在役预应力梁桥残余承载力评估方法研究
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摘要
改革开放以来,我国的桥梁建设进入了高速发展时期,尤其在中、小跨度范围内混凝土结构已占绝对优势。预应力桥梁的组成材料在气候、环境等自然因素的影响下会逐渐发生老化,而日益增加的汽车重载作用使桥梁构件的力学性能不断衰减,加之早期桥梁设计规范与现行荷载之间的差异,导致已建预应力混凝土桥梁出现承载能力下降、耐久性降低等问题,轻则影响结构的正常使用,重则威胁桥梁安全。因此,对在役预应力混凝土桥梁检测技术展开研究,全面把握预应力桥梁在正常运营阶段的使用性能,可为预应力桥梁结构的安全运营及维修、养护工作提供理论基础和实践参考。
本文以西部交通建设科技项目“西部地区在役中小跨径桥梁承载力快速检评技术研究”(200731881232)中相关专题为依托,在总结已有桥梁检测技术及计算方法的基础上,针对在役中小跨径预应力梁桥,根据小荷载作用下单点或多点的挠度测试结果,推算多梁桥中各纵梁整体或分段的实际抗弯刚度,构建反映实际结构刚度分布的横纵向交叉刚度网,直观判断全桥受损区域及损伤程度概况,进行全桥残余承载能力计算及评定,全面推动预应力梁桥承载能力检测的数值化进程。
本文完成的主要研究工作及成果有：
1.对分析桥梁结构短期刚度常用的直线双线性法、有效惯矩法、曲率积分法、《PPC建议》法、公路桥梁设计规范方法等进行对比研究,采用中国规范的计算公式并反推桥梁结构的抗弯刚度；对计算有效预应力时常用的基于灵敏度分析法、基于建模分析法、基于静力分析法、基于动力分析法及检测有效预应力时常用的直接法、SSRHT法、形状记忆合金技术、声发射技术和静力学原理检测技术等进行对比分析,建议采用预应力钢索张力测试仪检测在役桥梁有效预应力。
2.提出预应力梁桥的抗弯刚度受张拉力影响的观点,通过对室内模型试验及ANSYS软件仿真结果分析的探讨,分析有效预应力与预应力梁桥抗弯刚度间的数值关系,在中国规范短期挠度计算方法的基础上提出预应力结构通用的刚度修正公式,并作为计算结构实际抗弯刚度的依据。给出预应力梁实际抗弯刚度与其截面形式、截面尺寸、计算跨径及外荷载位置等因素的拟合方程,据此提出针对中小跨径预应力梁桥的刚度推算方法。
3.从传统荷载试验中实测静力性能参数的方式出发,以常用横向分布系数计算方法为分析手段,提出不考虑校验系数影响的基于挠度值的刚度分解法和考虑校验系数影响的基于挠度比值的刚度分解法。两种方法修正后的纵梁刚度均符合在役桥梁实际刚度分布状态,基于挠度值的刚度分解法更为简单。
4.以有限元整体刚度方程为基础,推导适用于任意桥型、可根据桥梁所属重要程度及实际缺损状况随意分段的纵向刚度分段求解方程,给出简支梁纵向刚度分段求解方程组、简化刚度分段求解公式及相应系数列表。并以此作为求解预应力梁桥刚度纵向分布、反映实际结构纵向损伤分布状况及损伤程度的依据。
5.以我国桥梁规范中预应力混凝土梁桥承载能力计算方法为依据,增加受拉区未开裂混凝土对截面的刚度贡献,引入名义预应力束面积的概念综合反映当前结构的平均工作性能,并结合结构实际刚度和实测有效预应力值计算残余承载能力。与现行承载能力计算方法相衔接,增加反映实际结构有效预应力和承载能力储备度的消压度和承载度的概念,建立适用于各类预应力结构的残余承载能力分级评价指标体系。
6.以C++Builder6.0及易语言环境为基础,编制包含从荷载试验设计到残余承载能力计算全过程的在役中小跨径预应力梁桥承载能力评估系统,通过对13m跨径预应力空心板桥进行分析,得到桥梁实际的横、纵向交叉刚度网及其残余承载能力计算网图,其计算结果定量的描述了当前桥梁在正常运营阶段的使用性能,验证了该计算方法的有效性。
Prestressed concrete structure has been widely used in the world of bridge structures, because of its making full use of high-strength material strength and improving the structure mechanical properties in the use phase. Since the reform and opening up, China's bridge construction is enter a high-speed development period. Especially the prestressed concrete structures have already dominated in medium and small span bridges. Composition of materials in prestressed bridge will gradually occur under the influence of aging in the climate, environment and other natural factors. The increasing role of heavy vehicles makes the mechanical properties of the bridge components continue to decay. In addition to the difference between early bridge design specifications and new loads, all of these cause the carrying capacity of built prestressed concrete bridge fell and reducing the durability issues. Such problems will affect the normal use of the structure, or even a serious threat to bridge safety. Therefore, in-service inspection of prestressed concrete bridge technology to conduct research for a true understanding of prestressed bridge in the normal operating stage performance, which provide a theoretical basis and practical reference for the safe operation, maintenance and conservation of prestressed bridge structures.
This paper based on the related topics of western transportation construction projects, whose name is technology of fast capacity evaluation for western existing small span bridges (200731881232), aimed at small and medium span prestressed girder bridges in service, according to the small load deflection of a single point or multi-point test results, calculating the actual bending stiffness in whole or in segments of the longitudinal of multi-girder bridges. Building a cross stiffness network to reflect the actual distribution of vertical and horizontal stiffness to intuitive full-bridge damaged area and determine the degree of injury profiles. Ultimately based on the actual structure residual stiffness of the bridges to complete the whole calculation of load capacity, promote the carrying capacity of prestressed bridges value detection process.
In this paper the main research work completed as below:
1. After comparative study of the common short-term deflection methods of bridges such as linear bilinear method, effective moment method, curvature integral method, PPC advise method and highway bridge design standard method, it presents the standard formula in china to analysis the flexural stiffness of bridge structure. Also after analysis of the common calculation of effective prestress based on sensitivity analysis, modeling analysis, static analysis, dynamic analysis and the relative detection such as direct method, SSRHT method, shape memory alloy technology, acoustic emission technology and the statics principle testing technology, recommended prestressed cable tension tester detection in effective prestressed of service bridges.
2. Present the opinion that bending stiffness of prestressed beam bridge affected by the tensile force, according to the indoor real beam model and ANSYS simulation analysis to establish the numerical relationships between effective prestress and bending stiffness. Put forward general correction formula for the bending stiffness based on the standard formula in china of short-term deflection and take which as a basis for the calculation of actual bending stiffness. Put forward the bending stiffness fitting equation with its specific section type, section size, span calculations, and the location of the external load, according which proposed the real bridge stiffness calculation method based on small and medium span prestressed girder bridge standard drawings.
3. Based on the traditional static load test performance parameters, use commonly transverse distribution coefficient method as analytical tools, proposed two methods, which are the stiffness decomposition based on the absolute deflection without considering the influence from calibration coefficients and the stiffness decomposition based on the deflection ratio with considering the influence from calibration coefficients. By verifying we know that both of two methods consistent with the distribution of lateral rigidity of existing bridges, suggested to use the stiffness decomposition based on the absolute deflection for the longitudinal stiffness calculation.
4. According to the finite element theory, deduce the longitudinal stiffness of sub-solving equations with any bridges and can select subsection quantity according to the importance of the bridge and the actual defect. Put forward the longitudinal stiffness of sub-solving equations of simple-supported bridges, simplify stiffness formula and its coefficient table, with which to solve the prestressed girder bridge stiffness vertical distribution and reflect the actual structure of the longitudinal extent of damage and the damage distribution.
5. According to the specification of the carrying capacity method of prestressed concrete bridge, increase the uncracked tensile zone of concrete contribution to the stiffness of the cross section. Introducing a concept with area on behalf of prestressed to reflect current average of the working performance of the structure, and combined with structural stiffness and the measured effective prestress to calculate the residual carrying capacity. Increased the concept of away pressure degrees and bearing degrees to reflect the effective and carrying capacity reserve level of the actual structure.
6. Based on C++builder6.0and easy language environment to compiled capacity assessment software of in-service medium and small span prestressed girder according to analysis a13m PC hollow slab to get its actual horizontal and vertical cross stiffness and residual load capacity3D drawing. The results quantitative description the bridge operating performance in the current phase and verify the validity of the method.
本文以西部交通建设科技项目“西部地区在役中小跨径桥梁承载力快速检评技术研究”(200731881232)中相关专题为依托,在总结已有桥梁检测技术及计算方法的基础上,针对在役中小跨径预应力梁桥,根据小荷载作用下单点或多点的挠度测试结果,推算多梁桥中各纵梁整体或分段的实际抗弯刚度,构建反映实际结构刚度分布的横纵向交叉刚度网,直观判断全桥受损区域及损伤程度概况,进行全桥残余承载能力计算及评定,全面推动预应力梁桥承载能力检测的数值化进程。
本文完成的主要研究工作及成果有：
1.对分析桥梁结构短期刚度常用的直线双线性法、有效惯矩法、曲率积分法、《PPC建议》法、公路桥梁设计规范方法等进行对比研究,采用中国规范的计算公式并反推桥梁结构的抗弯刚度；对计算有效预应力时常用的基于灵敏度分析法、基于建模分析法、基于静力分析法、基于动力分析法及检测有效预应力时常用的直接法、SSRHT法、形状记忆合金技术、声发射技术和静力学原理检测技术等进行对比分析,建议采用预应力钢索张力测试仪检测在役桥梁有效预应力。
2.提出预应力梁桥的抗弯刚度受张拉力影响的观点,通过对室内模型试验及ANSYS软件仿真结果分析的探讨,分析有效预应力与预应力梁桥抗弯刚度间的数值关系,在中国规范短期挠度计算方法的基础上提出预应力结构通用的刚度修正公式,并作为计算结构实际抗弯刚度的依据。给出预应力梁实际抗弯刚度与其截面形式、截面尺寸、计算跨径及外荷载位置等因素的拟合方程,据此提出针对中小跨径预应力梁桥的刚度推算方法。
3.从传统荷载试验中实测静力性能参数的方式出发,以常用横向分布系数计算方法为分析手段,提出不考虑校验系数影响的基于挠度值的刚度分解法和考虑校验系数影响的基于挠度比值的刚度分解法。两种方法修正后的纵梁刚度均符合在役桥梁实际刚度分布状态,基于挠度值的刚度分解法更为简单。
4.以有限元整体刚度方程为基础,推导适用于任意桥型、可根据桥梁所属重要程度及实际缺损状况随意分段的纵向刚度分段求解方程,给出简支梁纵向刚度分段求解方程组、简化刚度分段求解公式及相应系数列表。并以此作为求解预应力梁桥刚度纵向分布、反映实际结构纵向损伤分布状况及损伤程度的依据。
5.以我国桥梁规范中预应力混凝土梁桥承载能力计算方法为依据,增加受拉区未开裂混凝土对截面的刚度贡献,引入名义预应力束面积的概念综合反映当前结构的平均工作性能,并结合结构实际刚度和实测有效预应力值计算残余承载能力。与现行承载能力计算方法相衔接,增加反映实际结构有效预应力和承载能力储备度的消压度和承载度的概念,建立适用于各类预应力结构的残余承载能力分级评价指标体系。
6.以C++Builder6.0及易语言环境为基础,编制包含从荷载试验设计到残余承载能力计算全过程的在役中小跨径预应力梁桥承载能力评估系统,通过对13m跨径预应力空心板桥进行分析,得到桥梁实际的横、纵向交叉刚度网及其残余承载能力计算网图,其计算结果定量的描述了当前桥梁在正常运营阶段的使用性能,验证了该计算方法的有效性。
Prestressed concrete structure has been widely used in the world of bridge structures, because of its making full use of high-strength material strength and improving the structure mechanical properties in the use phase. Since the reform and opening up, China's bridge construction is enter a high-speed development period. Especially the prestressed concrete structures have already dominated in medium and small span bridges. Composition of materials in prestressed bridge will gradually occur under the influence of aging in the climate, environment and other natural factors. The increasing role of heavy vehicles makes the mechanical properties of the bridge components continue to decay. In addition to the difference between early bridge design specifications and new loads, all of these cause the carrying capacity of built prestressed concrete bridge fell and reducing the durability issues. Such problems will affect the normal use of the structure, or even a serious threat to bridge safety. Therefore, in-service inspection of prestressed concrete bridge technology to conduct research for a true understanding of prestressed bridge in the normal operating stage performance, which provide a theoretical basis and practical reference for the safe operation, maintenance and conservation of prestressed bridge structures.
This paper based on the related topics of western transportation construction projects, whose name is technology of fast capacity evaluation for western existing small span bridges (200731881232), aimed at small and medium span prestressed girder bridges in service, according to the small load deflection of a single point or multi-point test results, calculating the actual bending stiffness in whole or in segments of the longitudinal of multi-girder bridges. Building a cross stiffness network to reflect the actual distribution of vertical and horizontal stiffness to intuitive full-bridge damaged area and determine the degree of injury profiles. Ultimately based on the actual structure residual stiffness of the bridges to complete the whole calculation of load capacity, promote the carrying capacity of prestressed bridges value detection process.
In this paper the main research work completed as below:
1. After comparative study of the common short-term deflection methods of bridges such as linear bilinear method, effective moment method, curvature integral method, PPC advise method and highway bridge design standard method, it presents the standard formula in china to analysis the flexural stiffness of bridge structure. Also after analysis of the common calculation of effective prestress based on sensitivity analysis, modeling analysis, static analysis, dynamic analysis and the relative detection such as direct method, SSRHT method, shape memory alloy technology, acoustic emission technology and the statics principle testing technology, recommended prestressed cable tension tester detection in effective prestressed of service bridges.
2. Present the opinion that bending stiffness of prestressed beam bridge affected by the tensile force, according to the indoor real beam model and ANSYS simulation analysis to establish the numerical relationships between effective prestress and bending stiffness. Put forward general correction formula for the bending stiffness based on the standard formula in china of short-term deflection and take which as a basis for the calculation of actual bending stiffness. Put forward the bending stiffness fitting equation with its specific section type, section size, span calculations, and the location of the external load, according which proposed the real bridge stiffness calculation method based on small and medium span prestressed girder bridge standard drawings.
3. Based on the traditional static load test performance parameters, use commonly transverse distribution coefficient method as analytical tools, proposed two methods, which are the stiffness decomposition based on the absolute deflection without considering the influence from calibration coefficients and the stiffness decomposition based on the deflection ratio with considering the influence from calibration coefficients. By verifying we know that both of two methods consistent with the distribution of lateral rigidity of existing bridges, suggested to use the stiffness decomposition based on the absolute deflection for the longitudinal stiffness calculation.
4. According to the finite element theory, deduce the longitudinal stiffness of sub-solving equations with any bridges and can select subsection quantity according to the importance of the bridge and the actual defect. Put forward the longitudinal stiffness of sub-solving equations of simple-supported bridges, simplify stiffness formula and its coefficient table, with which to solve the prestressed girder bridge stiffness vertical distribution and reflect the actual structure of the longitudinal extent of damage and the damage distribution.
5. According to the specification of the carrying capacity method of prestressed concrete bridge, increase the uncracked tensile zone of concrete contribution to the stiffness of the cross section. Introducing a concept with area on behalf of prestressed to reflect current average of the working performance of the structure, and combined with structural stiffness and the measured effective prestress to calculate the residual carrying capacity. Increased the concept of away pressure degrees and bearing degrees to reflect the effective and carrying capacity reserve level of the actual structure.
6. Based on C++builder6.0and easy language environment to compiled capacity assessment software of in-service medium and small span prestressed girder according to analysis a13m PC hollow slab to get its actual horizontal and vertical cross stiffness and residual load capacity3D drawing. The results quantitative description the bridge operating performance in the current phase and verify the validity of the method.
引文
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