文摘

桥梁在不同负载和环境影响,使他们失去他们的结构完整性。大量的桥梁结构缺陷或功能过时,需要立即注意。无损负载测试是一种有效的方法来测量桥梁的结构响应在不同加载条件下,确定其结构的完整性。本文提出一种测试研究,评估的反应与大吃刀预制桥预制甲板板在密歇根州。这个测试程序集成光学测量系统,传感器网络嵌入在桥甲板,表面偏差分析。它的主要贡献在于探索的嵌入式传感器网络最初安装长期桥监测负载测试。在许多经验教训,得出嵌入式传感器网络有巨大的潜力提供了一个有效和准确的方法获取实时等效静态应力在不同加载场景。

1。介绍

桥梁是一个国家的关键组成部分的地面交通基础设施系统,使人们的运动和货物从一个地方到另一个地方。桥梁暴露于负载效应和天气的影响,导致其恶化。联邦高速公路管理局(供)统计数据表明,大约20%的美国国家公路系统(NHS)桥梁和27%的美国要么是non-NHS桥梁结构缺陷或功能过时1),导致约152000座桥梁需要立即注意形式的维修或更换。因此,例行检查和负载测试需要获得良好的估计对桥梁响应和决策支持适当的维护和康复活动,以确保他们的结构完整性和安全2,3]。

近期的趋势,桥梁管理是利用传感器嵌入在桥梁结构监测桥梁的长期性能,在各种载荷和环境影响。考虑到监控数据,关于桥梁可靠性可以提取有意义的信息(4]。尤其如此,越来越多的采用预制桥梁施工技术。这项技术允许结构的预制组件进行离线控制环境下的高质量的预制结构组件预计执行较低的更好的维护需求,相比传统现浇混凝土桥梁(5]。通过减少现场施工时间,这种预制技术还可以节省施工时间,减少交通干扰(6]。由于其相对较短的历史在桥梁施工中,预制桥梁的长期性能数据是很少存在的,多次和传感器技术是用来监控他们的长期性能。这个场景中嵌入传感器在桥梁结构也是如此Parkview桥在卡拉马祖,密歇根州,作为一个完全预制系统建于2006年。线振应变式(传感器)是嵌入在预制甲板板形成一个传感器网络持续健康监测和状态评估。

而将传感器嵌入到桥梁的初衷是要不断监控他们的长期性能,这些传感器可以作为一个替代方法在无损测量桥梁的结构响应负载测试。介绍一个负载测试研究的结果来评估的反应Parkview桥在不同负载配置通过无损负载测试和嵌入式传感器网络的利用率。在这项研究中,一个负载测试方法,结合光学测量系统、嵌入式传感器网络和挠度分析设计和实现。本研究的主要贡献是它演示如何利用嵌入式传感器网络获取实时等效静态应力在不同加载场景。

2。桥负载测试

桥梁的实际响应负载通常是比理论的规定(7]。因素导致负载能力的区别包括意想不到的复合动作,载荷分布的影响,参与护栏,栏杆,限制,和公用事业,物料性质差异,意想不到的连续性,二级成员的参与,倾斜的影响,部分负载由甲板和意想不到的拱形行动由于冰冻的轴承7]。

由AASHTO[负载测试建议8)作为一个“有效的评估桥梁的结构响应的方法。“对现有桥梁进行负载测试的目的是评估结构响应而不造成损害。因此,负载测试通常是无损的方式进行,有时被称为无损负载测试。这种类型的测试的目标是比较场响应的测试负载下的桥以其理论响应(7]。无损负载测试可以进一步分为诊断测试和证明测试。诊断测试方法提供必要的测量来分析不同的负载效应(即。,moment, shear, axial force, deflection, etc.) present in various structural members due to applied loads [9]。验证载荷测试旨在确定负载的大小和配置,导致关键结构部件弹性极限的方法。

任务参与程序的负载测试通常包括测试目标的决心和加载配置,仪表的选择和布置,采用适当的分析技术,评估和测试结果的对比和分析结果10]。负载测试正在进行广泛的探讨和个案的方式来评估率桥响应新的建筑材料和技术(10,11]。而许多桥负载测试研究在文献中可以发现,这些研究对桥梁使用嵌入式传感器,这是本文的重点,几乎是不存在的。

3所示。测试下桥:Parkview桥

Parkview大桥位于卡拉马祖,MI。249英尺长的大桥我们- 131是特别相关的关于桥梁施工技术的进步和结构监测。成为第一个在密歇根州,Parkview桥的混凝土上层建筑是几乎完全预制,包括梁和甲板板。结构也有预制混凝土桥墩。这种配置允许快速的实现桥梁施工(RBC)技术。结构的第二个特征是一个网络的传感器嵌入到甲板板在铸造。这个传感器网络将持续监测桥梁的响应各种载荷和环境影响(温度变化)。

Parkview桥由四个跨越,从东到西约38岁,83年,83年,分别为45英尺。三个车道的交通支持七预制预应力AASHTO III型梁间隔7 8′′′。图1(一)提供了一个桥梁的横截面来说明梁间距和甲板分段尺寸。桥面由48预制nonprestressed 9英寸厚甲板板,在23度和posttensioned纵向倾斜;参见图1 (b)。甲板板内的传感器被放置在不同的位置和方向测量所有相关的目标强调,预计开发桥面。图2说明了位置和方向传感器嵌入到桥面的面板。

4所示。负载测试设计和实现方法

本节描述的目标、方法、相关的测试场景,负载配置和测试程序的设计和实现负载测试程序。

4.1。负载测试的目标和方法

的总体目标进行负载测试Parkview桥是量化其应对各种加载条件。具体目标包括测量roadway-surface变位由于各种活荷载,推导应力通过分析模型,从测量变形量和比较分析结果和结果来自传感器读数。

图3提出了一种描述方法和流程图用来执行测试任务。第一个任务是确定负载配置应该产生的最大时刻桥主梁和桥面表面的最大变形量。下一步是使用计算梁甲板综合剖面属性计算应力和变形量来衡量。Roadway-surface变位使用特林布尔Dini水平衡量光学测量精度为0.0012英寸(0.003048厘米)。压力来源于测量变形量比较强调来自传感器应变读数为验证和进一步分析。

4.2。测试场景

总共十负载场景,包括四个单一方向(1车)和六个双向(两辆卡车正方向相反),在本研究设计和实现。图4说明了跨中位置,测试负载被放置的地方。表1列出了测试场景加载位置。在负载测试之前,巷道表面海拔在这些跨中位置,并在桥墩上方位置(由三角形),测量前加载在表面提供一个基线。在负载测试期间,当加载到位,表面海拔在这些位置测量再次确定表面变形量由于特定的测试负载。

4.3。加载配置

两种类型的卡车是用来提供测试负载。图5说明了卡车的配置用于single-directional和双向测试。在这项研究中,使用只有一个卡车single-directional检测手段,而双向检测手段同时使用两辆卡车和当这两个卡车被迫对其预期的位置面对彼此。被选出的这些配置匹配两辆卡车,都包含在密歇根的组合法货车荷载配置。我的卡车在图类型5被选为近似匹配HS20设计卡车用于桥梁的设计。表2所有三个卡车提供了测量轴重量(一种类型我卡车和两辆II型)用于本研究。

4.4。负载测试过程

遵循下面的步骤。

步骤1。装载卡车近似AASHTO HS20密歇根和法律卡车配置和利用卡车重站来确定实际的轴的重量。

步骤2。基于实际车轴重量,马克一个点在每个卡车以这样一种方式,当这一点与甲板板跨中位置,卡车装载甲板板引起的最大时刻。

步骤3。虽然卡车正在加载测试前,调查人员设置并确定梁跨中位置和墩中心线位置如图4。这些位置标记为未来对齐卡车标志和中跨位置的步骤5。

步骤4。测量表面海拔点见图4为测试场景1建立一个基线。

第5步。I型卡车转向点47在图4(场景1)。卡车后,测量表面海拔高度确定桥梁挠度由于卡车负载。

步骤6。记录时间的卡车在位置和确保卡车呆在位置至少10分钟允许传感器注册他们的读数(传感器收集数据在5秒钟的增量在10分钟的时间,而这些读数平均)。

步骤7。卡车从桥上移动。

步骤8。重复步骤4来7剩余的测试场景。

4.5。控制温度变化

我们认识到环境因素,尤其是温度变化,可能会导致大的压力,当结构约束如桥梁,他们可以造成很大的压力,尽管线应变式self-temperature补偿。考虑到极端天气条件在密歇根州在冬天,常见负载测试研究至少应当温度变化的计划。在这个负载测试研究中,控制温度变化的影响的原计划是在早上开始测试和监控环境温度,当它下跌5°的范围内,测试暂停和恢复当天晚些时候,当温度冷却或第二天早上。事实上,当天下雨测试和温度变化是低于5°范围允许的所有10个场景测试一天。

5。负载测试的结果

负载测试程序进行了两次:第一次在2008年9月之前,这座桥是在2009年6月建成通车。第一次负载测试期间,传感器网络还没有操作。第二个负载测试期间,传感器网络功能,用于负载测试的桥。本节介绍了第二个负载测试的结果。

表3总结了表面变形量测量领域的第二次负载测试期间,十下加载场景。

5.1。实地测量验证

开发了三维块surface-deflection测量并与有限元(FE)仿真结果。图6说明了比较测试场景1。从野外观察获得的挠曲形状表面配的挠曲形状分析结果,提供从测试场景1的观察测量的信心。类似的比较进行了验证结果在所有10个测试场景。

5.2。高级纤维活载应力挠度测量

验证野外观察后,瞬间被来自表面变形量,和高级纤维应力计算使用以下两个PCI方程和使用在中跨简支的时刻(即。码头的,假设零时刻保守的结果中跨)[12]。的时刻在码头被计算跨距中点时刻使用分布因素从模拟获得,unit-force载荷模拟的卡车装载10场景, 在哪里:活负载力矩;:偏转(英寸);:部分弹性模量(4600000 psi);:复合截面的惯性矩(438913年⁴);:时刻(每磅);:跨度(英寸);:高级纤维到中性轴的距离(18英寸);:压力(psi)。

活载应力来源于挠度测量结果呈现在表4和5(负值表示压缩)。

5.3。高级纤维活载应力传感器读数

在负载测试期间,高级纤维株嵌入式传感器记录的桥面面板和下载到实验室计算机进行分析。尽管传感器安装在整个桥面,只有那些传感器位于纵向加载路径被用来推导活载应力和比较他们的压力来自变位。表6和7现在的压力来源于南面和北面的传感器面板,分别(负值表示压缩)。

5.4。总压力

活载应力被添加到静载应力计算基于结构设计和材料特性的这座桥获得的总纤维应力,然后允许相比压缩和紧张压力,确保结构在设计范围内不同载荷作用下的场景。从负载测试变位计算压力,我们保守假设简单支撑跨度时刻如下: 在哪里:活载时刻(每磅);:偏转(英寸);:部分弹性模量(4600000 psi);:复合截面的惯性矩(438913年⁴);:跨度(英寸);:高级纤维到中性轴的距离(18);:压力(psi)。

平均28天抗压强度()是记录为大约8000 psi从混凝土样本在铸造。因此,最大允许压力的具体如下:

表8提供了甲板静重强调结合表中给出的活载应力4通过7计算总强调了表9,10,11,12所有场景都使用挠度测量和传感器读数的方法。很明显从这些表的总应力在允许的范围内对所有测试场景的南、北面板。

6。讨论和结论

总的来说,负载测试有效地提供信息桥梁的结构响应。强调在所有的场景都是在最大允许的极限。压力值来源于菌株从传感器网络相比,那些获得来自测量变形量在每个位置和每个场景。一个例子比较强调由于活荷载的南甲板板在场景1如图7。这样一个比较会导致以下的观察:(我)活载应力一直在甲板上纤维小(压缩和紧张压力都小于50场景1 psi)。一般来说,由于活载应力比强调由于静负荷相对较小;(2)对于一个给定的位置在测试场景1,deflection-derived结果和sensor-derived结果一致的上层纤维压力是否在压缩或伸展;(3)在一个给定的位置在一个特定的测试场景中,甲板分段的上层纤维应力来自传感器读数是始终小于压力来源于挠度测量;(iv)上应力分布显示压缩纤维(积极的时刻)中跨位置卡车负载位于测试场景1和张力纤维(负力矩)邻近码头位置。压力的中点附近的跨度和码头位置与加载配置一致。

这些为所有10个场景进行了比较。观察两组的结果,前纤维由于活载应力相对较小的压力相比,由死载荷和温度变化引起的。然而,两组之间的差异应力计算是重要的,考虑到小压力值。压力来源于挠度测量值始终比那些来自传感器读数。同时,压力类型(拉伸/压缩)来源于挠度测量并不总是匹配来自传感器读数。换句话说,有些地方可能会压缩压力基于挠度测量传感器是阅读时紧张压力。这些差异可以解释如下:(我)当前的实践分析方法在计算强调是保守,这证实了桥梁执行的现实比理论方法预测;(2)保守的假设用于计算应力变位,即使用简支桥跨度时刻不断支持四个跨越,导致大的应力计算;(3)表面偏差措施包括压缩效果在轴承、松弛在组件,剪切变形,和码头/桩/帽子变形,导致一个更大的表面挠度比混凝土甲板本身;(iv)这座桥有一个3英寸的灵活的沥青覆盖上混凝土甲板板,可能导致更大的表面变形量比混凝土甲板是经历;(v)即使测量设备精度可以达到0.0012英寸(0.003048厘米),与方法不能消除人为错误。即任何测量变形量小于0.01英寸(0.0254厘米)可能被视为不准确由于消除人为错误的困难在阅读目标或垂直杆。因此,相信传感器提供更准确的结果比光学测量仪器,只要有可能,传感器,光学测量仪器,应使用桥负载测试;(vi)传感器不位于顶部纤维(18英寸(45.72厘米)的中性访问复合部分)。相反,它们是2.5英寸(6.35厘米)低于表面(由于防护罩要求)或15.5英寸(39.37)从中立的访问,导致一个略小的压力比顶部存在纤维。传感器读数和产生的压力可以调整来适应这种情况,也许减少分歧,但他们仍将是不同的。

先进的deflection-measuring仪器和技术可能会消除一些人的错误,但溢价成本。然而,在我们的案例中,因为传感器已经存在了桥面的健康监测的目的,他们提供了一个低成本、准确、快速的选择偏差测量负载测试方法。此外,在桥上安装了传感器,可以构造应力表面提供一个完整的视图的桥梁结构响应在不同加载情况下,一项功能,使用传统的测量方法很难实现。因此,本研究得出结论:嵌入式传感器提供更准确和精确测量的替代测量桥梁在各种负载下的结构响应。

确认

作者感谢密歇根交通部(MDOT)资助这项研究通过MDOT合同号。04 - 0090 / Z3。任何意见、发现、结论或建议本文中表达的是作者的,不一定反映MDOT或西密歇根大学的观点。