基于频谱图的体外预应力混凝土梁频率分析

李景祥　孙树宝

摘要：体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一。关于其加固的混凝土梁的频率研究具有十分重要的意义，通过检测结构的固有频率变化评估预应力结构的使用状况和有效预应力大小已成为工程监测界的研究重点，本文通过测得的频谱图进行体外预应力混凝土梁的频率分析，为以后工程结构频率分析提供参考。

Abstract： External prestressing is one of the important branch of post-tensioned prestressing system. Frequency， the study of the reinforced concrete beam is of great significance， by detecting the structure of the natural frequency changes in evaluation of the usage and effective prestress on prestressed structure has become the research focus of engineering field. Based on the measured spectrum diagram， this paper analyzes the frequency of the externally prestressed concrete beam， and provides reference for later engineering structure frequency analysis.

关键词：体外预应力；频谱图；频率

Key words： external prestressing；spectrum；frequency

中图分类号：TU317 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0094-02

0 引言

目前体外预应力技术广泛用于桥梁工程及建筑结构加固工程中，体外预应力混凝土结构具有减小结构自重，方便检查，施工方便，不用预先成孔，省工序等优点，正如FIP荣誉主席R.Lacroix所说：毫无疑问，在20世纪90年代，体外预应力技术将伴随高强混凝土的发展成为技术上的必需品，更进一步的说，在21世纪初及未来的几百年，将开始把复合材料以及更多的新型材料与体外预应力结合起来，从而使土木工程从钢筋锈蚀的困扰中解放出来。

1 实验简介

本次试验设计了3根矩形截面体外预应力混凝土梁，编号分别为L1、L2、L3。梁截面尺寸b×h=170mm×320mm，梁的全长为4m，计算跨度为3.7m。每根梁的体外预应力筋采用两根低松弛7？准s5的1860级钢铰线，单根钢绞线的截面积为140mm2；上部架立筋采用2A8，下部受拉筋2C12，配筋率为0.6%；箍筋A8@200，混凝土等级为C60。L1梁的体外筋为直线型，端部偏心距为0；L2梁的体外筋为直线型，端部偏心距为70mm；L3梁的体外筋为双折线型，端部偏心距为0。

动力实验之前进行了材性实验，混凝土的实测抗压强度平均值为60.2MPa，弹性模量为3.6×104MPa；非预应力筋屈服强度为278MPa，弹性模量为2.1×105MPa；钢绞线的屈服强度为1750MPa，弹性模量为1.95×105MPa。

本实验分别进行了无损状态与损伤状态实验两种不同的工况，每种工况均采用分级加载的荷载加载机制，荷载加载至梁上部出现裂缝时停止，利用自动重力加载机对梁施加竖向荷载，试验中逐级获得梁的振动频谱图，频率采用DH3816振动测试分析，由预应力梁端部的力传感器测出预应力梁的张拉力值，采用静态电阻应变仪测出混凝土应变以及钢筋应变的数据。在混凝土梁及钢绞线的三分点、跨中位置布置应变片，钢绞线上的应变片每个位置采用间隔贴法，每个位置三片应变片。所有应变片均实验加载之前贴制完成。

2 实验结果及分析

2.1 无损伤状态试验结果分析

由于梁的不同工况的试验动态检测频率曲线图较多以及篇幅所限，本文只给出梁L3在张拉力0kN、80kN、160kN下的频谱图，如图1～图3所示。

由图中的频谱图可以清晰地判别出，混凝土简支梁在在张拉力值为0kN时的固有频率分别为：一阶频率为36.81Hz，二阶频率134.58Hz，为三阶频率为339.32Hz；张拉力值为80kN时梁的频率分别为：一阶频率为35.66Hz，二阶频率132.86Hz，为三阶频率为334.72Hz；张拉力值为160kN时梁的频率分别为：一阶频率为36.81Hz，二阶频率为135.13Hz，为三阶频率为345.08Hz。由此也可以发现，随着张拉力的增大，梁的频率先有少量减小接着随着预应力的增大逐渐增大，随着阶数的增大频率的绝对增大值更大，一阶频率没有增大，二阶频率为增大了0.55Hz，三阶频率增大了5.76Hz。

2.2 损伤状态试验结果

由于梁的不同工况的试验动态检测频率曲线图较多以及篇幅所限，本文只给出梁L3在竖向荷载分别为40kN、80kN、95kN下的频谱图，如图4～图6所示。

由图中的频谱图可以清晰地判别出，混凝土简支梁在竖向荷载为0kN时的固有频率分别为：一阶频率为36.81Hz，二阶频率134.58Hz，为三阶频率为339.32Hz；竖向荷载为40kN时梁的频率分别为：一阶频率为36.81Hz，二阶频率131.13Hz，为三阶频率为334.72Hz，一阶频率未产生明显变化，二阶频率减小了2.56%，三阶频率减小了1.36%；竖向荷载为80kN时梁的频率分别为：一阶频率为35.66Hz，二阶频率126.53Hz，为三阶频率为316.32Hz，一阶频率减小了3.12%，二阶频率减小了5.98%，三阶频率减小了6.78%；；竖向荷载为95kN时梁的频率分别为：一阶频率为24.15Hz，二阶频率98.92Hz，为三阶频率为272.61Hz，一阶频率减小了34.39%，二阶频率减小了26.5%，三阶频率减小了19.66%。由频谱图可以看出梁的频率随着竖向荷载的逐渐施加，梁的频率均在减小；随着竖向荷载的增大，频率的变化率也在不断地增大，当达到极限荷载时，一阶频率的变化最显著，说明梁的刚度对一阶频率的影响最大，而我们在研究梁的频率时往往都使用一阶频率值，所以有必要对梁的刚度做系统的分析，提出比较有效的刚度计算公式具有重要的意义。

3 结语

随着建筑工程及桥梁工程的不断老化，以及新兴结构的发展，对预应力技术的应用也将达到大力的发展，由于其施工的工期短、容易实施，便于检查等特性，在加固工程中将得到大量的应用，但对体外预应力加固结构的研究我们主要集中在加固结构的频率分析上，运用振动采集仪采集的频谱图可以清晰地判别出加固结构的各阶频率值，并分析其变化规律。在桥梁结构中，桥的频率影响对结构影响比较大，应用频谱图可以很方便的分析其频率变化。

参考文献：

[1]胡行飞.体外预应力混凝土梁固有频率研究[J].工程管理，2016（02）：133.

[2]熊学玉.体外预应力结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]应怀樵.波形和频谱分析与随机数据处理[M].北京：中国铁道出版社，1983.