混凝土桥梁空心板铰缝劣化模拟及预养护研究

目的 研究大跨径空心板梁桥铰缝在不同损伤状态下铰缝混凝土劣化指标,为该类梁桥的预养护提供参考。方法 应用MIDAS软件建立有限元分析模型,并通过试验分析不同受损长度及位置下铰缝劣化指标,进而提出新型铰缝检测方案,基于试验提出铰缝劣化指标,结合注环氧树脂加固技术进行铰缝预养护;结合现有桥梁历年检测数据,提出铰缝混凝土服役年限预估方法。结果 提出了劣化指标公式及铰缝混凝土劣化模型,通过铰缝混凝土劣化模型可计算出劣化时间,试验桥梁采取新型检测方案和预养护结合技术后,铰缝混凝土劣化时间延长至未采取措施前的2倍以上。结论 应用新技术可以提前预防铰缝受损,节约维修加固成本,延长寿命,为此类空心板梁桥铰缝的预养护管理和维修加固提供参考。     

空心板梁桥铰缝疲劳损伤试验及评估方法研究

为研究混凝土空心板梁桥铰缝在疲劳荷载作用下的损伤规律,设计了三梁两铰缝结构体系的疲劳试验。对板梁挠度、裂缝开展、铰缝两侧的挠度差以及横向开合等进行了分析,提出了可以评价铰缝损伤状态的损伤系数,并在实际桥梁上进行了应用与分析。研究结果表明：在疲劳荷载作用下,铰缝性能劣化以及梁体的刚度退化趋势均具有“快-慢-快”的特点。在约15%的寿命周期中,铰缝开始全线渗水,但铰缝横向传力能力仍较强;在此以后约75%的寿命周期中,铰缝损伤发展较缓慢;在最后约10%的寿命周期里,铰缝传力能力快速下降,梁体损伤迅速,铰缝接近失效。通过对实际桥梁进行试验验证,证明所提损伤系数评价铰缝所处的损伤状态是可行且有效的。     

基于车桥耦合振动的空心板桥铰缝损伤评价指标分析

铰缝损伤是装配式混凝土空心板桥的典型常见病害,研究基于交通荷载下结构动力响应的铰缝损伤判别方法,将大幅降低检测耗时和费用。以典型桥例,应用自编的车桥耦合振动分析程序,针对多种典型的铰缝损伤工况,采用数值方法系统地分析了铰缝损伤对车载下桥梁动力响应的影响。结果表明铰缝损伤对桥梁跨中动力响应峰值及其横向分布有明显影响。通过对损伤前后桥梁动力响应变化特征的量化分析,提出了铰缝刚度和加速度幅值比两个铰缝损伤的评价指标,并通过算例进行了初步分析验证。研究结果可为空心板桥铰缝损伤检测与评价提供一种新的技术思路。     

基于静态应变及位移测量的结构损伤识别法

针对桥梁健康监测中结构参数识别所需的精度以及算法稳定性,探讨了基于静态应变及位移测量的结构刚度参数评估技术,由于量测住处的有限以及测量噪声的干扰,算法所建立的方程往往是一个病态的非线性方程。通过梯度法与Ｇauss-Newton法以及Monte-Carlo法的综合运用可有效解决这一问题,数值模拟实验的结果表明：只要测点布置合理、加工工况足够,基于结构静态响应的参数识别效果相当理想。     

新型销接钢筋铰缝弯剪复合作用下传力性能

为了研究铺装层厚度和销接钢筋铰缝对空心板桥铰缝传力性能的影响规律,通过改变桥面铺装层厚度和铰缝的配筋形式,设计了2组共4个梁式铰缝试件。进行了弯剪复合作用下结构开裂荷载、通缝荷载和极限荷载测试,与不带铺装层铰缝结构相比,传统结构加铺装层后分别提高了7.7%、114.3%和25.9%,新型销接钢筋铰缝结构加铺装层后分别提高了9.8%、61.3%和58%;与传统铰缝结构相比,新型销接钢筋与铺装层组合使用分别提高了28.6%、66.7%和88.2%,单独使用新型销接钢筋铰缝结构分别提高了26.2%、121.4%和50%。弯剪荷载作用下,加载侧与铰缝间荷载传递,在铰缝界面开裂前依靠界面黏结力,界面开裂后依靠界面黏结力和抗拉钢筋,界面裂缝贯通后,依靠抗拉钢筋传递荷载;铰缝与非加载侧自始至终通过界面黏结力实现荷载传递,新型销接钢筋铰缝多重横向受力钢筋自下而上依次破坏,破坏过程呈现出一定的延性。     

空心板铰缝结构耐用性能的试验研究

针对铰缝结构的经时耐用性能缺少有效的定量评价方法,造成铰缝部位成为桥梁结构设计和桥梁服役管理的盲区这一问题,基于试验研究定义了空心板铰缝协同工作系数,用空心板铰缝协同工作系数来评价铰缝结构对相邻空心板协同工作程度．在此基础上,建立了相应的回归计算模型,通过引入铰缝钢筋锈蚀率随时间变化的计算公式,建立了空心板铰缝协同工作系数随时间变化的计算公式．对常用的深、中、浅3种空心板铰缝形式的经时耐用性能进行了评价．结果表明：深、中、浅的排序逐渐恶化;浅、中2种铰缝结构的服役寿命相近,除冰盐环境下不同跨度的空心板梁桥的使用年限大致在3～6a波动;深铰缝结构的抗蚀能力较强,不同跨度的空心板梁桥的使用年限大致在6～29a波动．     

基于位移差曲率的下承式拱桥吊杆损伤识别

依据摄动有限元理论研究了拱桥吊杆损伤对拱桥位移的影响,提出了基于吊杆损伤前后拱桥位移差曲率的吊杆损伤识别方法,即先测出吊杆损伤前后的拱桥位移,求出位移差曲率,再依据位移差曲率曲线进行损伤识别。通过某下承式拱桥的有限元模型分析,表明该方法不仅能准确识别出损伤吊杆的位置,而且还能大致判断出吊杆的损伤程度,验证了该方法的正确性。该方法不仅适用于单根吊杆损伤的识别,而且还适用于多根吊杆损伤的识别,测试简单、精度较高,适合于工程应用。     

基于对称挠度差值影响线的装配式简支空心板桥上部结构损伤识别

根据荷载横向分布将空心板桥简化为单板,依据虚功原理推导了考虑荷载横向传递的简支梁上任意截面的挠度影响线、对称挠度差影响线及其曲率的解析表达式.由解析解可知,集中荷载位于无损区域和损伤区域时,挠度差值与荷载位置分别呈二次方和四次方关系;损伤区域和与其相对称的区域的挠度差值曲线的曲率与荷载位置呈二次方关系,其余区域的挠度差值曲线的曲率是常量,因而挠度差值曲线及其曲率曲线上存在拐点且拐点与无损区域和损伤区域的界线相对应.基于此,提出了基于挠度差影响线及其曲率的空心板局部损伤快速识别方法和应用模式.该方法仅需一辆机动车移动加载和一个挠度测点,即可对空心板的局部损伤进行识别.     

基于转角模态小波变换的连续梁损伤识别研究

针对采用基本振型进行小波变换识别连续梁支座附近损伤的困难,提出了运用转角模态小波变换识别损伤的方法.该方法在对连续梁转角模态进行有限元分析的基础上,用墨西哥帽小波做连续小波变换,并由多尺度小波分析确定损伤位置,由低尺度上的小波系数模极大值识别相对损伤程度,由小波系数线特征确.定损伤类型.通过对一具有离散裂缝、裂缝群和局部刚度下降三类损伤的连续梁做数值计算分析,验证了方法的有效性.该方法对连续梁损伤识别的工程应用具有参考价值.     

基于残余力向量法的悬臂梁损伤识别研究

从自由振动微分方程出发详细推导了残余力向量的表达式，以一矩形等截面悬臂粱为研究对象，利用残余力向量法，通过数值模拟，实现了对预制裂纹粱的损伤识别；鉴于实际结构建模的误差，提出了改进的残余力向量法，并在振动实验中验证了该方法更适合实际工程应用。     

基于参数离散化的梁式桥损伤识别方法

针对梁式桥提出了一种基于参数离散化的损伤识别方法,并以结构动力指纹、实测位移、速度、结构刚度矩阵及其影响矩阵为变量,提出了全面损伤指标I1和精准损伤指标I2,通过数值模拟和实桥试验验证了该损伤识别方法的敏感性和抗噪性.结果表明,损伤指标I1和损伤指标I2均能有效实现梁式桥的损伤识别,且损伤指标I1具有更好的损伤敏感性和抗噪性,而损伤指标I2相对漏诊的可能性较低.在新沂河大桥损伤识别中,损伤指标I1能基本拟合梁式桥裂缝分布,较全面地反映出桥梁的损伤概况;而损伤指标I2对梁式桥中的重大损伤更为敏感,对于桥梁重大病害损伤识别的抗干扰性较高,能较准确反映桥梁结构的主要损伤.基于参数离散化的损伤识别方法可从本质上揭示梁式桥刚度损伤的数学形式,有效应用于梁式桥损伤识别中.     

铰接预应力混凝土空心板梁桥的空间受力行为及加固分析

为研究铰接预应力混凝土空心板梁桥沿铰缝产生裂缝的病害机理及其加固方案,以某装配式空心板桥为背景,通过利用实体单元对包括企口铰缝在内的准确模拟,建立空间有限元模型进行数值分析.通过分析控制截面处相关应力值,得出铰缝处横向应力超标为产生此病害的主要原因;在此基础上,提出采用增设横向预应力体系进行加固和改善桥梁横向受力的2种方案,并对其进行数值分析和比较.结果表明,所提出的加固方案均能有效减少铰缝间混凝土的横向拉应力,改善结构的整体受力;在距梁底25 cm处设置相应的横向预应力钢筋的加固效果更加明显,且在耐久性与安全性方面更具优势.     

基于预制累积损伤模型的大跨径梁桥损伤响应分析

针对大跨径PC梁桥建造过程中存在的局部损伤及构件损伤问题,提出预制累积损伤模型及基于此模型的大跨径PC梁桥结构损伤响应分析方法.考虑桥梁施工阶段两种累积损伤效应组合,建立基于预制累积损伤的两类累积损伤工况结构响应模型,对累积损伤导致的梁桥应力和变形状态影响效应做定量和定性分析研究.结果表明,大跨径梁桥在考虑钢筋锈蚀损伤参与组合时,预应力效应损伤引起结构位移明显上拱或下挠;箱梁应力变化影响亦受预应力损伤度控制.     

梁桥结构损伤系统识别

基于梁桥的静态试验数据,采用系统识别原理,提出了一种梁桥结构损伤的识别方法。结合一五跨连续梁桥结构,进行了数值分析,取得了满意的识别结果,表明该方法具有较好的收敛性和可靠性。     

弯桥存在损伤时的位移影响线研究

鉴于弯桥的竖向位移便于测量,其影响线反映移动荷载沿某条车道移动时某一观测点的位移变化规律,利用位移影响线二阶导数可以对弯桥进行损伤检测分析。采用梁格法建立分析模型,通过研究同一模型的不同横截面位置、不同程度的损伤与同一车道纵桥向不同观测点的影响线二阶导数关系,验证了影响线二阶导数对弯桥损伤位置及程度检测的有效性。根据以上研究的影响线二阶导数特点,定义影响线二阶导数在损伤位置相邻荷载作用点的平均值与损伤位置的差值,取绝对值作为评价检测敏感度的指标,指标越大表示检测敏感度越高。又通过研究相同跨径时,曲率半径从R=30 m变化至R=220 m的20个有限元模型两条车道的40组影响线数据,发现随着弯曲程度的增大,外侧车道的检测敏感程度也随之增大,而内侧车道则呈现相反趋势,同一条件下内侧车道的检测效果要好于外侧车道。     

基于有限曲条理论弯箱梁桥位移参数的动态Bayes-CG估计

应用Bayes-CG方法,动态地估计了弯箱梁桥位移参数.基于Novozhilov理论,推导了简支弯箱梁桥有限曲条控制方程,利用谐函数的正交性解决了曲条刚度矩阵元素的耦合问题;结合柔度理论,解决了箱横隔板的超静定求解问题;应用Bayes定理,建立了弯箱梁桥位移参数的动态Bayes误差函数,推导了相应的动态Bayes均值和方差表达式.提出步长的一维自动寻优方案后,结合CG法研究了弯箱梁桥位移参数的动态Bayes估计方法,同时给出了弯箱梁桥位移参数具体估计步骤.典型算例分析结果表明:有限曲条元法是分析弯箱梁桥的有效计算方法,所需条元少且计算精度高;Bayes-CG方法能正确地动态估计弯箱梁桥位移参数,且参数先验信息合理时,待估参数稳定地收敛于参数实际值.     

基于马氏距离累积量的斜拉桥主梁损伤识别方法研究

斜拉桥主梁是其运营中最为主要的受力构件,主梁的损伤识别方法研究一直是热点问题。针对结构健康监测数据,提出了一种基于马氏距离累积量的时域损伤识别方法。首先,构造基于马氏距离累积量的结构损伤识别向量,给出了利用监测数据进行损伤识别的操作流程。其次,建立了金塘大桥有限元模型,以正弦力激励的方式获得结构单元在健康及损伤状况下的加速度数据;并利用无损伤状态下的加速度数据作为参考样本,损伤状态下的加速度数据作为待测样本,通过对比损伤识别向量的变化情况进行斜拉桥主梁的损伤识别。最后,针对金塘大桥的实桥监测数据,进一步验证了该方法的有效性。结果表明,基于马氏距离累积量的损伤识别方法可以较为准确的识别斜拉桥主梁的损伤状况。     

基于横张增量法的PC梁桥现存应力测试与评估

针对目前预应力混凝土桥梁由于多方面因素造成的预应力损失,基于静力平衡原理,通过横张增量法对实桥进行预张力测试,采用线性条件下二级间增量方式消除误差,得出实测桥梁的目标钢束现存应力,并与规范中理论设计值进行对比分析,确定在役桥梁预应力储备状况。研究结果表明：实测箱梁跨中8根正弯矩束中,有3根钢束有效预应力实测值小于设计值13.36%～23.7%,墩顶4根负弯矩束实测值较设计值大16.86%～24.59%,由此说明,PC箱梁预应力损失较严重,主梁刚度有所下降。     

基于广义柔度曲率信息熵的梁结构损伤识别方法

广义柔度矩阵具有普通柔度矩阵的基本性质,且仅用一些低阶模态数据就可较为准确地获取,减少了截断高阶模态带来的截断误差。结合广义柔度矩阵对低阶损伤模态的敏感性与信息熵对系统非线性显著的突显作用,提出了广义柔度曲率信息熵指标。新指标以广义柔度曲率矩阵对角向量中每个元素与对角元素之和的比值作为整体概率函数,构造新的信息熵函数识别指标。使用简支梁和连续梁两种不同形式的梁结构算例对所提指标的损伤识别能力进行了分析验证,并采用服从截尾高斯分布的误差模型对所提指标的抗噪性进行分析。结果表明：广义柔度曲率信息熵指标能有效识别结构单处、对称位置处及多处损伤,且在误差不大于10%的情况下具有较好的识别精度。