钢筋锈蚀对RC固端梁振动特性的影响.pdf
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1、第 43 卷第 5 期2023 年 10 月振动、测试与诊断Vol.43 No.5Oct.2023Journal of Vibration,Measurement&Diagnosis钢筋锈蚀对 RC固端梁振动特性的影响徐略勤1,2,陈叙先1,周建庭2,王佩1,高鹏1,阳珊清1(1.重庆交通大学土木工程学院 重庆,400074)(2.重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 重庆,400074)摘要 为了揭示钢筋锈蚀对钢筋混凝土(reinforced concrete,简称 RC)固端梁振动特性的影响,制作了纵筋直径分别为 14 mm 和 16 mm 的 2组梁 S14和 S16,每
2、组 4片,一共 8片。以 0%,5%,10%和 15%为目标锈蚀率对 2组梁开展电化学加速锈蚀试验,基于受迫振动法测试了 2组梁的振动特性,分析了交流电和环境振动两个干扰因素对测试准确性的影响,研究了纵筋锈蚀率、直径对 RC 固端梁振动特性的影响规律,探讨了荷载、截面刚度与频率之间的关联。结果表明:干扰因素对固端梁频率的影响可忽略,但对阻尼比有一定的影响,尤其是环境振动最大可产生43.62%的偏差;随着纵筋锈蚀率的增大,固端梁的频率不断下降,S14 和 S16 梁的最大降幅分别达 16.89%和8.13%,且纵筋直径越小,频率的降幅和降速越大;2组梁的阻尼比随纵筋锈蚀率的变化规律不一样,从测试
3、结果的可重复性、稳定性和规律性来看,频率均优于阻尼比;随着锈蚀率的增大,固端梁荷载和频率表现出类似的下降规律,两者表现出良好的指数关系,固端梁截面刚度的变化率是其振动频率变化率的 2倍。关键词 RC固端梁;振动特性;受迫振动法;钢筋锈蚀;纵筋直径;截面刚度中图分类号 TU375.1引 言钢筋混凝土结构因取材方便、造价廉低且具有较好的耐久性、耐火性等优点,被广泛运用于各种工程结构中。钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性下降的重要原因之一,其不仅会导致钢筋有效面积减小,还会使保护层混凝土开裂以及钢筋与包围混凝土之间的黏结损失,而且钢筋锈蚀后的维修更换不易处理。及时准确地掌握结构由于钢筋锈蚀而产生的性
4、能损伤,对正确评估结构的安全等级非常重要1。振动频率、模态振型和阻尼比等动力特性是结构物理属性的函数,结构因锈蚀等原因发生损伤和性能退化,往往会导致其动力特性发生相应的改变2。监测结构动力特性的变化简便可行,可为描述结构的健康状况提供良好的参考。通过监测结构动力特性的变化来识别损伤一直是研究热点,其中根据梁的固有频率和模态振型变化来识别损伤尤其受到关注34。这些研究通常将梁的损伤假想为 1条或多条非闭合裂缝2,从而将问题转变为开裂梁的振动分析问题56。实际上,RC梁开裂的原因不尽相同,由钢筋锈蚀所引起的开裂形态与开裂梁的假设并不完全一致。为了明确钢筋锈蚀的影响规律,不少学者以 RC 梁的阻尼比
5、为考察参数展开研究。文献 79 通过模态试验发现,随着钢筋锈蚀率的增大,RC梁的阻尼比出现了明显增大。Razak等10通过对 3根足尺 RC梁的模态测试发现,钢筋锈蚀会导致高阶模态的阻尼比增大,但第 1阶模态的阻尼比反而减小。汤红卫等11对悬臂 RC梁进行试验,发现钢筋锈蚀会导致构件的阻尼比增大。除了阻尼比以外,刘燕12实测发现,钢筋锈蚀导致 RC 梁的振动基频出现下降。Zhang 等13通过试验发现,RC梁的振动频率随着钢筋锈蚀率的增大而下降,认为振动频率可作为 RC 梁的健康监测指标。可以看到,由于钢筋锈蚀机理较为复杂,其对结构动力特性的影响目前尚末形成一致的认识,进一步明确钢筋锈蚀与结构
6、动力特性的关系,对基于动力测试的损伤识别技术的发展非常重要。笔者利用电化学加速锈蚀法制作了 2 组共 8 片RC梁,通过受迫振动试验对不同纵筋锈蚀率和不同纵筋直径的 RC 固端梁进行动力特性测试,得到固端梁的 1 阶模态参数(包括振动基频和阻尼比),以此研究 RC 固端梁动力特性与纵筋锈蚀之间的关DOI:10.16450/ki.issn.10046801.2023.05.018 国家重点研发计划资助项目(2018YFB1600300,2018YFB1600301);重庆英才计划资助项目(cstc2022ycjhbgzxm0133);重庆市教委科学技术研究资助项目(KJQN201900737);
7、研究生科研创新资助项目(2021S0020)收稿日期:20220103;修回日期:20220418振 动、测试与诊断第 43 卷 系,探讨以振动基频和阻尼比来评估 RC 固端梁锈损程度的可能性和合理性。1 试验概况1.1锈蚀 RC梁的设计与制备8 片 RC 试验梁的长高宽均为 160 cm18 cm12 cm,其尺寸与配筋如图 1 所示。试验梁的混凝土采用 C30,纵筋保护层厚度为 2 cm,梁底受拉纵筋为 2 根 HRB400 钢筋(直径分别为 14 mm 和16 mm),梁顶架立纵筋为 2根 HPB300钢筋(直径均为 10 mm),箍筋为直径 6 mm 的 HPB235 钢筋。8片试验梁
8、根据其纵筋直径的大小分为 2 组(S14 和S16),每组 4片梁。采用电化学加速锈蚀法对梁底受拉纵筋进行快速锈蚀,其过程如图 2所示。电源正极与纵筋相连,负极与放置在梁底面中轴线上的碳棒相连。正式通电锈蚀前,将试验梁置于浓度为 5%的氯化钠溶液中浸泡 48 h。为保证锈蚀效果,氯化钠溶液的淹没深度超过梁高的 1/3。在试验设计时,目标锈蚀率分别定为 0%,5%,10%和 15%,因此 2 组梁分别命名 为 S140,S145,S1410,S1415 和 S160,S165,S1610,S1615。根据目标锈蚀率,利用法拉第定律计算出通电时间15为t=ZFtm IM(1)其中:t为通电持续时间
9、;Z 为反应电极的化合价,即Fe变成 Fe2+所消耗的电子数,其值为 2;F 为法拉第常数,其值为 96 487 C/mol;t为纵筋目标锈蚀率;m为纵筋总质量;I为外加电流强度;M 为铁的摩尔质量,其值为 56 g/mol。按照式(1)计算得到通电持续时间,由于纵筋和箍筋的绝缘措施受到损坏等原因,实测纵筋锈蚀率远低于目标值,加速锈蚀结果如表 1所示。1.2振动特性测试方法采用人工激励下的受迫振动来获取试验梁的 1阶振动基频、阻尼比及振型等模态参数。由于试验梁较短,基频较大,振动信号易受干扰,简支边界会在支承处带来额外的干扰,导致测试结果不可靠。因此,在加速锈蚀试验结束后,将试验梁两端通过混凝
10、土基座固结,动力特性试验如图 3 所示。测试仪器包括橡皮锤、加速度传感器和信号采集器。5 个加速度传感器安装于梁顶中轴线 6 等分点位置,从左向右依次记为 1#5#。利用橡皮锤在 3#与 4#传感器中间位置对梁体施加竖直锤击,并通过信号采集器记录各个加速度传感器的响应信号。由于梁体刚度较大,橡皮锤等工具一般很难激发出试件的高阶模态,因此笔者重点研究 RC 固端梁的基本振动模态。本试验采用江苏东华公司开发的 DHDAS动态信号采集系统对加速度响应信号进行谱分析,使用快速傅里叶变换处理时程响应。为了保证测试结果的可靠性,每次采集 6组数据,并以平均值作为最图 1试验梁的尺寸与配筋(单位:mm)Fi
11、g.1Dimensions and reinforcement of test beams(unit:mm)图 2电化学加速锈蚀过程Fig.2Electrochemical accelerated corrosion process表 1加速锈蚀结果Tab.1Results of electrochemical accelerated corrosion编号S140S145S1410S1415S160S165S1610S1615t/%051015051015mt/g0190.8380.8572.90248.9498.6745.0I/A02.912.912.9102.912.912.91t/h0
12、69.1138.0207.6078.9158.0236.1mm/g024.7101.2222.2028.8174.7348.2m/%00.652.665.8200.583.507.01mt为纵筋理论损失质量;mm为纵筋实测损失质量;m为纵筋实际锈蚀率图 3动力特性试验(单位:mm)Fig.3Dynamic characteristic tests(unit:mm)968第 5 期徐略勤,等:钢筋锈蚀对 RC固端梁振动特性的影响终的结果。实测表明,根据 1#5#加速度传感器所得到的振动基频和阻尼比结果无明显差异,下面仅以 3#传感器的分析结果进行研究。2 试验结果分析2.1干扰因素的影响分析在对
13、 S14组试验梁第 1次采集到的数据进行模态分析时,发现所有频谱图中在 50 Hz 及其倍数处均存在明显异常峰值,初步判断这是因为实验室交流电的频率所导致,交流电测试结果的影响如图 4所示。为了消除该影响,将试验仪器与地线相连接,重新进行了测试。由图 4(a)可见,频谱图中的异常峰值全部被消除,频率加速度曲线光滑流畅,试验梁的 1 阶频率峰值更加明显,交流电的存在虽然会产生额外的异常峰值,但基本不影响试验梁的频谱曲线特征。由图 4(b)可见,交流电对 S14组试验梁基本模态参数的影响非常小,仅试验梁 S1415 的阻尼比在有无交流电的影响下略有差异,但也基本可以忽略。由于试验梁基本频率较高,采
14、用人工激励的方式受到很多干扰。为了保证结果的可靠性,本试验还对不同环境的影响进行对比测试。选取实验室2 个不同运作状态:仅有本试验在开展;有其他试验在同步开展,中间间隔 2 d,分别用 D1 和 D2 表示。实验室环境对测试结果的影响如图 5所示。由图可见,环境振动干扰对 2 组梁的实测结果均有一定的影响。对于 S14 组来说,环境振动干扰对 4 片梁的基本频率影响很小,2 条曲线基本重合;但对 4片梁的阻尼比影响较大,尤其是 S1410和 S1415,前者在 2 种环境下相差 43.62%,后者在 2 种环境下相差 28.22%。对于 S16组来说,环境振动干扰对 4片梁的基本频率和阻尼比的
15、影响均较小,S160 的基本频率在 2 种环境下虽有一定差异,但相差仅为1.73%。总的来说,环境干扰对 RC固端梁频率测试结果的影响可以忽略,对阻尼比虽有一定的影响,但不会改变阻尼比测试结果的变化规律。在实际工程中,由于结构或构件振动模态参数的测试精度容易受外界各种干扰因素的影响,导致实测结果的可靠性下降。本试验的对比分析表明,在一定范围内,交流电和环境振动对模态参数识别的不利影响是可控的。2.2锈蚀率的影响分析本节均以无交流电和无实验室振动干扰测试结果为对象进行分析。S14 和 S16 试验梁在 3#传感器处测得的锈蚀率对加速度响应曲线的影响如图 6所示。利用图 6 曲线进行傅里叶变换得到
16、频谱图,锈蚀率对频谱曲线的影响如图 7所示。由于每次手动锤击的强度无法保持完全一致,因此图 6 中的响应曲线在幅值和衰减规律上差别不一,很难得到有效的结论;但从图 7 的频谱曲线中可明显发现受拉纵筋的锈蚀对固端梁振动基频的影响规律。总体来看,纵筋锈蚀率越高,振动基频下降越明显。图 8为锈蚀率对模态参数的影响。由图可见,2组试验梁振动基频的 6 次实测结果非常接近,阻尼比的 6 次实测结果总体也比较接近,但各次间的差图 5实验室环境对测试结果的影响Fig.5Effect of laboratory environment on test results图 4 交流电测试结果的影响Fig.4Eff
17、ect of alternating current on test results969振 动、测试与诊断第 43 卷 异明显比频率高,尤其在锈蚀率较大时,如 S1615的 6 次 阻 尼 比 在 4.57%6.79%之 间,最 大 相 差32.76%。可见,从测试结果的稳定性来看,振动基频相对更可靠。从锈蚀率的影响来看,2 组梁的振动基频均随受拉纵筋锈蚀率的增大而下降,S14组的 4片梁从 266.4 Hz(无锈)降至 221.4 Hz(5.82%锈蚀率),降幅为 16.89%;S16 组的 4 片梁从 258.4 Hz(无 锈)降 至 237.4 Hz(7.01%锈 蚀 率),降 幅 为
18、8.13%。2 组梁的阻尼比随受拉纵筋锈蚀率的变化规律有所不同,S14 组 4 片梁的阻尼比随锈蚀率的增大先缓慢增大后突然剧增,数值从 0.91%增至6.67%,增大了 6.33倍;S16组 4片梁的阻尼比则先减后增,从 4.65%降至 1.41%,而后又增至 5.37%。对比已有研究可知,S14组的阻尼比实测规律与文献 7,9,11 的结论是一致的,而 S16 组则与文献8 的结论相一致。文献 10 认为,RC 梁 1 阶模态阻尼比随着纵筋锈蚀率的增大而减小,高阶模态阻尼比随着纵筋锈蚀率的增大而增大。通常认为,钢筋锈蚀后,其表面产生的氧化物会导致钢筋体积膨胀,在混凝土开裂前使得钢筋与混凝土之
19、间的黏结更密实,而当锈胀进一步发展后,钢筋周围的混凝土因承受环向拉力而呈现开裂状态,削弱了钢筋和混图 8 锈蚀率对模态参数的影响Fig.8Effect of corrosion ratio on modal parameters图 6锈蚀率对加速度响应曲线的影响Fig.6Effect of corrosion ratios on acceleration response curves图 7锈蚀率对频谱曲线的影响Fig.7Effect of corrosion ratios on frequency spectrum curves970第 5 期徐略勤,等:钢筋锈蚀对 RC固端梁振动特性的影响
20、凝土之间的黏结。因此,锈蚀对 RC 结构振动特性的影响机理较为复杂。从本试验结果来看,不论是在可重复性和稳定性方面,还是在变化规律性方面,固端梁的振动基频都更加可靠。2.3纵筋直径的影响分析S14 和 S16 的受拉纵筋分别是直径为 14 mm和 16 mm 的 HRB400 钢筋(纵筋率分别为 1.7%和2.2%)。纵筋直径对模态参数的影响如图 9 所示。由图 9(a)可见,在不同纵筋直径下,RC 固端梁振动基频的下降规律是一致的,但下降速度明显不同。若定义降幅比为降幅/锈蚀率增量,当纵筋直径为14 mm 时,固端梁的频率降幅比为 2.90;当纵筋直径为 16 mm 时,频率降幅比为 1.1
21、6。可见,纵筋直径越大,固端梁振动基频对锈蚀的敏感程度越小。在相同锈蚀率下,固端梁的纵筋直径越大,其振动基频下降越缓慢。在无锈状态下,采用不同纵筋直径的固端梁的频率非常接近,直径为 14 mm 的频率甚至略大,因此简单认为“钢筋直径越大,其对梁体截面刚度的贡献也越大”不够科学。由于混凝土材料的离散性,本研究的观测结论还需更多的试验样本来进一步验证。由图 9(b)可见,纵筋直径对固端梁阻尼比的影响规律不明显,在 2 种直径下阻尼比表现出完全不同的变化趋势,文献 10 也认为,阻尼比不能作为一个可靠的指标来表征纵筋锈蚀的影响。3 荷载与频率的关系振动测试结束后,对 2 组梁进行了静力破坏性加载,静
22、力加载方式与结果如图 10所示。受限于实验室加载条件,加载前将固端梁重新从混凝土基座中取出,然后按照简支梁 4点受力的方式进行加载,如图 10(a)所示。由图 10(b,c)可看出,2 组梁基本都以剪切或剪弯区下缘混凝土沿纵筋劈裂破坏为主,简支梁和固端梁的剪力分布是相同的,但固端梁会承受较大的负弯矩,因此按简支 4 点加载方式得到的极限荷载不一定能准确对应固端梁的极限承载能力。由于极限荷载与纵筋锈蚀关系密切4,而纵筋锈蚀又与振动特性紧密关联,因此探讨极限荷载与振动特性的关系对研究 RC 结构承载能力劣化及其合理表征有一定的参考价值。荷载与频率的关系分析如图 11 所示。在图 11(a)中,纵坐
23、标“标准化参数”是指锈蚀后的荷载(频率)/未锈蚀时的荷载(频率)。可以看到,随着锈蚀率的增大,2组梁的荷载和频率均下降,但荷载的下降速度先快后慢,而频率的下降速度先慢后快,显示出较明显的相关性。在图 11(b)中,fc和 Pc分别为锈蚀后的频率和荷载,f0和 P0分别为未锈蚀时的频率和荷载。由图可见,当分别采用 1-Pc/P0和 1-fc/f0图 9纵筋直径对模态参数的影响Fig.9Effect of longitudinal steel diameter on modal parameters图 10静力加载方式与结果Fig.10Static loading pattern and resu
24、lts971振 动、测试与诊断第 43 卷 作为横、纵坐标轴,2组梁的荷载和频率显示出更加良好的相关性。采用指数函数进行拟合时,相关性系数达到 0.997 3。由于数据样本较小以及支承条件的不对应,RC 固端梁荷载与频率的关系还有待进一步验证。4 截面刚度与频率的关系截面弯曲刚度的变化是 RC 梁性能劣化的重要指标之一。随着纵筋锈蚀的发展和锈蚀产物体积的变化,纵筋与混凝土之间的黏结状态首先会变得更紧密,然后随着混凝土开裂而受到削弱,这一过程会导致 RC 梁的截面刚度发生相应的改变。若忽略纵筋锈蚀所导致的梁体质量变化,则 RC 梁的振动频率主要由其截面刚度和支承边界条件所决定。等截面固端梁如图
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