基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法技术

一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，针对静力荷载试验评定为不满足要求的钢筋混凝土桥梁，根据受压区的混凝土损伤弹性模量E

Evaluation method of post load bearing capacity of reinforced concrete beam bridge based on residual strain

A method based on residual strain for evaluating the post load capacity of reinforced concrete beam bridges. In view of the static load test, the damage modulus of concrete under compression zone is E

【技术实现步骤摘要】
基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法
本专利技术涉及工程检测
，尤其是一种基于残余应变的钢筋混凝土梁桥损伤后承载能力评估方法。
技术介绍
桥梁结构在长期服役过程中，受外界环境、车辆荷载等影响，除承受静力荷载外，还要承受各种疲劳荷载的作用，不可避免的产生结构损伤，结构实际工作状态与设计状态的差异也越来越大。根据交通运输部统计，我国公路桥梁存在安全隐患的桥梁近10万座，占全部桥梁的比例约为13％。在长期超载或者不可预测的外力作用下，这些存在安全隐患的桥梁，很容易发生严重的事故。因此，钢筋混凝土桥梁疲劳损伤后的工作状态，包括恒载下的实际应力和应变状态、实际承载能力等成为桥梁界关注的热点。在混凝土桥梁承载能力评定方面，我国已形成较为完善的规范体系，一般通过结构检测结合检算分析。《城市桥梁检测与评定技术规范》CJJ/T233采用基于桥梁材料、外观的检测结果直接计算承载能力的方法，但损伤较严重结构的承载能力计算对现在而言依旧是个难题；《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/TJ21采用“评分”方法，主要依赖于桥梁破损程度分类和评分标准的细化、准确程度以及检测人员的经验和技术水平。以上方法受主观因素影响较大，难以反映内在的真实承载能力。在检算困难时，往往采用普遍认为较为可靠的荷载试验进行验证。传统的静力荷载试验其实只能评定“试验荷载”下的桥梁性能，通过测量“试验荷载”下的截面应变增量或变形增量与检算结果比较(应变或变形校验系数)，来判断结构承载能力是否满足设计或规范要求，其实质是根据结构刚度或截面刚度(曲率)的变化评定正常使用的承载能力，然后由弹性行为间接反映承载能力，理论基础牵强。尤其经过试验判断为不满足要求(应变或变形校验系数大于1)的桥梁，结构损伤发展到一定程度，只能近似估计结构正常使用阶段承受活载的能力，无法获得其真实工作状态(现存应力状态)和极限承载能力。桥梁动力荷载试验(包括自振测试)由于测试工作量小、费用低而得到青睐，主要通过测试得到的动刚度(自振频率)评估结构的整体工作性能和动力特性，从现在的检测水平来看，仍从属于静力荷载试验。有关研究根据建立的动刚度与静刚度统计关系评估结构正常使用极限状态的承载能力，但由于动刚度与静刚度的概念不同，受边界条件和结构损伤状态的影响较大；尤其当结构严重损伤时，二者的统计数据更为离散。在动力测试研究方面已经发展了“准静态动力测试法”以及在一定条件下的动静挠度分离技术，可以类似静力荷载试验进行评估，但以弹性行为间接反映极限承载能力的问题依旧存在。现有的非线性累积损伤过程分析方法非常复杂，需要根据明确的荷载作用历程下，混凝土弹性模量退化、残余应变增大等特征参量的变化规律进行承载能力评估，适用于混凝土结构累积损伤预测和寿命分析。但是，实际混凝土结构的作用历程往往不知，结构损伤后的应力重分布，以及在服役过程中受疲劳、徐变、温度和收缩等多种时变效应的非线性耦合影响，使得既有结构的累积损伤程度评估更为复杂，采用简化的疲劳累积损伤分析方法预测结果往往与实际相差很大。本专利技术根据钢筋混凝土梁桥损伤后弹性模量的原位测试，分析出混凝土残余应变，然后采用结构分析方法实现现存应力状态和极限承载能力评估。
技术实现思路
本专利技术涉及一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，要解决现有钢筋砼梁桥承载能力评定受主观因素影响较大以及传统的静力荷载试验只能评定“试验荷载”下的桥梁性能，无法获得钢筋混凝土梁桥真实工作状态和承载能力的技术问题。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案。一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，针对静力荷载试验评定为不满足要求的钢筋混凝土桥梁，根据受压区的混凝土损伤弹性模量Er分析受压区的混凝土残余应变εp，由截面受力平衡和平截面变形条件，得到截面的真实应变和应力状态；然后根据实测混凝土强度和截面尺寸计算计算极限承载弯矩Mjj和设计承载弯矩Mdc，由混凝土残余应变判断损伤程度，得出实际极限承载弯矩Mzj和正常使用承载弯矩Mzc。包括步骤如下，步骤一：对钢筋混凝土梁进行静力荷载试验，测试得到钢筋混凝土梁最不利受力截面沿梁高的混凝土应变增量Δε、应力增量Δσ、跨中变形挠度和跨中截面的受压区高度Zc。步骤二：根据应变校验系数或变形校验系数ζ评定钢筋混凝土梁承载能力。步骤三：当ζ>1或相对残余变形大于20％或相对残余应变大于20％时，钢筋混凝土梁承载能力不满足要求，利用步骤一中得到的混凝土应变增量Δε和应力增量Δσ，并根据公式得到受压区的混凝土损伤弹性模量Er。步骤四：进行无损检测试验，实际检测钢筋混凝土梁无损伤区域的混凝土抗压强度fc,r。步骤五：根据步骤四中的混凝土抗压强度fc,r，查得混凝土弹性模量Ec和峰值压应变εc,r。步骤六：根据步骤三中得到混凝土损伤弹性模量Er，分析得出受压区的混凝土残余应变εp。步骤七：比较混凝土残余应变εp与0.4εc,r的大小，由混凝土残余应变εp评估钢筋混凝土梁的损伤程度界限状态。步骤八：当混凝土残余应变εp≦0.4εc,r时，根据公式σe＝MgZc/Icr得出恒载作用下跨中截面受压区的混凝土弹性应力σe。其中，Mg为跨中截面的恒载弯矩，Icr为跨中截面的换算惯性矩，Zc为跨中截面的受压区高度。步骤九：根据公式εe＝σe/Er得出受压区的混凝土弹性应变εe；并根据公式εc＝εe+εp得到受压区混凝土总应变εc。步骤十：由公式εs＝εc×(h-c-Zc)/Zc得出受拉纵筋总应变εs，进一步由公式σs＝Es×εs得出纵筋应力；其中，c为受拉区混凝土保护层厚度；h为截面高度。步骤十一：由公式M等效＝As×σs×0.87h0得出等效恒载弯矩M等效，进一步由公式σc＝M等效Zc/Icr得出恒载下跨中截面受压区边缘的混凝土实际压应力σc；其中，M等效为恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩，包括恒载作用下的弹性弯矩以及受弯截面损伤累积后混凝土残余应力产生的弯矩增量或纵筋应力增大产生的弯矩增量；式中，As为受拉纵筋截面面积；h0＝h-c，h0为有效截面高度。步骤十二：根据步骤四实测的混凝土抗压强度fc,r及钢筋混凝土梁实际截面尺寸，分别计算标准极限承载弯矩Mjj和设计承载弯矩Mdc。步骤十三：根据混凝土残余应变εp，评估钢筋混凝土梁的实际极限承载弯矩Mzj和正常使用承载弯矩Mzc；具体评估如下：当混凝土残余应变εp≦0.25εc,r时，Mzj＝Mjj，Mzc＝Mdc；当混凝土残余应变0.25εc,r<εp≦0.4εc,r时，Mzj＝95％Mjj，Mzc＝95％Mdc。优选的，所述评估方法还包括步骤十四，对钢筋混凝土梁所能承受的活载极限弯矩Mhj进行评估以及对钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩Mhc进行评估。优选的，对活载极限弯矩Mhj的评估具体为利用等效恒载弯矩M等效、实际极限承载弯矩Mzj和公式Mhj＝Mzj-M等效得出活载极限弯矩Mhj；对正常使用阶段活载最大弯矩Mhc的评估具体为利用等效恒载弯矩M等效、正常使用承载弯矩Mzc以及公式Mhc＝(Mzc-1.2M等效)/1.4得出钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩Mhc。优选的，步骤一中的具体过程为：步骤A，在最不利受力截面沿梁高且平行于应力方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，针对静力荷载试验评定为不满足要求的钢筋混凝土桥梁，根据受压区的混凝土损伤弹性模量E

【技术特征摘要】
1.一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，针对静力荷载试验评定为不满足要求的钢筋混凝土桥梁，根据受压区的混凝土损伤弹性模量Er分析受压区的混凝土残余应变εp，由截面受力平衡和平截面变形条件，得到截面的真实应变和应力状态；然后根据实测混凝土强度和截面尺寸得出标准极限承载弯矩Mjj和设计承载弯矩Mdc，由混凝土残余应变判断损伤程度，得出实际极限承载弯矩Mzj和正常使用承载弯矩Mzc；包括步骤如下，步骤一：对钢筋混凝土梁进行静力荷载试验，测试得到钢筋混凝土梁最不利受力截面沿梁高的混凝土应变增量Δε、应力增量Δσ、跨中变形挠度和跨中截面的受压区高度Zc；步骤二：根据应变校验系数或变形校验系数ζ评定钢筋混凝土梁承载能力；步骤三：当ζ>1或相对残余变形大于20％时，钢筋混凝土梁承载能力不满足要求，利用步骤一中得到的混凝土应变增量Δε和应力增量Δσ，并根据公式得到受压区的混凝土损伤弹性模量Er；步骤四：进行无损检测试验，实际检测钢筋混凝土梁无损伤区域的混凝土抗压强度fc,r；步骤五：根据步骤四中的混凝土抗压强度fc,r，查得混凝土弹性模量Ec和峰值压应变εc,r；步骤六：根据步骤三中得到混凝土损伤弹性模量Er，分析得出受压区的混凝土残余应变εp；步骤七：比较混凝土残余应变εp与0.4εc,r的大小，由混凝土残余应变εp评估钢筋混凝土梁的损伤程度界限状态；步骤八：当混凝土残余应变εp≦0.4εc,r时，根据公式σe＝MgZc/Icr得出恒载作用下跨中截面受压区的混凝土弹性应力σe；其中，Mg为跨中截面的恒载弯矩，Icr为跨中截面的换算惯性矩，Zc为跨中截面的受压区高度；步骤九：根据公式εe＝σe/Er得出受压区的混凝土弹性应变εe；并根据公式εc＝εe+εp得到受压区混凝土总应变εc；步骤十：由公式εs＝εc×(h-c-Zc)/Zc得出受拉纵筋总应变εs，进一步由公式σs＝Es×εs得出纵筋应力；其中，c为受拉区混凝土保护层厚度；h为截面高度；步骤十一：由公式M等效＝As×σs×0.87h0得出等效恒载弯矩M等效，进一步由公式σc＝M等效Zc/Icr得出恒载下跨中截面受压区边缘的混凝土实际压应力σc；其中，M等效为恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩，包括恒载作用下的弹性弯矩以及受弯截面损伤累积后混凝土残余应力产生的弯矩增量或纵筋应力增大产生的弯矩增量；式中，As为受拉纵筋截面面积；h0＝h-c，h0为有效截面高度；步骤十二：根据步骤四实测的混凝土抗压强度fc,r及钢筋混凝土梁实际截面尺寸，分别得出标准极限承载弯矩Mjj和设计承载弯矩Mdc；步骤十三：根据混凝土残余应变εp，评估钢筋混凝土梁的实际极限承载弯矩Mzj和正常使用承载弯矩Mzc；具体评估如下：当混凝土残余应变εp≦0.25εc,r时，Mzj＝Mjj，Mzc＝Mdc；当混凝土残余应变0.25εc,r<εp≦0.4εc,r时，Mzj＝95％Mjj，Mzc＝95％Mdc。2.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于：所述评估方法还包括步骤十四，对钢筋混凝土梁所能承受的活载极限弯矩Mhj进行评估以及对钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩Mhc进行评估。3.根据权利要求2中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于：对活载极限弯矩Mhj的评估具体为利用等效恒载弯矩M等效、实际极限承载弯矩Mzj和公式Mhj＝Mzj-M等效得出活载极限弯矩Mhj；对正常使用阶段活载最大弯矩Mhc的评估具体为利用等效恒载弯矩M等效、正常使用承载弯矩Mzc以及公式Mhc＝(Mzc-1.2M等效)/1.4得出钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩Mhc。4.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，步骤一中的具体过程为：步骤A，在最不利受力截面沿梁高且平行于应力方向黏贴应变计，至少布置5个测点，其中最大压应变处为关键测点；步骤B，在结构弹性范围内施加静力荷载，然后卸载，由应变测试系统得到关键测点的应变值，即混凝土应变增量Δε；步骤C，由变形测试仪器测试跨中变形；步骤D，对沿梁高的测试应变值进行线性分析，得到跨中...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟铭，叶英，
申请(专利权)人：北京市市政工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11