基于非线性振动技术的预应力混凝土梁损伤检测

摘要

预应力混凝土结构在使用期间，由于荷载、疲劳、腐蚀、老化及环境条件等众多不利因素的相互影响，将不可避免地产生损伤积累，导致混凝土开裂、预应力损失，甚至突发性事故。因此，在役预应力混凝土构件的工作性能评价，特别是决定了整个构件性能的预应力钢筋的工作状态的评估，是当前结构健康检测与监测的一个重要方面。本文从结构的非线性振动出发，对预应力混凝土梁的非线性特性和损伤的关系进行了探讨。
　　 本文首先介绍裂缝、材料的非线性所导致的钢筋混凝土梁振动非线性，盲源分离技术原理和Hilbert变换。然后描述了预应力混凝土简支梁静载试验和二级等幅值疲劳试验，试验中采用光纤光栅锚索计和应变片来采集钢绞线的预应力值。在各损伤状态下对试验梁进行动力测试，采用盲源分离技术对构件在各损伤状态下的实测振动信号进行分析，得到一阶分离振动信号，再对一阶分离振动信号进行Hilbert变换，得到各损伤状态的频率-时间曲线和振幅-时间曲线，形成频率-振幅曲线族。最后，尝试着用裂缝的“呼吸”效应和钢绞线预应力变化对裂缝开合程度的影响来解释试验梁的非线性动力特性，并探索将非线性动力特性用于预应力混凝土结构的损伤检测。
　　 对比静载试验和疲劳试验的频率-振幅曲线，它们的共同点如下：1)瞬时频率随着梁振幅的减小而增大，且在振幅较小阶段，频率变化更大；2)钢绞线压缩构件，减小开裂区域的残余应变，影响裂缝的闭合，也就影响了裂缝的“呼吸”效应，从而影响构件的非线性特性；3)对于预应力混凝土梁，由模态识别方法得到的不同损伤状态的基频可能非常接近，但它们的非线性振动特征区别很大。
　　 它们之间的区别为：静载试验中，梁在裂缝产生前后的两个状态，非线性振动特征发生很大改变；非线性振动特征初期随梁损伤的增大而加强，到普通钢筋屈服前达到最大，后期随损伤的增大而减弱。在低幅值疲劳阶段，预应力混凝土梁随着损伤的积累，其非线性动力特性是一个先增强再减弱的趋势；而在高幅值疲劳阶段，预应力混凝土梁的非线性动力特性则呈现出单调递减的趋势。
　　 本文的分析表明，采用非线性振动特征对预应力混凝土结构的损伤进行检测是可行的，而且非线性动力特性更适合应用于预应力混凝土结构的损伤检测研究。