在役预应力混凝土空心板梁的剩余抗剪性能及代理辅助模型更新

《Engineering Structures》：Residual shear performance and surrogate-assisted model updating of in-service prestressed concrete hollow slab beams

　　

•对服役中的预应力空心板梁进行了全尺寸静力试验。
•试验方案中采用了不同的剪跨比。
•记录了加载过程中既有裂缝的状况并进行监测。
•建立了试验梁的ABAQUS实体单元模型。
•采用代理辅助的逆框架方法对有限元模型进行更新。

引言

预应力混凝土空心板（PCHS）因其截面高度低、结构形式简洁、施工方便等优点，在世界各地的公路桥梁中得到了广泛应用。然而，这些构件的结构性能可能随时间推移而退化，因此定期检测至关重要[[1],[2],[3]]。此类退化主要与以下因素有关：钢筋锈蚀、混凝土开裂、交通需求增加、超载以及服役条件超出原设计假设[4]。

PCHS的剪切破坏通常具有脆性且具有灾难性。因此，在设计中必须确保足够的抗剪承载力，以防止突然失效。对服役中桥梁进行检修和结构性能评估对于维持桥梁的安全和正常运行是必要的。尽管已有若干研究探讨了PCHS的剪力传递机制，但其剪切行为仍存在很大的不确定性，因为它受到众多因素的影响，如板体几何形状、空心孔配置、混凝土性能、预应力条件和荷载工况[5,6]。这些参数与抗剪强度之间的关系具有强烈的非线性，这使得准确预测板的承载力变得困难。为了确定既有PCHS的实际承载能力和安全储备，往往有必要对从服役桥梁中拆除的板进行破坏性静力荷载试验。

为评估服役中混凝土梁的剩余承载能力和破坏模式，已开展了一些试验研究。Zhang等人[7]研究了预应力钢绞线粘结失效对既有先张法预应力混凝土空心板抗剪强度的影响，并报告了粘结失效导致的粘结丧失破坏遵循一种独特的破坏机制。当临界斜裂缝形成后，观察到显著的钢绞线滑移，导致裂缝两侧的混凝土截面绕裂缝尖端旋转。

Li等人[8]通过试验研究了开裂钢筋混凝土空心板梁的刚度退化情况，结果表明结构刚度随跨中挠度的增加而逐步降低。其结果显示，基于施加荷载和相应挠度定义的割线刚度在屈服前随荷载呈指数下降，屈服后则近似线性下降。Goaiz等人[9]研究了不同剪跨比（a/d）的预制空心板的行为，并确定了四种典型的破坏模式，包括剪压破坏、弯曲破坏、弯剪复合破坏以及伴随预应力钢绞线滑移的锚固-受拉剪切复合破坏。Zhang等人[10]研究了具有小剪跨比的高强钢筋混凝土深梁的抗剪承载力，发现斜压破坏是主要的破坏模式。他们进一步根据腹板配筋配置将这种破坏分为压溃柱破坏和斜向劈裂两类。Wang等人[11]报告称，服役20年后，先张法预应力混凝土空心板的开裂荷载有所下降，表明在正常服役条件下极限承载力略有降低。这种退化归因于累积的环境效应和反复的交通荷载。Di等人[12]通过试验研究了既有预应力混凝土空心板的剪切性能，发现添加一层15厘米厚的后浇混凝土层可显著增加开裂荷载和极限荷载。然而，该添加层并未改善板在剪切破坏过程中的延性，表明这种加固措施增强了承载能力，但并未从根本上改变剪切破坏的脆性特征。

尽管上述研究提供了有价值的见解，但大多数现有研究主要关注PCHS剪切行为和破坏机制的试验评估。然而，由于材料特性、预应力条件以及服役退化方面的不确定性，准确评估服役中板的结构性能仍然具有挑战性。在实际工程中，既有桥梁构件的原始设计参数往往无法获取，或者在长期服役后已不再代表实际结构状况。尽管破坏性荷载试验为评估既有桥梁构件的剩余承载力提供了最可靠的依据，但它们仅能揭示在所测荷载条件下的结构行为，无法直接提供关于内部应力状态、损伤演化或不同荷载工况下结构响应的信息。同样，仅基于名义材料特性的有限元分析（FEA）往往无法准确表征老化桥梁构件的实际状况。因此，需要一种能够将试验测量与校准后的数值模型相结合的方法框架，以更可靠地评估服役中桥梁的结构性能。

为解决这一问题，基于试验观测的模型更新技术已被越来越多地采用，以校准数值模型并提高预测精度。通过将测量的结构响应纳入更新过程，可以减少数值模拟与定量结构行为之间的偏差。特别是，代理辅助的模型更新方法因显著降低了优化过程中反复非线性有限元分析所涉及的计算成本而受到关注。

本研究对从一座既有桥梁中拆除的四根服役24年的全尺寸PCHS梁进行了试验研究。与以往主要关注实验室制作试件或新建构件的研究不同，本工作研究了包含自然发展的老化和既有裂缝的服役中老化梁的剩余剪切行为。全尺寸试验测试与数值模型更新的结合，使得能够对既有桥梁构件的结构性能进行更加定量的评估。

本研究的创新之处在于以下三个方面。第一，系统研究了不同剪跨比对全尺寸服役中PCHS梁的剪切行为、刚度、裂缝发展和破坏机制的影响。与常规实验室试件不同，所测梁体包含自然累积的服役退化，使得能够评估几何配置与长期损伤对剩余剪切性能的综合作用。

第二，建立了三维ABAQUS[13]实体单元有限元模型（FEM），以模拟所测梁的非线性行为。随后开发了代理辅助的逆模型更新框架，通过最小化模拟结构响应与试验测量结构响应之间的偏差来识别未知材料参数。校准后的FEM为评估服役中PCHS梁的剩余承载能力提供了定量工具，并可为老化桥梁基础设施的维护和加固决策提供支持。

第三，特别关注了既有裂缝状况的表征及其对结构性能的影响。在加载过程中监测了这些裂缝的萌生和扩展，从而建立了初始损伤、裂缝演化与剩余抗剪承载力之间的关系。

通过对试验观测和更新后数值模型的联合分析，评估了刚度退化、抗剪强度、变形特征、延性和破坏模式，为老化桥梁基础设施的评估、维护和加固提供了新的见解。

章节片段

试验程序

本试验研究使用了从上海合桥（Taihe Road）高架桥中取出的四根PCHS梁。在制造时，这些梁具有相同的几何和力学特性。然而，在交通系统中服役24年后，这些梁经历了不同的物理状况，对其继续使用带来了严重的安全隐患。中国各地存在许多类似的桥梁，使得对长期服役桥梁的研究具有广泛的意义。

试验装置

每根梁重约28吨，由于其尺寸较大，运输试样具有挑战性。设计了一套反力加载系统，通过液压作动器施加单一集中荷载，同时利用钢拉杆将反力传递至反力梁，从而实现对PCHS梁的自平衡现场测试，如图3所示。在试验梁上布置了分配梁和压力传感器，并设置了液压作动器用于……

试验观测与破坏模式

对不同试样施加了不同的剪跨比，以评估跨度变化对抗剪性能的影响。除S2和S3具有相同的剪跨比外（原因是试样损伤程度的可及性）。

在S1试样中，当荷载达到60吨时，剪压区出现第一条裂缝。当荷载达到80吨时，形成第一条斜向剪切裂缝，倾斜角度为46度。随着荷载增加，裂缝逐渐从……扩展。

有限元模型更新

为了定量评估既有PCHS的结构性能，本节实施了有限元模型（FEM）更新方法。FEM更新过程如图9所示，关键步骤如下：(1)根据结构的设计信息建立初始FEM；(2)通过在实用范围内改变模型参数并执行有限元分析（FEA），获取大量参数-响应数据；(3)建立反映模型参数与……之间的关系的代理模型。

结论

本研究对从既有桥梁中拆除的服役中PCHS梁进行了破坏性静力荷载试验，以研究其剪切行为和剩余结构性能。尽管所选试样能够考察不同剪跨比和既有裂缝状况的影响，但几何配置、服役退化、预应力损失和材料变异性等因素的影响无法完全分离。此外，a……

CRediT作者贡献声明

Fawas. O. Matanmi：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写，验证，软件，方法学，形式分析，数据整理，概念构思。Qingtian Su：写作–审阅与编辑，验证，监督，调查研究，资金获取，概念构思。Yangqing Liu：监督，资源，项目管理，资金获取。Lefei Huang：写作–审阅与编辑，验证，调查研究，数据整理。Runchuan Xu：写作–审阅与编辑，……

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系冲突。

致谢

作者衷心感谢上海市交通委员会（项目编号：JT2024-KY-001）提供的资金支持。作者也感谢上海市住房和城乡建设管理委员会科研项目（项目编号：2025-002-033）提供的支持。

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