毛 健, 潘盛山

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024)

近幾十年來鋼管混凝土拱橋在國內(nèi)外得到了廣泛運(yùn)用,包括我國在內(nèi)的許多國家都對此類橋型進(jìn)行了研究.根據(jù)文獻(xiàn)[1]統(tǒng)計(jì),截止到2010年6月,在我國跨徑50 m以上的鋼管混凝土拱橋共327座,其中跨徑300 m以上的僅有9座.值得注意的是,在沒有較為完善成熟的設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)前提下,修建數(shù)量如此眾多的大跨度鋼管混凝土拱橋,其耐久性如何,服役一段時(shí)間后是否會(huì)出現(xiàn)大量的病害,是研究者關(guān)心的重要課題.

根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]統(tǒng)計(jì)鋼管與混凝土的界面脫空是必然的,并且這是鋼管混凝土拱橋的主要病害之一.文獻(xiàn)[4]認(rèn)為脫空使鋼管失去了對混凝土的套箍作用,混凝土局部受力截面削弱,并且降低鋼管混凝土拱橋的整體承載力,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用安全,因此鋼管混凝土界面脫空的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及加固顯得尤為重要.目前的鋼管混凝土界面脫空的實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)如表面波法、超聲波檢測法等[5],還都不夠成熟,而且成本較高,無法完成無損條件下的大范圍定量檢測.本文基于熱傳導(dǎo)理論及熱傳導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果,提出一種新的鋼-砼界面脫空的無損檢測方法.

1 基于熱傳導(dǎo)理論的鋼管混凝土拱肋界面脫空實(shí)時(shí)監(jiān)測的新方法

基于結(jié)構(gòu)測溫的損傷識別技術(shù)正在快速發(fā)展,紅外熱像技術(shù)就是利用結(jié)構(gòu)的熱輻射探測內(nèi)部損傷[6].因其操作簡單、實(shí)用,這種方法被越來越多地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的損傷識別.然而,由于紅外熱像儀成本較高,且檢測時(shí)受環(huán)境及被檢測結(jié)構(gòu)表面材料特性影響較大,制約了紅外熱像損傷識別技術(shù)的發(fā)展.

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論[7],不同材料的熱物理特性是不同的.由于鋼材、混凝土及空氣之間的熱物理特性存在較大差異,當(dāng)對鋼管混凝土構(gòu)件加熱時(shí)脫空區(qū)域和非脫空區(qū)域會(huì)形成溫度差.文獻(xiàn)[8]通過對試件加熱,利用紅外熱像儀檢測試件的溫差變化,可以很明顯的看出脫空區(qū)域與非脫空區(qū)域的溫度差異.

本文提出了一套全新的鋼管混凝土拱肋界面脫空實(shí)時(shí)監(jiān)測的方法:以界面脫空區(qū)域表面溫度為檢測對象,通過對構(gòu)件的加熱,利用分布式溫度傳感器采集表面溫度信息,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理描繪出構(gòu)件表面的溫度變化.通過這種溫度變化,結(jié)合熱傳導(dǎo)基本理論,推斷出脫空區(qū)域的位置.

實(shí)現(xiàn)這種新方法的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何通過檢測到的溫度差異來判斷是否出現(xiàn)脫空,本文將通過對比數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證這一問題.

2.1 材料的熱物理特性

自然界中的各種物質(zhì)都有其特定的熱物理特性并且各不相同,其中導(dǎo)熱系數(shù)是熱傳導(dǎo)理論中重要的參數(shù)之一.導(dǎo)熱系數(shù)表征了一種材料傳導(dǎo)熱量的能力,即單位時(shí)間內(nèi)相同的溫差和厚度條件下傳導(dǎo)熱量的多少.本文的研究對象,即存在脫空的鋼管混凝土中,鋼材、混凝土及空氣的熱物理特性有較大差別,具體詳見表1和表2.

表1 20 ℃時(shí)鋼材及混凝土的熱物理特性Table 1 Thermo-physical properties of steel and concrete at 20 ℃

表2 空氣在各溫度下的熱物理特性Table 2 Thermo-physical properties of air under different temperature

2.2 熱傳導(dǎo)理論基礎(chǔ)

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論[7],任意材料任意時(shí)刻的溫度場可用三維熱傳導(dǎo)方程描述:

式中,ρ為材料密度;c為材料比熱容;T為材料溫度;t為加熱時(shí)間;λ為導(dǎo)熱系數(shù).

2.3 鋼砼界面脫空的理論判斷

當(dāng)對鋼管混凝土構(gòu)件加熱時(shí),表面的鋼管溫度升高與鋼管下的混凝土以及脫空區(qū)域的空氣之間形成溫度梯度,而溫度梯度的存在是熱傳播的必要條件[7].熱量通過鋼管傳播給混凝土及空氣,根據(jù)導(dǎo)熱微分方程,空氣與混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大,導(dǎo)致鋼板的熱量在脫空區(qū)域和非脫空區(qū)域的傳導(dǎo)速率不同.混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較大,傳導(dǎo)熱量的速度較快,因此非脫空區(qū)域鋼管表面的溫度在沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)要比脫空區(qū)域鋼管表面的溫度高.通過這種溫度差異可以推斷出某區(qū)域內(nèi)是否出現(xiàn)界面脫空.

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型尺寸與材料參數(shù)

計(jì)算模型平面大小為40 cm×40 cm,高25 cm的混凝土方塊,中間預(yù)留22 cm×22 cm的空洞,深2 cm,頂部為6 mm的鋼材.各材料熱力學(xué)特性如上文中表1、表2所示.

3.2 加熱類型及邊界條件的設(shè)定

模型設(shè)定為對鋼板表面進(jìn)行面加熱,采用熱流密度的方式加熱,數(shù)值為800 W/m2;模型的其他邊界面采用自然對流邊界,其中內(nèi)部脫空部分與接觸的混凝土之間也采用自然對流,對流系數(shù)為8.7 W/m2.

3.3 結(jié)果分析

從圖1所示的結(jié)果云圖可以看出,鋼板表面的溫度成階梯狀分布,從中心向四邊逐漸減小.

圖1 鋼板表面溫度分布云圖Fig.1 Surface temperature of steel plate

圖2所示為從中點(diǎn)沿中心線到邊緣處各點(diǎn)的溫度.從圖2中可以看出脫空部分(0～11 cm)溫度由中心處的39.237 ℃緩慢變化到邊緣處的37.813 ℃,脫空區(qū)平均溫度為38.525 ℃.而非脫空區(qū)溫度變化顯著,從脫空邊緣的37.813 ℃急速變化到試件邊緣的32.118 ℃,平均溫度為34.966 ℃,溫度梯度較脫空區(qū)更為明顯.

由此可以看出,脫空部分與非脫空部分傳導(dǎo)熱量的差異性,這種差異就造成了鋼板表面的溫度差異,以此為依據(jù)便可以判斷出脫空區(qū)域的大致位置.

圖2 鋼板中心各點(diǎn)溫度對比Fig.2 Temperature contrast of the points in the center of the steel plate

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于熱傳導(dǎo)理論的鋼-砼界面脫空損傷識別方法的可行性和有效性,本實(shí)驗(yàn)利用碘鎢燈對試件照射加熱,測得試件表面溫度差異,以此進(jìn)行脫空損傷識別.

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)脫空試件進(jìn)行模擬試驗(yàn).試件尺寸與計(jì)算模型尺寸相同為40 cm× 40 cm,高25 cm的方形混凝土塊件,中間預(yù)留22 cm×22 cm的空洞, 深2 cm, 頂部安裝一塊鋼板, 板厚6 mm, 用來模擬鋼管混凝土. 具體如圖3所示.

圖3 試件構(gòu)造圖(cm)Fig.3 Thestructure map of specimen (cm)(a)—俯視圖; (b)—側(cè)視圖.

為避免預(yù)設(shè)脫空區(qū)外的混凝土與鋼板之間出現(xiàn)脫空, 在混凝土中摻入膨脹劑以補(bǔ)償收縮, 并在混凝土達(dá)到強(qiáng)度后馬上進(jìn)行試驗(yàn), 避免時(shí)間過長由混凝土收縮和徐變等因素可能引起的脫空.

4.1 試驗(yàn)方案

試件表面經(jīng)過打磨拋光處理后,在試件表面沿對角線方向分別布設(shè)4個(gè)光纖光柵傳感器用以測量鋼板表面溫度,將布設(shè)好的光纖光柵傳感器串聯(lián)接入光纖光柵解調(diào)儀,準(zhǔn)備測量.具體布置如圖4所示.

圖4 光纖光柵傳感器布置圖Fig.4 The layout of FBG sensors

4.2 界面脫空損傷識別

取實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的脫空區(qū)域傳感器A和非脫空區(qū)域傳感器D的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,得出圖5所示結(jié)果.可以看出,在40 min的加熱時(shí)間里前15 min內(nèi)升溫速率高于后25 min,脫空區(qū)域升溫速率2 ℃/min高于非脫空區(qū)域的升溫速率,15 min后溫度緩慢升高.脫空區(qū)域在加熱40 min后溫度高達(dá)42.6 ℃,非脫空區(qū)域溫度接近30 ℃,溫度差異明顯.降溫過程基本同升溫過程規(guī)律相似,開始降溫15 min內(nèi)溫度降低較快,脫空區(qū)域降溫速率高于非脫空區(qū)域,15 min后降溫緩慢,溫度低于15 ℃時(shí)脫空與非脫空區(qū)域基本相同.

圖5 隨時(shí)間變化各個(gè)位置的溫度Fig.5 Temperature of each position with the time changes

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,鋼管混凝土脫空區(qū)域與非脫空區(qū)域之間的溫度以及溫度變化速率存在明顯差異.兩者變化趨勢基本相同,脫空區(qū)域的溫度和溫度變化速率高于非脫空區(qū)域.降溫過程中,當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不再具有參考價(jià)值,因此降溫過程監(jiān)測中溫度不宜過低.實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇傳感器布設(shè)的方式和位置,以此檢測出脫空部分的大概形狀和位置.至于精確的反演計(jì)算,還有待進(jìn)一步的研究.

5 結(jié) 論

通過以上數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對比,得出以下結(jié)論:

(1) 混凝土與空氣之間的熱傳導(dǎo)差異可以明顯表現(xiàn)在鋼板表面,形成溫度梯度,證明利用不同材料的熱傳導(dǎo)特性檢測脫空區(qū)域的方法的可行性.

(2) 脫空區(qū)域溫度和溫度變化速率明顯高于非脫空區(qū)域,邊界位置有明顯變化.由此,可以通過合理布置傳感器進(jìn)行脫空識別.

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