钢筋混凝土结构的损伤识别
2008年6月
第25卷第2期
三明学院学报
JOURNAL OF SANMING UNIVERSITY
Jun．2008
V01．25 No．2
钢筋混凝土结构的损伤识别
吕晓，，王逢朝：，李振宝，
(1．北京工业大学建工学院，北京100022；2．三明学院土木建筑工程系，福建三明365004)
摘要：文章介绍了钢筋混凝土结构的一些常用损伤it．J；q模型和损伤检测方法．指出了它们的不足，进而提出了用裂缝
判别损伤程度的方法，为震后短时同内恢复结构使用功能的维修加固工作提供依据。
关键词：钢筋混凝土；地震：损伤；变形：裂缝
中圈分类号：'I"0375 文献标识码：A 文章编号：1673--4343【2008)02-0221--03
The Detection of Damage in Concrete Structures
LV Xiao 1．WANG Feng—chao 2 LI Zhen—ba01
ti．College《Civil Engineering and Archhecture，Be每吨University ofTechnology，Beijing 100022,China；
2．Department of Civil Engineering，Sanming University,Sanming 365004,China)
Abstract：The article introduces some models in common USe and some methods for evaluating and detecting slructural
damage of reinforced concrete buildings．The deficiency of them was pointed out．Then，suggesting a method for evaluating
damage witll cracks．It could provide useful information for structure reinforcement and repair which are used for restoring
function of structure rapidly．
Key Words：reinforced concrete；earthquake；damage；distortion；crack．
0引言
随着断裂力学的发展和维修加固业的兴起．
关于钢筋混凝土结构或构件损伤识别模型和损伤
检测方法的研究越来越多。中国地处世界上两条
大地震带f环太平洋地震带及欧亚地震带1之间，是
一个多地震国家。近四千年来。在除浙江外的绝大
部分地区都曾发生过较大震级的破坏性地震。我
国的地震形势非常严峻。众所周知．震后救灾工作
的顺利进行对减少损失起着至关重要的作用。这
就需要在最短时间内判断出桥梁、医院等重要结
构的破坏程度．进而通过维修加固恢复其使用功
能．为全面的救灾工作争取时间。而现有的理论和
方法都无法满足上述要求。裂缝作为结构损伤的
标志之一。如果能够用于损伤识别．将弥补现有方
法的不足，成为一个既直观又有效的判别指标。
1地震损伤破坏理论的发展
损伤指标或损伤变量通常定义为反应过程中
某一累积量与其允许限值的比值。常用D来表示。
收稿日期：2007—12—02
作者简介：吕晓(1982-)，男，河南驻马店人．硕士研究生。
D在【O，l】间单调增长变化，D取0表示结构、构件
完好无损，D取1表示结构、构件已经完全破坏。
归纳起来主要从以下三个方面着手【，】：①退化；②
变形；③变形和能量的综合。
1．1用退化描述的损伤
退化主要包括结构构件强度、刚度、有效截面
面积、每次循环滞回耗能、低周疲劳寿命等的退
化。实际上所有的损伤描述都是从某一角度出发
的材性退化描述。损伤力学中，对一维损伤状态的
描述为截面有效受力面积的减少翻：
肚竽
式中：A是原截面面积．A是损伤后的有效面积。
依据材料力学性能退化的损伤识别比较直观而且
易于接受．但它们过多地依靠模型假设且计算比
较困难。
1．2用变形描述的损伤
这里所说的变形是广义的变形：包括结构的
位移、构件的塑性率、不可逆塑性变形及塑性应变
等。用变形描述的损伤指标属于单参数模型，该模
一222一 三明学院学报 第25卷
型的通式可表达为：
蹦嚣，”
其中△．为某指标控制损伤是否发生的阈值(当变
形指标小于这一值时不产生损伤)，用于单调加荷
冲击破坏时，△。，△。取某一反应量的最大值和极
限值：当用于累积破坏时。要采用相应累积破坏理
论，△．可简单取为累加值。但要表达同样耗能水
平下大幅循环应比小幅循环破坏严重这一事实。
f A ^1“损伤可表达为：D=I∑(孚)。J，△i是第i个半
【 uⅡ J
循环的反应量值．如累积滞回耗能、累积塑性变形
等．b是大于1的参数用于反映滞回环幅值对损伤
的影响。从抗震设计而言。我国现阶段抗震规范采
用的是保证承载力条件下的变形控制准则．可以
理解为通过控制变形来限制结构损伤。通过变形
描述的损伤指标，物理意义明确．在一定程度上能够
反映刚度的退化，便于理解和应用。但它们无法全面
描述混凝土构件在承受反复荷载时的损伤。
1．3用变形和能量的综合描述的损伤
目前．被地震工程界普遍接受的是Park和
Angt习(1985)基于大量钢筋混凝土梁柱破坏实验建
立起来的规格化最大位移和规格化滞回耗能线性
组合的双参数地震破坏模型。表达式为：
嗜j邛齿
式中，6。为地震作用下构件或结构的最大变形，龟
为单调荷载作用下构件或结构的极限变形．
仇为屈服强度计算值，血为累积滞回耗能，口为循
环荷载影响系数。后来许多研究者根据研究结构
类型的不同，对公式(1)给出的模型进行了修正。
得到了其他的双参数模型。但这些模型本质是相
同的．认为结构最大反应和累积损伤的破坏界限
将相互影响．随着累积损伤的增加．结构的最大反
应的控制界限将不断降低；反过来，随着最大反应
的增加，结构累积损伤的破坏界限亦不断降低。该
理论反映了：结构的地震破坏是由于大的位移幅
值脉冲和循环荷载效应的联合作用所引起的。能
很好地解释地震动三要素(幅值、持时、频谱)对
结构地震破坏的影响。但是该模型计算比较复杂，
且准确性也过度依赖于组合系数的选取。
2常用混凝土损伤检测方法
对工程结构进行健康诊断与损伤探测的研究
已有60多年的历史．出现了许多不同类型的损伤
检测方法与技术，大致包括①无损伤检测；②无损
伤与有损伤相结合检测；③基于振动的损伤检测
等【4】。
2．1混凝土无损检测方法
早在20世纪30年代初．人们就已开始探索
和研究混凝土无损检测方法．并获得迅速发展。
1930年首先出现了表面压痕法．1935年格里姆
(G．Grimet)、艾德(J·J·Ide)用共振法测量混凝土
的弹性模量．1949年加拿大的莱斯利(Leslie)和奇
斯曼(Cheesman)、英国的琼斯(R·Jones)等运用超
声脉冲法获得成功。随后，其他学者也相继开展了
一些这方面研究，并取得了一些研究成果，形成了
较为完整的混凝土无损检测体系。常用的无损检
测技术有超声波法、射线法、红外线法、雷达法、声
发射法、自然电位法等。
2．2无损与有损相结合检测方法
目前国际上通用的有损检测方法主要有钻芯
法、拔出法等。有损检测方法。其值直观可靠，但会
造成结构(构件)的局部破坏，其测点数量也受到
严格的限制。因此将无损伤检测方法与有损伤检
测方法结合起来．利用有损伤检测方法的直观性
和准确性．来校正无损伤检测方法的推定值已成
为人们广泛研究与应用的课题。
2．3基于振动的损伤检测方法
通过钢筋混凝土结构的动力响应或动力特性
的变化来对钢筋混凝土结构的整体性能进行损伤
检测的方法，称为基于振动的损伤检测方法15,61。具
体来说就是通过振动测试、数据采集、信号分析与
处理．根据钢筋混凝土结构系统的动力特性来反
推钢筋混凝土结构的质量、刚度、阻尼等物理特
性。其核心思想是认为钢筋混凝土结构的模态参
数。即固有频率、模态阻尼、模态质量、模态刚度、
频率响应函数、位移模态、应变模态、曲率模态等，
是钢筋混凝土结构物理参数．即质量、刚度等的函
数。钢筋混凝土结构存在损伤，必然引起其物理
参数的变化．从而导致模态参数的改变，通过检
测钢筋混凝土模态参数就可以实现对其损伤的
检测【Ⅻ。
3用裂缝描述钢筋混凝土结构的损伤
值得指出的是地震发生后一些重要的工程．
如桥梁等．必须通过采取一些方法在短时间内修
复加固，达到继续使用的目的，从而为震后更广泛
的救灾救援工作争取时间，使损失降到最低。而以
第2期 吕晓等：钢筋混凝土结构的损伤识别 -223—．
上所提出的损伤模型和损伤检测方法都无法满足
对混凝土结构做出迅速判断的要求．因此有必要
找到这样一个指标．既能通过它快速判别出结构
或构件的损伤程度，又能做到准确有效。
裂缝是钢筋混凝土构件损伤的最直接体现．
我们不但可以看到裂缝的发展趋势．而且能够很
方便地得到其宽度。如果能够用裂缝作为评价结
构或构件损伤程度的指标．就能弥补以上损伤模
型及检测方法的不足．对损伤程度进行快速有效
的判别。下面分析其合理性及可行性。从断裂力学
的角度来看．当荷载达到一定值时。钢筋混凝土构
件出现初始裂缝．并且随着荷载增加．外力功逐渐
转化为能量．一部分以应变能的方式储存在材料
内部。另一部分提供裂缝扩展所需的表面能。梁的
延性越好．即变形能力越强。储存的应变能也就越
多。由此可见。震时及震后裂缝综合反映了变形和
吸收能量的影响。进而反映了构件的损伤程度。因
此．裂缝可以代替双参数地震破坏模型的损伤指
标，用于钢筋混凝土构件的损伤识别。
目前．可以借助裂缝观测仪或放大镜等工具。
甚至用肉眼方便地观察到裂缝的发展趋势．发展深
度，宽度等信息。通过对裂缝的研究．可以找出主要
裂缝信息(例如：残余裂缝宽度)与损伤程度的关
系，把可修复范围定义为两个阶段。如图1所示：
损伤度
凝土压碎
残余裂缝宽度
图1裂缝修复的两个阶段
其中。修复界限I表示损伤较轻的情况．修复界限
Il对应破坏较严重的情况，当然还可以分得更细。
这样我们可以通过裂缝宽度快速判别出结构的损
伤程度，为接下来的维修加固工作提供依据。
4基于裂缝宽度的检测方法应用
我国设计规范191规定，在正常使用阶段，一般
屋盖和楼层的梁。裂缝宽度允许值为0．2～0．3ram。
一般而言。对应于该限值，钢筋混凝土结构在遭受
地震或其它偶然荷载作用后．残余裂缝宽度约为
O．05mm。而当残余裂缝宽度达O．6ram时．结构受
载时的最大裂缝宽度一般已达2ram．认为破坏严
重，已无可修复价值。由此可见，对已损伤钢筋混
凝土结构．可以用残余裂缝宽度分级评价如下：
残余变形∞=0—0．05mm。为正常使用状态；
残余变形∞=0．05．0．3mm．定义为修复阶段
I，损伤程度较轻：
残余变形∞=0．3—0．6ram．定义为修复阶段Ⅱ．
损伤程度较重：
残余变形∞>o．6ram时．损伤严重。已无修复
价值。
在实际工程的震后损伤检测中．可以用裂缝
观测仪方便、快捷地测得结构构件的残余裂缝宽
度，针对以上评价准则，判定结构的损伤程度，评
价结构的可修复性．进而选取合理的加固方法对
结构进行加固补强。
5结论
文章提出的以裂缝作为损伤评价指标的方
法．能够快速有效地判定钢筋混凝土结构或构件
的损伤程度，从而为维修加固工作提供重要信息。
它将能够在震后救灾过程中发挥极其重要的作
用。不过。本文只是阐述了用裂缝作为混凝土结构
损伤识别的可行性。若用于实际工程中，还需要大
量试验来检验。
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(责任编辑：叶普)
钢筋混凝土结构的损伤识别
作者： 吕晓， 王逢朝， 李振宝， LV Xiao， WANG Feng-chao， LI Zhen-bao
作者单位： 吕晓,李振宝,LV Xiao,LI Zhen-bao(北京工业大学,建工学院,北京100022)， 王逢朝,WANG
Feng-chao(三明学院,土木建筑工程系,福建,三明365004)
刊名： 三明学院学报
英文刊名： JOURNAL OF SANMING UNIVERSITY
年，卷(期)： 2008，25(2)
引用次数： 0次
参考文献(9条)
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,这样在某时刻以不同损伤指数表达的构件剩余寿命(1.0-D<,1>与损伤指数增量ΔD<,1>之比,都等于使构件完全失效时对应的继续循环加载周数.利用灾
种等效关系定义了新的损伤指数,可以在构件的反应参量和破坏机理之间建立起联系.作为实际应用给出了一种基于截面刚度退化的低周反复荷载作用下
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组合模式和低周反复荷载作用下规格化最大位移与规格化极限滞回耗能的关系.通过引入与加霬路径有关的能量项加权因子β<,i>,由定义的临界延性系
数υ<,0>和能量等效系数γ<,E)计算,提出了新的改进形式.改进的Park-Ang双参数地震损伤模型规格化最大位移与规格化极限滞回耗能是非线性组合,可
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定性对其计算结果几乎没有影响,这就给应用带来了便利.(3)邻梁碰撞问题建模技术基于直杆共轴碰撞理论建立了令染碰撞问题的分析模型,为分析桥梁
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的桥墩试件滞回耗能和损伤分析计算数据,给出了改进的Park-Ang双参数地震损伤模型的简化计算和损伤分析计算数据,给出了改进的Park-Ang双参数地
震损伤模型的简化计算方法,为将其应用于基于结构性态抗震设计的能力谱方法中提供了初步的基础.(5)多跨长简支梁桥落梁震害分析以滦河桥为例,采
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10.期刊论文 艾庆华.李宏男.王东升.孟庆利.司炳君.AI Qinghua.LI Hongnan.WANG Dongsheng.MENG Qingli.SI
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到预期的延性抗震要求.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_smgdzkxxxb200802024.aspx
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