, me an v al u e a n d s t and a r d d e v i a t i o n o f b e am e q u e n c y r e d u c t i o n r a t e i s gi v e n , w h i c h c o n f i d e n c e i n t e r v als are e s t i ma t e d F u r t h e mo r e , r e l a t i o n s h i p b e t w e
7、e n b e am f r e q u e n c y r e d u c t i o n an d l o a d i s als o f o u n d b y c u r v e fi t t i n g Ke y wor ds: RC be am s ; da ma g e; e q ue ne y; e x p e rime n t 0 引 言 梁的破坏程度 变化时, 其动力特性 随之变化 。 有很多学者对承弯结构的动力特性进行了有限元分 析或用匀质材料进行 了试验研究 。混凝土是非 线性材料 , 钢筋混凝土梁 的荷载、 几何参数与物理参 数具有一定的随机性 , 其破坏具有一定 的
8、离散性 , 如 果将数值仿真研究成果或匀质材料试验得出的结论 直接用在混凝土结构动态检测中, 有失妥当。钢筋 混凝土梁在实际工程 中应用普遍 , 相对 于钢筋混凝 土梁的其他力学性能, 其动力特性变化规律的试验 研究还未达到成熟阶段。为此 , 本文设计 了 1 2根钢 筋混凝土简支梁, 研究钢筋混凝土梁破坏过程中模 态频率的变化规律。 1 R C梁动测试验概况 1 1 试 件设计 试件为 l 2根钢筋混凝土简支梁 , 编号为 L l一 收稿 日期: 2 0 0 9 - 0 5 1 5 作者简介: 薛刚( 1 9 6 8一) , 男 , 内蒙古 包头人 , 工学 博士 , 教授 , 研 究方向
9、: 工程结构损伤检测 。 基金项 目: 内蒙古 自治区 自然科学基金项 目( 2 0 0 8 0 4 0 4 MS 0 7 0 6 ) E ma i l : x u e g a n g一2 0 08 1 2 6 c o m L 1 2 , 跨度均为 2 1I 1 。在纵 向钢筋跨 中, 1 4跨处对 称布置电阻应变片 , 测量纵向钢筋应变。表 1为试 件设计参数。采用机械搅拌混凝土 , 混凝土配合 比 为: 1 m 混凝土 P C 3 2 5水泥 3 4 0 k g ; 水 1 7 5 k g ; 砂 7 3 0 k g ; 石子 1 2 0 0 k g 。 表 1 试件设计参数 Tab l
10、e 1 De s i g n pa r a m e t e r s o f t he s p e c i me n s 1 2试验装置及测试方法 试件的频率较高 , 因而支座的刚度要足够大 , 否 则会影响梁 的实测频率。为消除支座刚度对试件本 身动力特性 的影 响, 本文采用 图 1所示试验装置。 采用千斤顶作为加载设备, 反力 由钢结构门架提供 , 千斤顶上安放荷载传感器。试件置于滚轴式铰支座 上 , 滚轴放 在开有 V形槽 的钢板 上, 滚 轴直径 5 0 mm, 钢垫板放在平整地坪上 , 以减少人工锤击试件 时支座对梁的动力特性产生的影响, 滚轴式铰支座 中心线距离为 2 m。在 1
11、4梁跨处受拉钢筋埋设 电 阻应变片 , 以测试钢筋的应变状态 。在跨中逐级施 薛刚 , 等 : 损伤钢筋混凝 土简支梁模态频率变化规律试 验研究 4 7 加集 中荷载 , 每级荷载为极限荷载 的 5 1 0 , 试 验进程中始终 采用荷载控制 加载。基本 试验步 骤 为 : ( 1 ) 每一级荷载下持荷 1 2 mi n , 用 D H 3 8 1 6静 态应变测试系统测定 控制截 面受拉钢筋 的应 变 , 并 观察裂缝位置、 高度、 宽度 ; ( 2 ) 卸荷至零 ; ( 3 ) 在支座处设置压梁 ; 避免在锤击 中支 座跳 动 ; ( 4 ) 测试梁的动力反应 ; 用力锤锤击试验梁 , 依
12、 次敲击每个激发区 3次 ; ( 5 ) 卸除压梁 , 施加下一级荷载。 试验时选择多点移步激振 、 单点拾振 的模态分 析方法 , 用力锤激振 , 加速度传感器拾振。动力检测 基本程序为 : 信号放大一信号采集一信号分析。 一支 撑柱 反力 粱 拿 = = = 广 加速度传感器 厚钢板 图 1试 验 装 置 Fi g1 Ex p er i m e nt al s e t - u p 试验的模态分 析是在 D A S P( 大容量数据 自动 采集和信号处理 系统 ) 中完成 的。仪器连 接好后 , 启动 D A S P软件 。通过示波功 能, 利用力锤敲击各 测点 , 观察波形 , 检查仪器连
13、 接是否正确、 导线是否 连通、 传感器和仪器的工作是否正常, 调节放大器 的 放大倍数或 I N V程控放大倍数, 使力 的波形 和响应 的波形大小合适。在参数设置 中, 设置采样类型为 变时基 , 并根据仪器的参数确定工程单位和标定值 。 利用采样菜单 进行数 据采 集 , 每一 点 的敲击 次数 ( 即每测点 的采样块数 ) 为 3次 , 这样 经过平均后 , 可以有效地减小误 差。使用信 号分析 中的 自谱分 析, 可以获得梁的 自振频率 , 运用单踪时域分析 , 可 以查看波形 , 同时输出结果报告 。 2测试 结果及 分析 图 2为简支梁 L 5时域波形示意及频谱。对 每 次卸荷后
14、的频谱进行统计整理 , 得到各试验梁在不 同承载阶段 的前三阶频率值 , 表 2为试验梁 L 2前三 阶频率动测结果 , 其余梁的结果 略。 对简支试验梁的频率测试结果做如下分析 : ( 1 ) 典型试件 ( L 2 ) 的测试结果 : 加载为极限荷 载 3 0 时 , 各阶频率的变化很小 , 频率下 降率 : 一 阶 为 1 6 , 二阶为 0 9 , 三 阶为 0 8 , 加荷至极 限 荷载 5 0 ( 2 5 t ) 时 , 在跨 中梁侧面可观察到裂缝 , 、 , 一 八 、黑 謦 3 0 0 4 00 5 0o 频 率 Hz 图 2 L 2在不 同加载 阶段 时域 波形及频谱 Fi g
15、 2 W av e f o r m a nd f r e que nc y s pe c t r u m of L2 unde r d i f f e r e nt l o ad i ng s t ag e 表 2 各级 荷载 下 L 2的 自振频率 ( H z ) 及 其变化 率 Ta bl e 2 N a t ur a l f r e q ue nc y and i t s r e du c tio n r a t e of L2 unde r e ac h l oa ds t e p 此时频率开始明显下降。一阶、 二阶、 三阶频率下降 率分别为 3 7 , 1 1 和 5 2 。继续加荷
16、 , 裂缝加 宽 , 同时裂缝 高度增 大, 跨 中两侧 可观察 到多条裂 缝 , 接近极 限荷载时 , 跨 中裂缝为梁高度的一半 , 最 大裂缝宽度约 1 m m, 频率下降更为显著。极限荷载 卸除后 , 频率下降分别为 1 4 6 ( 一 阶) , 2 7 ( 二 阶 ) , 1 2 3 ( 三 阶 ) 。 ( 2 ) 加荷 中, 试验梁裂缝 大多出现在跨 中, 一 阶 与三阶振型位移在跨 中附近较大 , 频率的改变也相 应大, 而二阶振型位移在跨中区域较小 , 裂缝对二阶 频率 的影响也小。最后一级荷载卸 除后 , 1 2根简支 试验梁中, 有 7根 梁的二阶频率 降低 率不足 1 0
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