水泥混凝土路面脱空振动映象测试技术
刘会勋,
摘
丁红岩
(天津大学 建筑工程学院, 天津 300072) 要:脱空是水泥混凝土路面常见病害,是造成路面板断裂的主要原因.当混凝土面板在受到瞬态激振后,其振动频率 主要与其脱空与否,脱空程度等因素有关,因此提出了基于振动频率的混凝土路面脱空振动映象检测技术.简述了振动映象测 试原理.对混凝土路面板进行了模态分析和模型试验,获得了面板在不种脱空情况下的振动特性.在对路面板振动频率因子分 析和路面瞬态振动信号频谱分析的基础上,发现路面板的振动频率对于脱空是很敏感的,从而建立了基于振动频率的混凝土路 面脱空判别标准.研究表明:当路面板下严重脱空时,其振动基频值通常小于 50 Hz ;当路面板良好支承时,其振动基频值一 般在 200 Hz 以上;当有低于 50 Hz 与高于 200 Hz 的两个振动基频同时存在时,表明路面板下存在轻微脱空. 关键词:混凝土路面; 无损检测; 振动映象; 脱空; 模态分析; 频率; 因子分析 中图分类号: 文献标识码:
由于路基不均匀沉降,重车荷载重复作用以及地 表水冲刷等不利因素的影响,从而使水泥混凝土路面 板的局部不能够再与板下路基保持良好的连续接触, 即形成了混凝土路面板下局部脱空.在车载的重复作 [1] 用下,脱空部位的边缘将产生应力集中现象 ,最终 [2,3] 将导致路面板的断裂 ,从而影响路面的行车状况. 如何检测混凝土路面板下脱空与否及程度大小, 工程实践中一直没有找到很好的办法.传统多是运用 贝克曼梁等弯沉仪器进行弯沉测定来评价路面板脱空 状况,但是测量方法比较麻烦,费时费力.近年来出 现了一些新的检测手段,如雷达测损技术,超声波路 [4,5,6] .由于传 面探伤技术,落锤式弯沉仪检测技术等 统的路面板脱空的测试技术和方法都很难满足当今的 工程需要,因此本文针对混凝土路面脱空的检测问题 将从动测的角度进行研究,以探索用于工程实际的快 速,简捷的检测新方法. 由于脱空与无脱空混凝土路面板的振动特性存在 着很大的差异,因此提出了基于振动频率变化的混凝 土路面脱空振动映象测试技术.图 1 为路面现场振动 映象测试方法的示意图.
信号接收装置 传感器 信号分析 力 锤 频率识别 脱空判定
弹性材料,地基的反力与该点的挠度成正比,而且地 基反力系数只和土体材料特性有关,在地基各处是一 常值.这一模型实质上认为三维弹性土体可以简单用 一系列具有相同弹簧系数的离散, 垂直线弹簧所代替, 因此在路面板振动的有限元分析中,对于良好支承的 路面板在其板下设置均布弹簧单元来模拟路基支承, 对于存在脱空的路面板,为了简化脱空计算模型,假 定脱空区内地基完全失去对面板的支承作用,即有限 [8] 元计算时脱空区内不设置弹簧支承 .图 2 为混凝土 路面板下存在局部脱空时的计算模型.
图 1 路面振动映象测试示意图 Fig.1 Testing schematic diagram of slab vibrating image 1.水泥混凝土路面板的振动分析 1.1 动力弹性地基处理方法 动力弹性地基的处理方法最为广泛应用的是温克 [7] 尔地基模型 ,认为土体是一种匀质,各项同性,线
基金项目:河北省交通厅科学基金资助项目(Y-0018) 收稿日期: 第一作者:刘会勋,男,博士研究生,1978 年 11 月生.
图 2 路面板下局部脱空计算模型图 Fig.2 Dimensional model chart of destructed slab 1.2 混凝土路面板振动模型分析 混凝土路面板的板间接缝对路面结构的静力变形 [9,10] ,这种约束不 和动态响应均具有一定程度的约束 [11] 同于普通固接或铰接条件 ,因此在路面板振动分析 时应考虑板间接缝的约束作用. 接缝的传荷机构主要有集料嵌锁和传力杆两类. 集料嵌锁类接缝传荷是靠材料间的咬合和摩擦作用, [9] 按照实际建模繁冗复杂,文献表明 接缝可通过等效 为一种各向同性的均质材料来模拟,有限元计算中采 用在对应的节点间设置弹簧单元进行力学模拟.传力 杆机构的传荷机理虽然在理论上增加了传力杆弯曲刚 [12] 度对荷载传递的贡献,但是这种贡献极小 ,因此有 限元计算中忽略传力杆弯曲刚度对接缝传荷的影响, 可将传力杆假定为一梁进行计算分析.
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利用有限元软件 ANSYS 进行瞬态锤击作用下混 凝土面板模态分析.国内外混凝土路面设计规范对路 面板下地基反力系数 k 的要求一般在 40~100 MPa / m 之间,取区间内几个工程中常用的地基反力系数设计 等级针对不同脱空类型的常见路面板类型进行了振动 计算分析,从而获得了混凝土路面板在各类脱空情况 下的振动特性.采用路基良好支承时路面板的振动基 频值作为路面板下是否存在脱空的判别标准,即若振 动基频在此标准以上时,说明路基良好支承,若振动 基频在此标准以下时,说明路面板下存在脱空. 2. 脱空混凝土路面板振动频率因子分析 多元统计学中的因子分析是通过研究变量间相关 矩阵或协方差矩阵的内部依赖关系,从而实现简化评 价系统的一种方法.针对不同脱空类型的混凝土路面 板振动频率计算结果进行因子分析,以探求脱空等因 素对路面板振动频率的影响程度.因子分析的基本过 [13] 程如下 : (1)假定有 n 个评价对象,其构成样本集为

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