The feasibility to monitor the structural health of multi-span prestressed concrete bridges by using their ambient thermal loads and responses is investigated. An 8-m-long, 2-span continuous concrete bridge is designed and constructed to represent typical full-scale bridges. The bridge is equipped with various sensors to continuously monitor temperatures, strains, deflections, and support reaction forces, and is exposed directly to sunlight, rain, wind, and dewfall in order to attain a realistic ambient thermal loading condition. Five states of distributed flexural damage, ranging from slight to severe, are created in the experimental bridge by applying two overloaded concentrated forces. At every damage state as well as the initial undamaged state, the thermal loads and responses of the bridge are continuously monitored for several days, and these responses are compared with those predicted by a newly developed analytical model. This model takes into account of nonlinear temperature distribution in bridge cross sections, presence of prestressing forces, support flexibility, and initial crookness of bridge span. An excellent agreement between model predictions and monitored responses are obtained for the initial undamaged state. The monitored responses in five damage states are again compared with the model predictions of the undamaged state. As expected, the discrepancy between them increases with increasing of damage level. A scheme to account for distributed flexural damage is then developed for the analytical model. By using this scheme, it is possible to tune the model predictions to match with the monitored responses. Through this model tuning process, approximate damage distribution pattern and damage severity along the entire bridge length can be identified. The study clearly demonstrates that an effective structural health monitoring system based on ambient thermal loads and responses can be successfully developed for multi-span prestressed concrete bridges

چکیده

امکان ­سنجی نظارت بر سلامت سازه ­ای پل های بتنی پیش ­تنیده ­ی چند دهانه، با استفاده از بارها و پاسخ های حرارتی محیط آنها مورد بررسی قرار می­گیرد. یک پل بتنی پیوسته­ ی 2 دهانه با طول 8 متر، برای نشان دادن نمونه ­ی پل در مقیاس کامل، طراحی و ساخته می­ شود. به منظور نظارت مداوم بر دما، کرنشها، تغییرشکل ها و نیروهای عکس ­العمل تکیه ­گاهی­، پل با سنسورهای مختلفی تجهیز می­شود و برای دستیابی به یک شرایط بارگذاری حرارتی واقعی محیط، به طور مستقیم، در معرض نور خورشید، باران، باد و ریزش شبنم قرار داده می­شود. با اعمال 2 نیروی متمرکز سربار، 5 حالت آسیب خمشی توزیع شده، اعم از خفیف تا شدید در پل آزمایشگاهی ایجاد می­شوند. در هر حالت آسیب، به علاوه­ ی حالت سالم اولیه، بارها و پاسخ های حرارتی پل، برای چند روز به طور مداوم کنترل شده و این پاسخها، با پاسخ های پیش­بینی شده توسط یک مدل تحلیلی تازه توسعه­ یافته مقایسه می­شوند. این مدل، توزیع غیرخطی دما در مقاطع عرضی پل، حضور نیروهای پیش ­تنیدگی، انعطاف­پذیری تکیه ­گاه و اعوجاج اولیه ­ی دهانه ­ی پل را در نظر می­گیرد. برای حالت سالم اولیه، یک سازگاری عالی بین پیش­بینی های مدل و پاسخ های کنترل ­شده حاصل می­شود. پاسخ های کنترل شده در 5 حالت آسیب، مجدداً با پیش­بینی های مدل حالت سالم مقایسه می­گردند. همان­طور که انتظار می­رفت، با افزایش سطح آسیب، اختلاف بین آنها افزایش می­یابد. پس از آن، به منظور محاسبه­ ی آسیب خمشی توزیع شده، طرحی برای مدل تحلیلی توسعه داده می­شود. با استفاده از این طرح، امکان تنظیم پیش­بینی های مدل برای مطابقت با پاسخ های کنترل شده وجود دارد. از طریق فرآیند تنظیم مدل، می­توان الگوی توزیع آسیب تقریبی و شدت آسیب در امتداد طول کامل پل را شناسایی نمود. این مطالعه، به وضوح نشان می­دهد که می­توان با موفقیت، یک سیستم مؤثر نظارت بر سلامت سازه­ای بر اساس بارها و پاسخ های حرارتی محیط، برای پل های بتنی پیش­تنیده ­ی چند دهانه توسعه داد.

1-مقدمه

به منظور حفظ صحیح شرایط قابلیت بهره­ برداری و ایمنی یک پل بزرگ، بیش از عمر بهره ­برداری طولانی مورد انتظار آن، جایی که پیری زودرس، زوال سازه ­ای یا کاهش ظرفیت باربری پل به طور دقیقی تشخیص داده می­شود، داشتن یک معیار قابل اعتماد برای دسترسی منظم به شرایط سازه ­ای پل می­تواند ایده ­آل باشد....