一种公路柱式桥墩服役状态快速评估方法技术

本发明专利技术公开了一种公路柱式桥墩服役状态快速评估方法，包括：以冲击响应为激励，对公路柱式桥墩进行动力响应测试；对桥墩进行整体健全度评估；建立公路桥墩简化模型；对桥墩模型进行参数识别，得到桥墩墩身混凝土刚度、支座弹簧刚度、桥墩冲刷深度；进而建立了桥墩服役状态定量评估准则。本发明专利技术的公路柱式桥墩服役状态快速评估方法操作简单，能实现对公路桥墩整体健全度评估，更可以利用模型修正优化算法进一步实现对桥墩墩身刚度、支座弹簧刚度、桥墩冲刷深度进行定量评估，判断出病害类型、病害位置和病害程度，从而实现对公路桥墩安全服役状态的快速评估。

A fast evaluation method for the service state of highway column piers

The invention discloses a fast evaluation method for the service state of highway column piers, which includes: dynamic response test for highway column piers with impact response as excitation; overall soundness evaluation for piers; establishment of simplified model for highway piers; parameter identification for pier model, obtaining concrete rigidity of pier body, spring rigidity of bearing and scour depth of pier; and A quantitative evaluation criterion for the service condition of piers is established. The quick assessment method for the service state of the highway column pier of the invention is simple in operation, can realize the assessment of the overall soundness of the highway pier, can further realize the quantitative assessment of the rigidity of the pier body, the rigidity of the bearing spring and the scour depth of the pier by using the model correction optimization algorithm, and can determine the disease type, the disease location and the disease degree, so as to realize the safety of the highway pier Rapid assessment of service status.

【技术实现步骤摘要】
一种公路柱式桥墩服役状态快速评估方法
本专利技术属于桥梁工程养护工程领域，具体地说，涉及一种公路柱式桥墩服役状态快速评估方法。
技术介绍
公路已成为国家的经济动脉，而其中的桥梁更是生命线工程，所以确保桥梁的安全对于保障经济发展和社会稳定具有重要的意义。由于构造简单、施工便捷、自重小且稳定性良好等优点，柱式墩尤其是双柱式桥墩在公路桥梁中得到了广泛的应用。桥墩不仅承受来自汽车的动力荷载，同时还承受河水冲刷，盐碱腐蚀、车船撞击、地震等诸多因素的影响，导致桥墩更容易出现各种病害。而且桥墩发生事故的后果往往较为严重，故近年来国内对桥墩健康状态评估的研究也越来越多。目前，公路柱式桥墩健康检测的主要依据有：《公路桥梁承载能力检测评定规程》、《公路桥涵养护规范》和《公路桥梁技术状况评定准则》。《公路桥梁承载能力检测评定规程》针对静力荷载试验以及材质状况与状态参数，例如混凝土强度、钢筋锈蚀、桥梁碳化状况以及混凝土保护层厚度等均做出了较明确的评定准则。但上述材质状况与状态参数仅能作为位于水面以上桥墩的损伤判定依据，对于位于水面以下或者泥沙中的隐蔽性桥墩损伤状态判断不明。近些年，动载试验在桥梁损伤识别领域受到越来越广泛的关注，其主要通过自振频率、振型、振幅等指标从宏观角度对桥梁结构性能进行评判，《公路桥梁承载能力检测评定规程》中对自振频率做了详细的规定。但上述动力指标仅能定性评价桥梁的整体情况，而无法判定病害的类型、位置及损伤程度，无法做到对桥梁的局部损伤进行精确识别。
技术实现思路
为了解决现有技术的问题，本专利技术实施例提供了一种公路柱式桥墩服役状态快速评估方法，以在冲击荷载作用下对柱式桥墩损伤进行快速定位与定量评价。所述技术方案如下：一方面，提供了一种公路柱式桥墩服役状态快速评估方法，包括以下步骤：1)对公路柱式桥墩进行动力响应测试；2)对各个桥墩进行整体健全度评估；3)建立桥墩简化模型；4)对桥梁模型进行修正，根据模型修正的结果得到桥墩墩身和支座损伤程度和基础冲刷深度；5)根据墩身和支座的损伤指数，和基础冲刷深度建立桥墩主要构件服役安全状态评估标准。进一步地，所述步骤1)具体为：以冲击荷载为激励，在柱式桥墩上安装振动传感器，采集冲击荷载时的振动响应信号。进一步地，将所述振动传感器安装在桥墩侧面，测试方向沿桥梁纵向，每个墩柱布置上中下三个测点。进一步地，所述步骤2)具体为：对采集得到的振动响应信号进行傅里叶变换，得到振动响应频谱，根据振动响应频谱得到该桥梁的实际自振频率fc，对比桥墩自振频率基准值，依据桥墩健全度评估指数SI来评估桥墩整体状态，所述桥墩健全度评估指数SI为：SI＝fc/f0式中：fc和f0分别为桥墩实测自振频率和桥墩自振频率基准值。进一步地，所述根据桥墩健全度评估指数SI＝fc/f0确定各个桥墩状态，具体为：若SI≥1，则判定桥墩等级为Ⅰ级，桥墩存在问题较少，处于健康状态；若0.9≤SI<1，则判定桥墩等级为Ⅱ级，需注意桥墩日常检查；若0.8≤SI<0.9，则判定桥墩等级为Ⅲ级，需进行定期测试，密切监控其状态变化；若SI<0.8，则判定桥墩等级为Ⅳ级，需对桥墩进行详细动力评估和参数识别，判断病害的位置和程度，适时采取维修加固措施。进一步地，所述步骤3)具体为：将桥墩模型使用有限元软件进行模拟：使用梁单元模拟桥墩、基础、横系梁等结构，材料刚度EI等于材料弹性模量E与梁单元截面惯性矩I的乘积，冲刷腐蚀部分材料弹性模量为E1，未冲刷腐蚀部分材料弹性模量为E2；采用矩阵单元模拟支座，支座刚度为k；建立冲刷深度l与土体约束弹簧刚度K的关系，将土体对桥墩的约束简化为节点的6个自由度，6个自由度分别为顺桥向水平弹簧Kx、横桥向水平弹簧Ky、垂直弹簧Kz以及绕各个方向的扭转弹簧Krx、Kry、Krz；桥墩、基础、横系梁、支座的初始刚度设计参数为E0I、k0，初始冲刷线为l0。进一步地，所述步骤4)具体为：对桥梁模型进行修正，将桥墩、基础、横系梁冲刷腐蚀部分弹性模量E1、支座刚度k、冲刷深度l作为待修正参数对墩身损伤、支座损伤和桥墩冲刷进行修正；将试验得到的模态频率fe、模态置信度准则指数MACe、各个测点之间频谱相关性指数FSCe作为目标值，将桥墩理论简化模型得到的模态频率ft、模态置信度准则指数MACt、各个测点之间频谱相关性指数FSCt，建立目标函数：式中：λ为模态频率的权重系数，ω为模态置信度准则的权重系数，ξ为频谱相关性指数的权重系数，i为模态频率的阶数，k为测点组数；基于模态振型的模态置信度准则指数MAC与各个测点之间频谱相关性指数FSC分别为；式中：Φk和分别为计算和实测的第i阶模态振型、Upi(ω)、Upj(ω)分别表示冲击荷载作用在p点i、j节点的频谱；MAC指数衡量各阶模态之间的相似程度，FSC指数衡量各个测点之间频谱形状的相似程度；MAC指数和FSC指数取值范围0～1，0表示完全不相关，1则表示完全相关；采用约束优化算法对建立的简化模型进行修正，使目标函数公式表示的残差满足设定的收敛准则：式中：n为迭代次数，ε(％)为容许误差，ξ为容许残差，N为限定最大迭代次数；根据模型修正的结果得到第m个桥墩的损伤指数DI1m、第n个支座的损伤指数DI2n和第m个桥墩冲刷指数DI3m，建立公路桥墩服役状态评估标准，其中，DI1m＝1-Etm/Eem，DI2n＝1-ktn/ken，DI3m＝lm/l0；m＝1,2,…,qq，qq为桥墩的个数；n＝1,2,…,nn，nn为支座的个数。进一步地，所述步骤5)具体为：对于桥墩墩身：若DI1≤0，则判定等级为Ⅰ级，墩身刚度高于设计值，健康状态良好；若0<DI1≤0.25，则判定等级为Ⅱ级，墩身有轻微缺陷，日常巡检中进行重点检查；若0.25<DI1≤0.5，则判定等级为Ⅲ级，墩身有一定缺陷，应加强日常监测，并根据需要采取必要的处理措施；若0.5<DI1≤1，则判定等级为Ⅳ级，桥墩地面或水面以下部分可能发生结构性断裂，应适时采取维修加固措施；对于支座：若DI2≤0，则判定等级为Ⅰ级，支座状态良好；若0<DI2≤0.25，则判定等级为Ⅱ级，支座有轻微缺陷，日常巡检中进行重点检查；若0.25<DI2≤0.5，则判定等级为Ⅲ级，支座有一定缺陷，应加强日常监测，并根据需要采取必要的处理措施；若0.5<DI2≤1，则判定等级为Ⅳ级，支座可能局部脱空或者完全脱空，应进行处理；对于基础冲刷：若DI3≤0，则判定等级为Ⅰ级，基础不存在冲刷；若0<DI3≤0.25，则判定等级为Ⅱ级，基础存在轻微缺陷，日常巡检中进行重点检查；若0.25<DI3≤0.5，则判定等级为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种公路柱式桥墩服役状态快速评估方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)对公路柱式桥墩进行动力响应测试；/n2)对各个桥墩进行整体健全度评估；/n3)建立桥墩简化模型；/n4)对桥梁模型进行修正，根据模型修正的结果得到桥墩墩身和支座损伤程度和基础冲刷深度；/n5)根据墩身和支座的损伤指数，和基础冲刷深度建立桥墩主要构件服役安全状态评估标准。/n

【技术特征摘要】
1.一种公路柱式桥墩服役状态快速评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对公路柱式桥墩进行动力响应测试；
2)对各个桥墩进行整体健全度评估；
3)建立桥墩简化模型；
4)对桥梁模型进行修正，根据模型修正的结果得到桥墩墩身和支座损伤程度和基础冲刷深度；
5)根据墩身和支座的损伤指数，和基础冲刷深度建立桥墩主要构件服役安全状态评估标准。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：
以冲击荷载为激励，在柱式桥墩上安装振动传感器，采集冲击荷载时的振动响应信号。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述振动传感器安装在桥墩侧面，测试方向沿桥梁纵向，每个墩柱布置上中下三个测点。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：
对采集得到的振动响应信号进行傅里叶变换，得到振动响应频谱，根据振动响应频谱得到该桥梁的实际自振频率fc，对比桥墩自振频率基准值，依据桥墩健全度评估指数SI来评估桥墩整体状态，所述桥墩健全度评估指数SI为：
SI＝fc/f0
式中：fc和f0分别为桥墩实测自振频率和桥墩自振频率基准值。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据桥墩健全度评估指数SI＝fc/f0确定各个桥墩状态，具体为：
若SI≥1，则判定桥墩等级为Ⅰ级，桥墩存在问题较少，处于健康状态；
若0.9≤SI<1，则判定桥墩等级为Ⅱ级，需注意桥墩日常检查；
若0.8≤SI<0.9，则判定桥墩等级为Ⅲ级，需进行定期测试，密切监控其状态变化；
若SI<0.8，则判定桥墩等级为Ⅳ级，需对桥墩进行详细动力评估和参数识别，判断病害的位置和程度，适时采取维修加固措施。


6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：
将桥墩模型使用有限元软件进行模拟：使用梁单元模拟桥墩、基础、横系梁等结构，材料刚度EI等于材料弹性模量E与梁单元截面惯性矩I的乘积，冲刷腐蚀部分材料弹性模量为E1，未冲刷腐蚀部分材料弹性模量为E2；采用矩阵单元模拟支座，支座刚度为k；建立冲刷深度l与土体约束弹簧刚度K的关系，将土体对桥墩的约束简化为节点的6个自由度，6个自由度分别为顺桥向水平弹簧Kx、横桥向水平弹簧Ky、垂直弹簧Kz以及绕各个方向的扭转弹簧Krx、Kry、Krz；桥墩、基础、横系梁、支座的初始刚度设计参数为E0I、k0，初始冲刷线为l0。


7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：
对桥梁模型进行修正，将桥墩、基础、横系梁冲刷腐蚀部分弹性模量E1、支座刚度k、冲刷深度l作为待修正参数对墩身损伤、支座损伤和桥墩冲刷进行修正；
将试验得到的模态频率fe、模态置信度准则指数MACe、各个测点之间频谱相关性指数FSCe作为目标值，将桥墩理论简化模型得到的模态频率ft、模态置...

【专利技术属性】
技术研发人员：马少飞，战家旺，申强，刘渊，毕硕松，朱建明，王巍，张磊，张飞，王树军，丁铭，乔国栋，陈宗然，
申请(专利权)人：北京新桥技术发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11