预应力混凝土梁固有频率的试验分析.doc

1、1预应力混凝土梁固有频率的试验分析摘要本文对五根无粘结预应力混凝土简支梁进行了模态频率的试验研究。利用动力检测方法测试了预应力混凝土梁在各级预应力水平下的固有频率；以及预应力简支梁在不同损伤情况下频率的变化规律。 关键词: 预应力混凝土梁；动力检测；固有频率 Abstract: In this paper natural frequency of five pre-stressed concrete simply supported beam is researched. According to the analysis of natural frequency in levels pre-

2、stressed force through the technique of dynamic test, and experiment study on natural frequency variation regulations for different damage pre-stressed concrete beams. Key word: pre-stressed concrete beams; vibration test; natural frequency; 中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号： 房屋建筑、桥梁、水工等结构中大量使用预应力混凝土梁。然而在预应力混

3、凝土梁在施工和使用阶段，预应力会不断地损失，从而降低结构承载力和安全度，甚至引起结构整体垮塌。传统的检测方法很难准确地检测到有效预应力，除非在建造预应力结构构件初期就在构件中埋设2传感器之类的元件,否则很难准确地知道构件中预应力筋的实际受力状况1-11。因此，本文在实验室对无粘结预应力梁进行动力试验，研究预应力筋受力状况与预应力梁频率间的关系，以及预应力梁在各种损伤工况下梁的频率的变化，为进一步开展预应力结构的动力检测技术研究打下基础。 1 预应力混凝土梁动力试验概况? 1.1 试件模型 本文的试验对象为无粘结预应力混凝土简支梁，根据偏心距 e 的不同，共制作五根构件，编号分别为 PC-1、P

4、C-2 (e=100mm)，PC-3、PC-4(e=70mm)、PC-5(e=0)，梁的几何尺寸如图 1 所示。无粘结预应力筋采用低松弛 1s15.24 钢绞线，截面积 mm，MPa，混凝土的配比为：水泥：砂子：石子=1:1.90:2.86，水灰比为 0.44，,外加剂(GL-B3-1)为1.74?C，实测混凝土抗压强度为 38.8MPa, 试件实际长度 L4 000mm，计算长度 L03 700mm，两端采用铰支座支承。 图 1 预应力梁示意图 试验装置及试验步骤 试验装置及位移计布置如图 2 所示，在受拉、受压钢筋及钢绞线的跨中、三分点以内贴电阻应变片（型号 BX120-3AA） ，混凝土

5、上的电阻应3变片(型号 S2120-80AA)贴在梁的跨中，梁的上下各贴一片，梁的侧面贴四片，用以测量钢筋、钢绞线及混凝土的应变。采用油压千斤顶加荷，用钢分配梁将荷载传递到试验梁的三分点上。 图 2 试验装置 振动测试系统的主要构成为：击振锤、加速度传感器、调理放大器、智能信号分析仪、DASP 数据分析软件及计算机。如图 3 所示。 图 3 动力测试系统 试验主要步骤为： （1）施加预应力前，用力锤在第 1 至 17 点轮流瞬态激振，每一点敲击两次，采用压电式加速度传感器单点拾振，测取梁的初始模态参数 （2）分级施加预应力，分别测出梁的模态频率。 4（3）静力加载分三步：加载至梁已开裂，控制荷

6、载为破坏荷载的50；加载至梁的裂缝已扩展，荷载控制在破坏荷载的 70-80；加载至梁破坏，荷载不在上升。每级荷载下持荷 1 分钟，然后卸载，分别进行模态频率测试。 2测试结果及分析 图 4 为试验梁 PC-2 在张拉力=90kN 时的时域波形和其对应的频谱曲线图。本文分析了三根试验梁，表 1 为梁在各级预应力水平下的一阶、二阶、三阶频率，表 2 为梁在各不同损伤工况下频率。 图 4 时域波形图和频谱曲线图 表 1 预应力混凝土梁频率实测值 表 2 试验梁各损伤状态下实测频率值 5从试验数据得到： （1）预应力筋张拉力从 0 到 150kN，PC-1 梁一阶自振频率减小了1.15Hz，变化率为

7、2.86%，二阶自振频率减小了 1.15Hz，变化率为0.74%，三阶自振频率减小了 2.15Hz，变化率 0.76%；张拉力从 0 到180kN，PC-3 梁一阶自振频率减小了 1.13Hz，变化率为 2.57%，二阶自振频率减小了 8.38Hz，变化率为 5.4%，三阶自振频率减小了 7.87Hz，变化率为 2.7%；PC-5 梁一阶、二阶自振频率没有变化，三阶自振频率减小了1.12Hz。 （2）无粘结预应力混凝土梁随着损伤程度的加重，频率逐渐减小。如 PC-1，当裂缝可以观察到，高度为 40mm 时，一阶、二阶、三阶频率的分别降低 0.79%、0、0.54%，当裂缝的高度扩展到 120m

8、m 时，频率分别降低 7.48%（一阶） 、2.52%（二阶） 、1.49%（三阶） ；梁已破坏，频率分别降低 21.76%（一阶） 、11.69%（二阶） 、3.17%（三阶） 。 3 结论 （1）偏心距不为零的无粘结预应力混凝土梁随着预应力增加，梁的各阶频率减小，这与简支梁弯曲振动自振频率随着轴压力增大而降低基本相符，并且梁的频率变化对初始施加预应力较为敏感；预应力筋布置在梁的中心，一阶、二阶频率不随预应力变化而变化，三阶频率变化非常微小。 （2）无粘结预应力混凝土梁通过竖向加载造成不同程度损伤后，随着损伤程度的加重，频率逐渐减小。裂缝刚出现，频率降低很小，这是由于预应力的作用，卸载后梁的

9、裂缝闭合，因此频率降低很小。在同一6损伤情况下，一阶模态频率较二、三阶频率的变化率大，这说明低阶模态频率对试验梁损伤较为敏感。在工程检测中，可以参考这一试验结论对试件损伤进行检测。 参考文献 1张耀庭，蔡利建，张长跑，李瑞鸽. 梁式预应力混凝土结构检测方法的研究现状J. 工业建筑，2005，35(11)：84-87. 2杜进生，刘西拉. 基于结构变形的无粘结预应力筋变化研究J. 土木工程学报，2003，36（8）：12-19 3杜思义，殷学纲，张卫民. 基于摄动有限元方法对梁结构损伤的识别J. 世界地震工程，2006，22(2)：114-118. 4 吕志涛. 新世纪我国土木工程活动与预应力技

10、术的展望J. 东南大学学报， 2002， 32(3)： 457-459. 5 易伟建，刘霞. 基于遗传算法的结构损伤诊断研究J. 工程力学, 2001, 18(2): 6471. 6 薛刚，李奉阁，刘海生. 损伤钢筋混凝土简支梁模态频率变化规律试验研究J. 四川建筑科学研究，2011，37（2）：46-54 7 曹冰预应力混凝土梁的动力损伤诊断研究D湖南大学，2006：23-27 8Saiidi M, Douglas B, Feng S. Prestress force effect on vibration frequency of concrete bridgesJ. Journal of

11、 Structural Engineering, 1994, 120 (7): 233-241. 79 Vimalanandam V, Sai S, Sreenath H G, et al, Esti2 mation of residual prestress in uninstrumented res2 tressed concrete structures using SSRHT in wiresJ. Indian Concrete Journal, 2000, 74(11): 631-636. 10 Kim Jeong2Tae, Yun Chung2Bang, Ryu Yeon2Sun, etal. Identification of prestress2loss in PSC beams using model information J. Structural and Mechanics,2004, 17(3-4): 467-482. 李荣，硕士研究生，工程师 电话 13848209099 ，邮箱