光釬健康檢測在鋼筋混凝土梁中的數(shù)值驗證

朱水文

摘 要：本文在已有光釬健康檢測在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁靜載實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了有限元模型并進行計算。計算結(jié)果的變形模式和應(yīng)變分布與光纖檢測的結(jié)果吻合良好，驗證了光纖智能筋對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁健康檢測的可靠性。

關(guān)鍵詞：光纖;健康檢測;鋼筋混凝土;有限元

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全檢測方法，不但對結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，還可能對結(jié)構(gòu)造成破壞。為改進傳統(tǒng)的方案，越來越多的研究者和工程人員將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程檢測領(lǐng)域， 以檢測結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度、應(yīng)力、應(yīng)變及由外部荷載引起的損傷。先是歐美等工業(yè)發(fā)達國家將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控[1]，隨后，我國工程人員研究也成功地將其應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測，并取得了一定的研究成果[2-5]。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁靜載實驗，即是通過對梁體直接加載并利用各種試驗儀器來檢測梁體的應(yīng)變和撓度，從而確定梁體在外力作用下所發(fā)生的變化和梁體的整體工作狀態(tài)的。本文在已完成實驗的基礎(chǔ)上進行了有限元數(shù)值模擬工作。有限元數(shù)值模擬工作一方面是對試驗結(jié)果的驗證，另一方面，通過數(shù)值模擬，在證明模擬結(jié)果的正確的前提下，改變參數(shù)，可將試驗結(jié)果外推，可以得到試驗無法得到的結(jié)果，從而為制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范提供參考。

1 計算模型

按鋼筋模擬方法的不同，鋼筋混凝土有限元模型可分為組合式、整體式和分離式三種模型。本文采用了分離式建模方案，即鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋都單獨建模，通過CP（結(jié)點耦合）與混凝土單元連接在一起。Solid65單元模擬混凝土的單元。模擬鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋選用了Link180單元。本文的計算沒有考慮混凝土的開裂及鋼筋的塑性，將整個計算控制在彈性范圍內(nèi)。

將T梁的左端底部進行X，Y，Z方向的位移約束，右端進行X，Y方向的位移約束。在梁的上部沿對稱軸的1/4和3/4處分3級加載到16X104 N。

2 計算結(jié)果及分析

各級加載后的整體變形梯度是類似的，下圖1是加載16 X104 N時候的整體變形圖。

從圖中可以看出，越靠近中部的地方，變形越大，這與實驗結(jié)果比起吻合。

下面的圖2是將梁撓度隨載荷變化的實驗的數(shù)據(jù)與數(shù)值計算數(shù)據(jù)進行比較。

從圖中可以看出，但載荷在24噸以下時候，實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的結(jié)果比較吻合，但載荷進一步加大的時候，實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的結(jié)果偏差加大?？赡艿脑蚴?，但載荷偏小的時候，鋼筋混凝土梁處于彈性階段，計算中的彈性本構(gòu)關(guān)系滿足實際情況，而載荷加大后，混凝土發(fā)生小裂紋，鋼筋處于塑性階段，以及混凝土與鋼筋可能發(fā)生滑移等。

對比相同載荷作用下，跨中應(yīng)變的變化，實驗數(shù)據(jù)對比數(shù)值計算的數(shù)據(jù)普遍偏大，但實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果在同一數(shù)量級上。從應(yīng)變的變化規(guī)律上看，數(shù)值模擬的結(jié)果靠近上下端面的應(yīng)變大，中間位置的應(yīng)變下。與理論分析的情況比較吻合。

3 結(jié)論

應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS對T梁進行分離式實體建模并計算，將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)對于T梁的整體撓度與應(yīng)變，跟實驗千分表數(shù)據(jù)吻合良好。本文的計算結(jié)果表明應(yīng)用光纖智能筋對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁健康檢測是有效可靠的。

參考文獻

[1]Nikles， M; Thevenaz， L; Robert， PA.Simple distributed fiber sensor based on Brillouin gain spectrum analysis.OPTICS LETTERS，1996，21（10）：758-760.

[2]Huang S L， Huang M S， et al .Distributed Fiber Optic Tensile Sensing Using Backscattering Brillouin Heterodyne[C] .SPIE ， 1995;2507：158-161.

[3]杜陽陽.無損檢測技術(shù)在橋梁工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].交通世界，2019（17）：129-130.

[4]何愛勇，程華.光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程檢測中的應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2002，9（3）：211-214.

[5]潘超.無損檢測技術(shù)在道路橋梁檢測中的應(yīng)用價值分析[J].低碳世界，2019，9（06）：236-237.