橋梁模型試驗(yàn)與新型測(cè)試技術(shù)2019年度研究進(jìn)展

洪彧 楊仕力 劉雨 楊永清 蒲黔輝

摘 要：橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)作為了解結(jié)構(gòu)真實(shí)受力行為及傳力機(jī)理最有效的手段之一，在學(xué)術(shù)界和工程界應(yīng)用廣泛?？偨Y(jié)了2019年橋梁模型試驗(yàn)的研究進(jìn)展，從靜力模型試驗(yàn)、疲勞模型試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和混合試驗(yàn)4個(gè)方面評(píng)述了典型案例以及依托模型試驗(yàn)開展的關(guān)鍵科學(xué)問題研究;并總結(jié)了模型試驗(yàn)相關(guān)的新型測(cè)試技術(shù)?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，橋梁模型試驗(yàn)是探究橋梁結(jié)構(gòu)新設(shè)計(jì)、新工藝、新材料安全性、耐久性及適用性的重要手段，也是準(zhǔn)確估計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)剩余壽命或承載能力的有效方式;針對(duì)模型試驗(yàn)發(fā)展的測(cè)試技術(shù)主要集中在結(jié)構(gòu)應(yīng)變、變形、加速度、溫度測(cè)試，以及結(jié)構(gòu)缺陷識(shí)別等方面。對(duì)橋梁模型試驗(yàn)與新型測(cè)試技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：橋梁;模型試驗(yàn);測(cè)試技術(shù);靜力模型試驗(yàn);疲勞模型試驗(yàn);振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn);混合試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U446.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：R ? 文章編號(hào)：2096-6717（2020）05-0001-13

收稿日期：2020-04-23

作者簡(jiǎn)介：洪彧（1989- ），女，博士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)受力性能研究、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，E-mail： hongyu@swjtu.edu.cn。

蒲黔輝（通信作者），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail： qhpu@vip.163.com。

Received：2020-04-23

Author brief：Hong Yu （1989- ）， PhD， main research interest： mechanical behavior of bridge structure， SHM， E-mail： hongyu@swjtu.edu.cn.

Pu Qianhui （corresponding author）， PhD， professor， doctorial supervisor， E-mail： qhpu@vip.163.com.

Abstract： As one of the most effective means to understand the real mechanical behavior and transmission mechanism of the structure， the bridge structure model test has been widely used in the academic and engineering fields. In this paper， the research progress of bridge model test in 2019 is summarized. The typical model test applications and the key scientific issues based on model test are reviewed from four aspects： static model test， fatigue model test， shaking table model test and hybrid test. In addition， this paper also summarized the new testing technology related to model test.Through the summary of this article， model test is an important method to investigate the safety， durability and suitability of bridge structures which use new design， new technology， and new material. And its also an effective method to evaluate the residual life or bearing capacity.The testing technology related to the development of model test mainly focus on measurement of strain， deflection， accelerated velocity， temperature， defect identification and so on.In the end of this paper， the development of bridge model test and new testing technology is prospected.

Keywords：bridge; model test; testing technique; static model test; fatigue model test; shaking table model test; hybrid test

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，線路對(duì)跨越江河湖海、山川溝壑的需求不斷增加，為適應(yīng)復(fù)雜多變的地理環(huán)境，各種形式的大跨橋梁應(yīng)運(yùn)而生。隨著橋梁設(shè)計(jì)中新材料、新工藝的不斷引入，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力特性、安全性、耐久性、適用性等需特別關(guān)注。盡管現(xiàn)代仿真計(jì)算已十分先進(jìn)，但研究人員仍常采用模型試驗(yàn)與仿真模擬相結(jié)合的方式來掌握結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力情況。模型試驗(yàn)與原橋試驗(yàn)相比，具有參數(shù)易控制、環(huán)境條件限制少、經(jīng)濟(jì)性好、針對(duì)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)易收集等優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)橋梁工程的發(fā)展有著不可替代的作用[1]。

近年來，伴隨新材料、智能化裝備以及5G技術(shù)的發(fā)展，橋梁模型試驗(yàn)技術(shù)水平不斷提高。筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研的方式，梳理了2019年度在靜力、疲勞、振動(dòng)臺(tái)、混合試驗(yàn)等方面橋梁模型試驗(yàn)與新型測(cè)試技術(shù)的發(fā)展情況，針對(duì)典型工程案例模型試驗(yàn)及開展的相關(guān)關(guān)鍵科學(xué)問題研究進(jìn)行評(píng)述，以期為廣大同行開展類似研究工作提供參考與思路。

1 靜力模型試驗(yàn)

1.1 主梁靜力試驗(yàn)

主梁作為重要受力構(gòu)件，其承載性能關(guān)系到整橋結(jié)構(gòu)的安全。為最大程度還原主梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，許多試驗(yàn)采取了對(duì)主梁全截面縮尺或截取局部截面進(jìn)行直接加載的方式。

探索新結(jié)構(gòu)、新材料性能方面，Wang等[2]設(shè)計(jì)并制作了3種考慮剪跨比的波形鋼腹板組合梁縮尺模型，研究了該結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形恢復(fù)能力、剪切力分布和應(yīng)變響應(yīng)等;張冬冬等[3]為研究基于新型纖維增強(qiáng)復(fù)材金屬空間桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，對(duì)一座跨度為24 m的輕量化、模塊化的應(yīng)急橋梁足尺模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)。

驗(yàn)證復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力方面，唐細(xì)彪[4]等對(duì)主跨730 m的大跨度箱形混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段展開模型試驗(yàn)，測(cè)試了鋼混結(jié)合段應(yīng)力、變形及界面滑移;He等[5]采用試驗(yàn)手段研究了云南怒江大橋鋼UHPC結(jié)合段在軸、彎、扭共同作用下的力學(xué)性能。對(duì)于諸如鋼混結(jié)合段的組合結(jié)構(gòu)，鋼混凝土交界面之間的滑移測(cè)試是研究組合性能與剪力連接件力學(xué)性能的關(guān)鍵，但現(xiàn)有設(shè)備往往很難直接從內(nèi)部測(cè)得鋼混凝土交界面的滑移分布情況，因而常采用外伸鋼筋法測(cè)量交界面的滑移[6]。同時(shí)，在混凝土澆筑過程中，如何保證內(nèi)部測(cè)試儀器的有效性也是難點(diǎn)之一。

維修加固方面，李艷等[7]通過工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料修復(fù)既有混凝土梁的彎曲試驗(yàn)，分析了界面粗糙度、ECC層厚度與既有混凝土梁損傷參數(shù)對(duì)修復(fù)梁界面粘結(jié)和受彎性能的影響。

主梁受力理論研究方面，鄧文琴等[8]對(duì)1片單箱三室波形鋼腹板雙懸臂梁進(jìn)行偏載和對(duì)稱加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了該梁扭轉(zhuǎn)與畸變微分方程的正確性;李立峰等[9]通過模型試驗(yàn)研究了鋼混簡(jiǎn)支組合梁的彎曲破壞模式和破壞特征，驗(yàn)證了其提出的完全剪力連接的鋼混簡(jiǎn)支組合梁抗彎承載力計(jì)算方法。

1.2 錨固區(qū)靜力試驗(yàn)

索梁（塔/拱、錨）及預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)等錨固結(jié)構(gòu)是傳力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，通常具有應(yīng)力分布集中、結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，其力學(xué)性能將直接影響橋梁的安全性與耐久性。錨固區(qū)靜力試驗(yàn)通常直接對(duì)所截取的錨固區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，因而對(duì)錨固區(qū)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吔鐥l件的模擬、加載的方式顯得尤為重要。同時(shí)，對(duì)于縮尺模型試驗(yàn)，在狹小的內(nèi)部空間如何布設(shè)測(cè)試儀器和如何通過縮尺模型準(zhǔn)確還原結(jié)構(gòu)行為也是此類靜力試驗(yàn)需要關(guān)注的重點(diǎn)。因而，試驗(yàn)時(shí)常采用增加非考察區(qū)域截面積的方式模擬原橋結(jié)構(gòu)的邊界條件，并減小圣維南效應(yīng)的影響，以達(dá)到應(yīng)力等效的目的。試驗(yàn)時(shí)也常通過在模型制作過程中提前布設(shè)測(cè)試儀器的方式來避免模型制作完成后測(cè)試儀器難布設(shè)的問題。

針對(duì)斜拉橋錨固區(qū)，劉新華等[10]以芙蓉江大橋塔頂5對(duì)斜拉索的錨固區(qū)段為對(duì)象，進(jìn)行1∶4的縮尺模型靜載試驗(yàn)，分析了錨固區(qū)塔壁和錨塊的應(yīng)力分布。黃運(yùn)林等[11]提出了一種可用于鋼牛腿支承型鋼錨梁的新型箱格式斜拉橋索塔連接構(gòu)造，通過1∶2縮尺模型試驗(yàn)對(duì)其受力機(jī)理與承載性能進(jìn)行了研究;肖林等[12]通過足尺模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法對(duì)斜拉橋鋼混組合索塔錨固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行了研究，并采用正交試驗(yàn)方法對(duì)索塔錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，進(jìn)而提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造如圖1。

針對(duì)懸索橋纜索錨固系統(tǒng)，王東英等[13]依托綠枝江大橋隧道錨工程，開展隧道錨1∶100室內(nèi)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，通過將轉(zhuǎn)向后的兩錨碇散股合束來控制兩錨碇荷載的同步施加，控制油壓泵和空心千斤頂分級(jí)加載，通過有效模擬散索鞍、主纜散股、預(yù)應(yīng)力管道、鋼絞線等傳力構(gòu)件，真實(shí)地還原了橋梁隧道式錨碇的傳力路徑和特征。

針對(duì)拱橋吊桿錨固區(qū)，詹剛毅等[14]采用靜載試驗(yàn)對(duì)剛架拱連續(xù)梁組合橋的銷鉸索梁錨固區(qū)傳力機(jī)理進(jìn)行了研究，試驗(yàn)采用逐級(jí)加載觀測(cè)其應(yīng)變和裂紋，探究模型試件在試驗(yàn)過程中的應(yīng)力變化，明確了吊桿中力的傳遞途徑。

1.3 橋塔靜力試驗(yàn)

橋塔可分為混凝土橋塔、鋼橋塔、鋼混組合橋塔和鋼管混凝土橋塔等。近年來，鋼混組合橋塔因施工方便、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)在橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。學(xué)者們?cè)谘芯看祟惤Y(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理時(shí)，往往都采用了靜力模型試驗(yàn)。

為研究組合橋塔的力學(xué)性能，彭強(qiáng)[15]開展南京長(zhǎng)江五橋鋼殼混凝土橋塔足尺模型工藝試驗(yàn)，模擬并測(cè)試了施工過程中混凝土的工作性能及溫度、應(yīng)變變化規(guī)律;鄧露等[16]以某獨(dú)塔斜拉橋?yàn)楸尘?，針?duì)橢圓形鋼混組合橋塔，進(jìn)行了1∶8的縮尺橋塔局部模型偏心受壓試驗(yàn)（如圖2），研究了設(shè)計(jì)荷載下鋼塔壁和塔內(nèi)混凝土的應(yīng)變變化規(guī)律及橋塔的承載力。

1.4 纜索靜力試驗(yàn)

纜索是斜拉橋和懸索橋等大跨度橋梁的主要承重構(gòu)件，李傳習(xí)等[17]通過縮尺模型試驗(yàn)研究了空間鋼絲繩主纜在三向荷載作用下截面的扭轉(zhuǎn)特性及扭轉(zhuǎn)角變化規(guī)律，揭示了空間主纜扭轉(zhuǎn)及正反扭原理;沈銳利等[18]通過縮尺模型試驗(yàn)研究了主纜力作用下的索鞍位移、輥軸接觸應(yīng)力分布規(guī)律和輥軸活動(dòng)性能;徐玉林等[19]對(duì)外包30 mm厚陶瓷纖維的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）纜索的耐火性能進(jìn)行了火災(zāi)試驗(yàn)研究;De Abreu等[20]對(duì)用于斜拉系統(tǒng)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度冷拔型鋼絲進(jìn)行了拉伸和橫向靜力加載試驗(yàn)，研究了其在承受靜態(tài)橫向和靜態(tài)及循環(huán)軸向載荷的失效行為。

1.5 支座靜力試驗(yàn)

橋梁支座是橋梁的重要傳力裝置，起著傳遞荷載和變形的作用。石開榮等[21]通過足尺模型試驗(yàn)對(duì)了大噸位復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)球型鉸支座力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并提出了軸壓荷載下的支座轉(zhuǎn)動(dòng)剛度模型。摩擦擺支座（FPS）支座是一種新型減隔震支座，具有自復(fù)位能力、隔震和消能能力強(qiáng)的特點(diǎn)。焦馳宇等[22]對(duì)FPS支座進(jìn)行了雙向加載擬靜力試驗(yàn)研究，得到了FPS支座的荷載位移滯回曲線與摩擦耗能情況。

1.6 剪力鍵推出試驗(yàn)

針對(duì)剪力釘或PBL連接件，F(xiàn)ang等[23]對(duì)26個(gè)不同螺柱高度、不同螺柱直徑、不同螺柱布置方式、不同橋面厚度、不同類型混凝土抗剪承載力、不同澆筑方式的抗剪混凝土鋼纖維體積進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，大螺柱直徑和高強(qiáng)混凝土提高了混凝土的抗剪能力和剛度，但失去了延性;熊炫偉等[24]對(duì)8個(gè)插入式試件進(jìn)行了推出試驗(yàn)，深入研究了基于活性粉末混凝土材料的PBL剪力鍵的受力性能。針對(duì)波形鋼板剪力鍵，宋瑞年等[25]參考Eurocode 4規(guī)范對(duì)開孔和無孔2類波形鋼板剪力鍵試件進(jìn)行了推出試驗(yàn)，測(cè)試了試件的抗剪剛度、抗剪承載力、加載過程及破壞模態(tài);王威等[26]設(shè)計(jì)了8個(gè)推出試件，研究波角和波谷長(zhǎng)度因素對(duì)黏結(jié)滑移性能的影響，考察了波形鋼板波角、波脊和波谷處混凝土黏結(jié)性能。在新型剪力連接件方面，Bamaga等[27]設(shè)計(jì)了推出試驗(yàn)以研究用于C形槽型鋼混凝土組合梁的新型剪力連接件（如圖3）的延性與強(qiáng)度;Kozma等[28]提出了可拆卸剪力連接件并進(jìn)行了相應(yīng)的推出試驗(yàn)，對(duì)其剪切強(qiáng)度、剛度、滑移能力、延展性和拆卸能力進(jìn)行了評(píng)估。

綜上所述，模型試驗(yàn)在探究各種橋梁構(gòu)件的靜力力學(xué)性能中發(fā)揮著重要作用。隨著橋梁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出輕型化、大型化的發(fā)展趨勢(shì)，更加復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件也隨之出現(xiàn)，必然對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)設(shè)備、邊界條件模擬等有了更高的要求。

2 疲勞模型試驗(yàn)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞模型試驗(yàn)

雖然正交異性鋼橋面板在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和維護(hù)方面進(jìn)行了許多改進(jìn)，但由于直接受車輪的反復(fù)加載而導(dǎo)致其疲勞開裂仍然是一個(gè)突出的問題。

Shi等[29]為研究鐵路正交異性鋼橋面加勁肋與橫隔板連接處疲勞敏感區(qū)的疲勞性能，進(jìn)行了同時(shí)包含2個(gè)U肋及2個(gè)V肋的正交異性橋面足尺疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D4所示，并進(jìn)行了560萬次疲勞加載，該模型將兩種不同形式的閉口肋合并在一起，保證了模型和原橋結(jié)構(gòu)的等效性，突出了閉口肋結(jié)構(gòu)形式對(duì)該疲勞敏感部位疲勞性能的影響，并減少了試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)量和試驗(yàn)流程，提高了試驗(yàn)效率。王會(huì)利等[30]為了研究某斜拉橋錨箱結(jié)構(gòu)的疲勞性能，采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法評(píng)估了錨箱的疲勞壽命，并通過足尺模型試驗(yàn)研究了錨箱超長(zhǎng)期服役的疲勞性能。

為改善正交異性鋼橋面的疲勞開裂問題，學(xué)者們提出了新型組合橋面結(jié)構(gòu)體系，希望能夠更全面解決橋面板的疲勞問題。樊健生等[31]通過14塊板件在集中荷載作用下的沖切試驗(yàn)，研究了UHPC組合板的抗沖切性能，如圖5所示。邵旭東等[32]通過疲勞推出試驗(yàn)對(duì)鋼超薄UHPC輕型組合橋面板的短鋼筋連接件的抗剪性能和疲勞性能進(jìn)行了研究。Yuan等[33]在通過疲勞試驗(yàn)對(duì)修復(fù)裂紋后并覆蓋UHPC層的橋面板的疲勞性能進(jìn)行了探究，試驗(yàn)結(jié)果表明修復(fù)后UHPC覆蓋層能夠改善正交異性橋面板的疲勞性能。組合橋面結(jié)構(gòu)的研究豐富了橋面結(jié)構(gòu)形式和理論體系，在橋梁工程領(lǐng)域具有較為廣闊的發(fā)展前景。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)橋梁疲勞模型試驗(yàn)

在長(zhǎng)期反復(fù)疲勞荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)橋梁也會(huì)發(fā)生疲勞破壞。宋力等[34]基于現(xiàn)有的測(cè)試方法，結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)和FRP智能鋼絞線感知原理，提出了重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞試驗(yàn)測(cè)試方法，并通過2根大比例模型梁驗(yàn)證了光纖光柵傳感技術(shù)在預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性，分析了重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞損傷演化機(jī)理和特征，為既有重載鐵路橋梁評(píng)估和加固提供了參考。Pu等[35]對(duì)24 m全預(yù)應(yīng)力比亞迪新型跨座式軌道梁足尺模型進(jìn)行了600萬次疲勞加載試驗(yàn)（如圖6），研究了該軌道梁疲勞后的剛度衰減程度。

2.3 纜索腐蝕疲勞試驗(yàn)

纜索是懸索橋、斜拉橋的重要組成部分，起著承重連接的重要作用，但纜索的腐蝕疲勞極大地降低了橋梁的使用壽命，影響了結(jié)構(gòu)的使用安全。纜索腐蝕疲勞是交變機(jī)械作用和腐蝕化學(xué)作用共同影響下的脆性斷裂過程，這種相互作用會(huì)導(dǎo)致材料的抗疲勞性能大大降低，是一種非常惡劣的失效形式。Ma等[36]討論了腐蝕鋼絲缺口尺寸與疲勞壽命的關(guān)系，并使用臨界區(qū)法預(yù)測(cè)了不同腐蝕等級(jí)下纜索鋼絲的疲勞壽命，該方法考慮了缺口試樣的臨界距離和平均應(yīng)力幅值，并在MTS平臺(tái)進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)以驗(yàn)證該理論。Wang等[37]建立了帶腐蝕坑鋼絲的數(shù)值模型，提出了腐蝕介質(zhì)與疲勞載荷耦合的損傷演化模型，描述了鋼絲的腐蝕疲勞損傷演化過程，并通過電鏡掃描驗(yàn)證了該理論。

除上述鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞、混凝土結(jié)構(gòu)疲勞和纜索腐蝕疲勞研究外，關(guān)于組合結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究逐漸增多，主要集中在研究疲勞引起不同材料界面滑移的機(jī)理、組合結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)，以及疲勞可靠度等。但疲勞模型存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)，加載方式相對(duì)單一，難以模擬多作動(dòng)器復(fù)雜工況下結(jié)構(gòu)的受力等不足。因此，適應(yīng)復(fù)雜工況的疲勞加載設(shè)備，新的疲勞試驗(yàn)技術(shù)是適應(yīng)橋梁發(fā)展趨勢(shì)的研究方向。

3 基于振動(dòng)臺(tái)的橋梁抗震模型試驗(yàn)

3.1 橋梁整體結(jié)構(gòu)抗震模型試驗(yàn)

相比擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)，振動(dòng)臺(tái)能較真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)在地震下的響應(yīng)全過程，是目前抗震研究中應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法之一。因此，眾多學(xué)者從橋梁結(jié)構(gòu)形式、施工方法和地震激勵(lì)模式等角度出發(fā)進(jìn)行了大量振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。邵長(zhǎng)江等[38]為研究獨(dú)柱橋墩的抗震性能，設(shè)計(jì)并制作了縮尺圓形截面獨(dú)柱墩簡(jiǎn)支梁橋模型，利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試并分析了橋梁在不同等級(jí)加速度下的損傷狀態(tài)及動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，如圖7所示。

孫利民等[39]在進(jìn)行樁土橋梁抗震性能研究時(shí)，制作了1/70的超大跨斜拉橋模型（包括上部結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)和場(chǎng)地土等在內(nèi)），選取7條地震波對(duì)模型結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了縱向和橫向多點(diǎn)激勵(lì)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)斜拉橋地震響應(yīng)的影響及其規(guī)律，以及地震波的峰值加速度和頻譜特性對(duì)樁土斜拉橋動(dòng)力相互作用體系振動(dòng)特性的影響及其規(guī)律。管仲國(guó)等[40]以蘇通大橋?yàn)楸尘埃O(shè)計(jì)了1/35幾何相似比的斜拉橋全橋模型，并分別進(jìn)行橫向減震體系、縱向減震體系以及傳統(tǒng)固定體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，測(cè)試了橋梁新型鋼阻尼器減震耗能裝置的性能。Yang等[41]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)鐵橋梁在地震激勵(lì)下的減隔震性能進(jìn)行了研究。

3.2 橋梁局部構(gòu)件抗震模型試驗(yàn)

韓國(guó)慶等[42]通過振動(dòng)臺(tái)雙向加載對(duì)成蘭鐵路空心橋墩的動(dòng)力特性及抗震性能進(jìn)行了研究（如圖8所示），并對(duì)比分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)圓端形薄壁空心墩抗震延性的影響。李佳文等[43]以配筋為0.3%和0.5%的少筋混凝土重力式矩形橋墩為原型設(shè)計(jì)制作了2個(gè)縮尺模型，以探究混凝土重力式橋墩的抗震性能。羅敏敏等[44]為研究加筋土柔性橋臺(tái)復(fù)合結(jié)構(gòu)抗震性能，以美國(guó)特拉華州的Guthrie Run橋的橋臺(tái)為原型制作了縮尺模型，并進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明加筋土柔性橋臺(tái)復(fù)合結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。Wen等[45]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了傳統(tǒng)摩擦擺支座（FPB）和新型三摩擦擺支座（TFPB）在橋梁上應(yīng)用的抗震性能和隔震效果，結(jié)果表明，TFPB能可靠地用于被動(dòng)控制橋梁的地震響應(yīng)，滿足高地震區(qū)基于性能抗震設(shè)計(jì)理念的要求。Brito等[46]通過單向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)所提出的一種具有低成本滑動(dòng)擺系統(tǒng)的新型鋼筋混凝土橋墩的抗震性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過建立適當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)面半徑，減小傳遞給下部結(jié)構(gòu)的剪力和殘余位移。

目前，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)多采用單個(gè)振動(dòng)臺(tái)對(duì)橋墩、橋塔以及支座進(jìn)行試驗(yàn)，且試驗(yàn)成本較高。隨著復(fù)雜地理環(huán)境下橋梁的規(guī)劃和修建，針對(duì)地震動(dòng)空間效應(yīng)的研究將會(huì)增多，采用地震臺(tái)陣對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)將是抗震試驗(yàn)進(jìn)一步的發(fā)展方向。

4 混合試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)混合試驗(yàn)（hybrid testing），又稱擬動(dòng)力試驗(yàn)（pseudo-dynamic testing）或聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，是一種將數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)相結(jié)合的新興結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法。自1992年提出以來，廣泛應(yīng)用于房屋結(jié)構(gòu)的抗震性能研究中，并逐漸應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能研究中。清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所、福州大學(xué)、北京建筑大學(xué)、湖南大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在混合試驗(yàn)技術(shù)方面均卓有成就。

袁輝輝等[47]對(duì)雅西高速干海子特大橋鋼管混凝土格構(gòu)柱橋墩縮尺模型進(jìn)行了擬動(dòng)力試驗(yàn)，研究在不同強(qiáng)度地震和主余震作用下此類結(jié)構(gòu)的變形、強(qiáng)度、剛度、耗能等抗震性能。研究結(jié)果表明：平綴管式鋼管混凝土格構(gòu)柱具有良好的抗震性能，在9度罕遇地震作用下，鋼管混凝土柱肢才會(huì)發(fā)生屈服，進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)。通過鋼管混凝土格構(gòu)柱在各地震工況下的強(qiáng)度與變形的驗(yàn)算，進(jìn)一步表明此類結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備和良好的變形能力，在經(jīng)歷多次強(qiáng)震后仍能保持一定的承載能力，在高烈度地區(qū)的橋梁工程中具有極大的應(yīng)用前景。Mei等[48]為研究剛構(gòu)橋薄壁空心截面高墩的抗震性能，提出了一種基于子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的混凝土本構(gòu)參數(shù)的在線修正混合仿真（UHS）方法，如圖9所示。采用該識(shí)別方法對(duì)一層樓框架內(nèi)的UHS進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證并將UHS應(yīng)用于鋼筋混凝土橋梁。結(jié)果表明，與未進(jìn)行模型更新的標(biāo)準(zhǔn)方法相比，所提出的參數(shù)辨識(shí)方法和相應(yīng)的在線更新方法具有良好的性能和魯棒性。針對(duì)模擬橋梁的地震反應(yīng)，給出了結(jié)構(gòu)的損傷演化和破壞模式。

混合試驗(yàn)可以解決實(shí)際結(jié)構(gòu)因尺寸、質(zhì)量等過大而引起的超過試驗(yàn)設(shè)備負(fù)荷等問題，相較于純有限元模擬，混合試驗(yàn)中模型的剛度由試驗(yàn)反推得到，它能夠記錄結(jié)構(gòu)在破壞過程中剛度的真實(shí)變化;相較于擬靜力試驗(yàn)，混合試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫亟沂窘Y(jié)構(gòu)在實(shí)際地震荷載作用下的響應(yīng);相較于傳統(tǒng)擬動(dòng)力試驗(yàn)，混合試驗(yàn)?zāi)芴岣邉?dòng)力方程的求解效率和精度;相較于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，混合試驗(yàn)可以提前定義質(zhì)量參數(shù)，不用擔(dān)心配重不足所引起的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)失真問題。然而，目前混合試驗(yàn)在橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能研究中較少，還需進(jìn)一步開發(fā)試驗(yàn)設(shè)備、加載控制系統(tǒng)以及優(yōu)化分析求解方法。

5 新型測(cè)試技術(shù)

隨著各種數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化現(xiàn)代設(shè)備和儀器的快速發(fā)展，新型測(cè)試技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對(duì)模型測(cè)試工作（包括受力狀態(tài)、微小變形、鋼及混凝土材料細(xì)微開裂破損等方面的探測(cè)和獲?。┑男屎唾|(zhì)量有著明顯提升作用。按測(cè)試目的大致可以分為以下幾類：1）應(yīng)力應(yīng)變;2）幾何位移;3）振動(dòng)加速度;4）混凝土裂縫及內(nèi)部缺陷探測(cè);5）金屬裂紋探測(cè);6）材料破壞探測(cè)等。

5.1 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

光纖法由于其優(yōu)秀的經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。Ye等[49]通過分布式和離散光纖傳感器（FOS）系統(tǒng)，測(cè)量結(jié)構(gòu)受力過程中的應(yīng)變變化過程，與傳統(tǒng)應(yīng)變片相比，大幅提高了測(cè)量精度。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)同樣可應(yīng)用于應(yīng)變測(cè)試，Guo等[50]測(cè)試不同抗壓強(qiáng)度的高強(qiáng)混凝土抗拉性能時(shí)，采用了應(yīng)變測(cè)量和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)來確定試樣的變形，如圖10～圖11所示。

5.2 幾何位移測(cè)試

以往位移計(jì)是測(cè)試結(jié)構(gòu)幾何位移最常用的儀器，隨著激光掃描技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等的發(fā)展，新的測(cè)試技術(shù)開始在位移測(cè)試中逐步擴(kuò)展。Bonopera等[51]運(yùn)用光纖光柵差分沉降量測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)了預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁位移，避免了監(jiān)測(cè)過程受環(huán)境影響和需要外部參考的問題。Ghaffar等[52]提出了一種基于宏觀彎曲損耗和光功率耦合效應(yīng)的二維位移傳感器設(shè)計(jì)方法。此外，雷達(dá)技術(shù)也可以用于變形、位移測(cè)試，王鵬等[53]將雷達(dá)技術(shù)引入了橋梁振動(dòng)變形測(cè)量與模態(tài)分析中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)時(shí)的連續(xù)變形監(jiān)測(cè)與模態(tài)分析。

5.3 振動(dòng)加速度測(cè)試

加速度計(jì)作為一種成熟技術(shù)被廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度測(cè)試，當(dāng)前不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)開發(fā)以適應(yīng)新的振動(dòng)測(cè)試需求。Zhang等[54]采用絕緣體上硅技術(shù)對(duì)已有加速度計(jì)進(jìn)行改造，研發(fā)了一種用于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)測(cè)試的電容式加速度計(jì)，有效提高了測(cè)試靈敏度。目前，還有基于視覺的振動(dòng)加速度測(cè)試技術(shù)。Luna等[55]使用DIC和常規(guī)方法對(duì)橋梁模型的三維動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及模態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)量，比較發(fā)現(xiàn)DIC技術(shù)可以更精確地監(jiān)測(cè)和捕捉橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

5.4 結(jié)構(gòu)溫度測(cè)試

在土木工程中，對(duì)溫度測(cè)量的精度和范圍一般要求都不高，一般精度在±0.5 ℃之內(nèi)且測(cè)量范圍在-60～120 ℃的溫度傳感器均可。常用溫度傳感器有：熱電偶、集成溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器。其中，光纖光柵溫度傳感器不僅具有易與光纖連接和可靠性高的特點(diǎn)，而且傳輸損耗低、易陣列，能實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)測(cè)量。溫度傳感器可用于監(jiān)測(cè)橋梁溫度場(chǎng)分布，以及測(cè)試混凝土產(chǎn)生的水化熱和溫度變化對(duì)橋梁受力影響[56]。

5.5 混凝土缺陷探測(cè)

混凝土模型結(jié)構(gòu)探傷最新技術(shù)包括超聲波、放射線法等。Nimrat等[57]運(yùn)用超聲波回彈技術(shù)探測(cè)了混泥土內(nèi)部損傷情況，并監(jiān)測(cè)、記錄了模型試驗(yàn)中愈合混凝土裂縫恢復(fù)過程。Miguel等[58]借助計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）觀測(cè)了循環(huán)荷載對(duì)纖維混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響（如圖12）。Carreras等[59]借助X射線照相法良好的記錄了復(fù)合材料載荷位移曲線及其分層生長(zhǎng)過程中裂紋前沿的形狀變化，觀測(cè)到豐富的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，如圖13所示。此外，聲發(fā)射技術(shù)也可用于混凝土結(jié)構(gòu)損傷評(píng)定，袁明等[60]實(shí)現(xiàn)了使用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土梁損傷的定量評(píng)估。

5.6 金屬裂紋探測(cè)

紅外線、金屬磁記憶、聲發(fā)射、渦流法等技術(shù)是金屬裂紋探測(cè)新技術(shù)中的主流，孫杰等[61]提出了采用主動(dòng)式紅外熱成像技術(shù)對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝進(jìn)行檢測(cè)的方法，有效進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂裝質(zhì)量的表征，并準(zhǔn)確判斷出涂裝、是否有缺陷及缺陷的形式位置，更可檢測(cè)并放大肉眼不可見缺陷。蘇三慶等[62]進(jìn)行Q235門式剛架擬靜力試驗(yàn)時(shí)，研究了金屬磁信號(hào)在不同受力階段的變化特征，并建立了磁信號(hào)及其梯度值與應(yīng)力集中部位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過金屬磁記憶技術(shù)較好的判斷了剛架應(yīng)力集中部位，以預(yù)防裂紋產(chǎn)生。渦流法一般用于監(jiān)測(cè)金屬劣化階段，Koichi等[63]分析調(diào)查渦流密度和磁場(chǎng)的分布，提出了一種渦流測(cè)試方法，提高了測(cè)試時(shí)對(duì)高碳纖維增強(qiáng)塑料的分層敏感性，如圖14所示。

5.7 材料破壞檢測(cè)

掃描電鏡常用來觀測(cè)材料的破壞界面，Pedram等[64]使用掃描電鏡研究了暴露一年之后環(huán)氧聚合物混凝土微觀結(jié)構(gòu)的變化，Maricely等[20]使用掃描電鏡確定了靜態(tài)橫向載荷與靜態(tài)循環(huán)拉伸載荷結(jié)合時(shí)雙相不銹鋼絲破壞和疲勞損傷機(jī)制，如圖15所示。金屬磁記憶技術(shù)同樣可用于金屬內(nèi)部腐蝕探傷，周建庭等[65]提出的基于金屬磁記憶技術(shù)的鍍鋅鋼絞線拉索腐蝕檢測(cè)新技術(shù)，成功解決了常規(guī)探測(cè)技術(shù)難以檢測(cè)鍍鋅鋼絞線拉索內(nèi)部腐蝕的問題。

現(xiàn)代高科技的引入讓高精度的無損測(cè)試逐漸成為主流，可更好的保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。主要體現(xiàn)在基于視覺技術(shù)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)無接觸測(cè)試、基于放射線、金屬磁記憶等技術(shù)的材料缺陷無損測(cè)試，以及基于高精度傳感器的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變和變形監(jiān)測(cè)等。然而，此方面也面臨一些問題，例如精度較高且靈敏度好的無損檢測(cè)儀器價(jià)格都比較昂貴;多技術(shù)綜合測(cè)試方法雖已出現(xiàn)，但總體來說還比較缺乏。

6 展望

基于上述研究可知，模型試驗(yàn)是探究各類新結(jié)構(gòu)或新材料力學(xué)性能的最有效手段之一，也是研究復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)體系安全性、耐久性、功能性的常用手段，新型測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)也為更深入地探析橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、傳力機(jī)理奠定了基礎(chǔ)，但橋梁模型試驗(yàn)存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、邊界條件難模擬、測(cè)試手段常規(guī)等問題，因而需要結(jié)合多種分析及測(cè)試手段開展模型試驗(yàn)。關(guān)于橋梁模型試驗(yàn)及測(cè)試技術(shù)的未來發(fā)展方向，筆者提出以下幾個(gè)建議：

1）試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展與建設(shè)：隨著橋梁跨徑、規(guī)模的不斷發(fā)展，橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸同樣不斷發(fā)展，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缗c規(guī)模同樣越來越大;相應(yīng)地，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?guī)模越大，試驗(yàn)加載模式亦更復(fù)雜，因此，對(duì)靜動(dòng)力的多向、復(fù)雜加載設(shè)備進(jìn)行研發(fā)的需求增多，如：大噸位多功能液壓伺服機(jī)（以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工況的模擬）、雙向/三向異相位加載系統(tǒng)（在疲勞試驗(yàn)中，需要考慮豎向、橫向、縱向多方向下不同加載力、加載頻率、加載相位的復(fù)雜受力模擬）、大尺寸鹽霧試驗(yàn)箱（溫、濕、鹽侵蝕、荷載耦合模擬復(fù)雜侵蝕環(huán)境）等。

2）高精度新型測(cè)試傳感器的發(fā)展：隨著試驗(yàn)要求的提高，為更深入地研究橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，需要發(fā)展更經(jīng)濟(jì)的高精尖測(cè)試傳感器技術(shù)，同時(shí)也將結(jié)合AI進(jìn)行智能測(cè)試，減少人為干擾，也一定程度保障了操作者的人身完全;此外，未來橋梁模型試驗(yàn)可能引入更多的醫(yī)療、機(jī)械、航天航空方面的測(cè)試方法，并結(jié)合5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高速無損傳輸。

3）無損探傷及金屬斷口電鏡設(shè)施：為了更深入地探究開裂或損傷的物理機(jī)理，需利用無損探傷設(shè)備及時(shí)準(zhǔn)確探測(cè)試驗(yàn)過程中混凝土開裂、鋼構(gòu)件開裂等現(xiàn)象;同時(shí)，后期試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞形態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)展高精度電子顯微鏡也將越來越重要。

4）模型試驗(yàn)成套技術(shù)的發(fā)展：針對(duì)不同種類的模型試驗(yàn)，從試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)、制作、加載，試驗(yàn)測(cè)試控制與試驗(yàn)后數(shù)據(jù)分析方面發(fā)展成套的試驗(yàn)技術(shù)體系，并結(jié)合數(shù)值分析手段進(jìn)一步拓展模型試驗(yàn)成果。同時(shí)，隨著試驗(yàn)測(cè)試數(shù)量的增多，發(fā)展相關(guān)數(shù)據(jù)的快速處理、測(cè)試誤差分離技術(shù)十分重要，將直接影響試驗(yàn)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 胡玲）