混凝土裂缝损伤对结构的哪些影响？

由于目前基于桥梁动力信息的损伤识别方法存在不少问题，本文尝试性地采用结构自重作为损伤识别分析的外部信息，在此基础上分析混凝土裂缝损伤对结构的哪些响应变量有重要影响，以及影响的性质有什么不同，从而找到能较好的反映结构损伤的物理量，并通过光纤传感器和传统电测应变片的对比试验，验证了光纤传感器用于损伤识别的可行性。

【关键词】混凝土梁；损伤识别；应变检测1.前言（1）损伤识别是桥梁健康监测的重点与难点，目前国内外许多大型桥梁均埋设了长期健康监测系统，利用这些系统在自然风荷载或行车荷载作用下获取的结构动力信息，基于动力信息开展了大量损伤识别理论研究，但是在研究中发现：环境噪音严重，影响损伤识别的准确性；结构动力特性对小损伤不敏感，难以捕捉早期损伤；动力信号的测试精度相对较低，识别精度难以保证；对于中小型重要桥梁，难以测试结构动力信息。（2）光纤传感器与传统的传感器相比具有测量精度高、动态范围大、频带宽并可实现绝对测量以及抗电磁干扰、耐腐蚀的特点，而且光纤体积小、柔软可弯曲，能以任意形式复合于基体结构中而不影响基体的性能。光纤传感系统最具优势的地方在于它可同时作为传感元件和传输媒介，便于与光纤传输系统联网，以实现系统的遥测和控制。所以，把光纤传感器埋入混凝土结构中，用于各种参量的测量是比较理想的方法，因此本文尝试将光纤传感器应用到损伤识别中来。（3）由于损伤识别是一个标准的反问题求解问题，存在解不唯一等客观理论难点，课题组在理论研究上遵循如下技术路线：首先进行损伤的正分析，了解混凝土裂缝损伤对结构的那些响应变量有重要影响，以及影响的性质有什么不同；其次将损伤识别问题分解为损伤出现识别、损伤位置识别与损伤程度识别等相对简单的问题，力争解决其中的一到两个问题。本文主要进行损伤识别正分析的探讨，关于第二个论题由于篇幅原因，另撰文论述。2.不同位置、不同深度的裂缝对结构应变与挠度的影响分析（1）分别在结构完好的小梁、跨中深20mm裂缝的1#小梁、跨中深37mm裂缝的1#小梁、跨中深80mm裂缝（2）为了分析不同位置、不同深度的裂缝对结构应变与挠度的影响情况，1#小梁六种结构形态在均布荷载与集中荷载作用下的应变与挠度响应变化见图7、图8、图9与图10。由图7、图9可见：即使小梁在完好状态下应变分布出现了跨中应变小于1/4处应变的反常现象，初步分析可能在1/4处出现了微裂纹；随着跨中人为裂缝的逐渐加深，靠近裂缝一侧的应变逐渐释放，应变值降低，但是1/4微裂纹处的应变持续增加，其他部位的应变几乎不受裂缝扩展的影响。由图8、图10可见：随着裂缝不断扩展，相同荷载下结构挠度持续增加，说明构件刚度持续降低，同时构件全长的挠度均受到影响。3.裂缝扩展对应变与挠度的影响分析为了进一步分析裂缝扩展对应变与挠度的影响，在2#小梁上做了没有人为裂缝和跨中裂缝120mm、1/4处斜裂缝170mm的两种结构形式在均布荷载作用下的对比试验，电阻应变片与百分表的布置基本同1#梁。做出两种结构形式下应变与挠度对比见图11与图12，由图可见：在跨中与1/4处存在裂缝一侧的应变均不同程度降低，而其他部位的应变几乎不受影响，但是挠度在构件全长均受裂缝出现的影响。4.光纤传感器在损失识别中的应用为验证光纤传感器能够敏感地感应混凝土裂缝地出现与扩展，在1#梁跨中人为裂缝为0mm、20mm、37mm、80mm、100mm分别记录混凝土光纤传感器与钢筋光纤传感器采集的混凝土应变，作出混凝土应变与钢筋应变随裂缝扩展的变化情况见图13与图14。由图可见：由于光纤传感器设置在裂缝附近，因此能够敏感地感应混凝土开裂；其中混凝土传感器跨越裂缝，因而应变值随裂缝扩展而持续增加；而钢筋传感器在裂缝一侧，裂缝扩展到钢筋所在位置前，应变增加，但裂缝扩展到钢筋所在位置后，位于裂缝一侧的应变释放，因而读数减小。裂缝与传感器相对位置见图15。5.结论5.1损伤识别变量的选择：应变对局部损伤敏感，但是感应的范围有限；挠度是个全局变量，感应的范围比较广，但是难以用于损伤定位。5.2应变量的变化与裂缝、应变片的相对位置、裂缝扩展程度有复杂的非线性关系，因此进行损伤定位与程度计算的难度较大。5.3实际工程应用时，如果不能实现光纤传感器的分布式布置，应该将挠度监测手段与应变监测手段相结合，用挠度变量识别损伤的出现，利用应变变量进行损伤定位的识别。