CN105160142A - 用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，涉及桥梁管理养护领域，该方法包括确定待测桥梁钢箱梁的预期剩余使用寿命，选择待测桥梁的测试断面；确定待测钢箱梁测试断面内的疲劳易损点，选择至少9个疲劳易损点，作为测点，在每个测点处均安装应变传感器；通过所有的应变传感器，监测所有的测点在车辆经过时的应变数据，监测时间不少于7天，根据应变数据计算每个测点的剩余使用寿命；分别判断左幅预警测点、右幅预警测点的剩余使用寿命是否小于待测桥梁的预期剩余使用寿命，并采取相应养护方法。本发明的修复成本较低，施工时间较短，能够延长桥梁的使用寿命。

Description

用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法

技术领域

本发明涉及桥梁管理养护领域，具体涉及一种用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法。

背景技术

我国自20世纪80年代开始使用正交异性桥面板钢箱梁，作为大跨度桥梁和中跨度桥梁的主梁结构，钢箱梁是承受汽车车轮荷载的主体，桥梁使用过程中，钢箱梁受到行走车辆的作用时，会产生应力。

当行走车辆超重和超载时，钢箱梁产生的应力随之增大，在长期车辆荷载甚至超载作用下，钢箱梁容易发生疲劳损伤甚至裂缝，导致桥梁的承载能力降低，使用寿命缩短。

通过对钢箱梁结构进行受力分析和疲劳开裂病害调研得到：钢箱梁的疲劳裂纹通常出现在载荷分担率高、应力集中的结构部位，其包括邻近车辆轮载作用的U肋与面板之间的纵向角焊缝处、纵肋与横隔板交叉处的弧形缺口处、U肋对接焊处、横隔板与面板的焊接处。

为了延长桥梁的使用寿命，桥梁管理养护人员通常对桥梁进行定期检查和日常巡检。当工作人员发现钢箱梁受到损伤时，通常采取焊接、栓接、铆接和粘钢的方式修复钢箱梁受到损伤之处。

现有的管理养护方法存在以下缺陷：

(1)管理养护人员通过定期检查和日常巡检，难以发现钢箱梁上较小的损伤，只有当损伤扩大到可检测的尺寸时，管理养护人员才能发现损伤并采取修复措施，修复不及时，与修复较小的损伤相比，修复尺寸较大的损伤成本较高。

(2)使用焊接的方法修复损伤时，焊接时的高温会导致热塑区钢箱梁母材的材质变脆、断裂韧性降低；焊接的焊缝通常存在裂纹、气孔、残余应力等缺陷，上述缺陷容易导致修复后的区域再次断裂，修复后的钢箱梁容易再次受损；使用栓接或铆接的方法修复钢箱梁的损伤时，通常需要在邻近损伤之处的母材上开孔，开孔会削弱母材的截面，降低母材的受力能力，导致母材形成新的应力集中区，修复后的钢箱梁容易再次受损；使用粘钢的方法修复钢箱梁的损伤时，需要使用辅助机械设备进行加压，粘钢的方法工艺比较复杂，施工质量不易保证。

采用焊接、栓接、铆接和粘钢的方式修复钢箱梁的施工比较复杂，施工时间比较长，施工成本较高。

采用焊接、栓接、铆接和粘钢的方式修复，均会造成钢箱梁的自重和尺寸增大，容易导致钢箱梁产生新的结构缺陷，缩短桥梁的使用寿命。

(3)现有的管养方法没有改变钢箱梁结构的受力，修复后的损伤部位仍然是受力较大部位，在后续的行走车辆的冲击力作用下仍然容易发生损伤，缩短桥梁的使用寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，维修养护及时，养护成本较低，施工时间较短，不对结构产生新的损伤，能够延长桥梁的使用寿命。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于、包括以下步骤：

A、确定待测桥梁的预期剩余使用寿命，将待测桥梁中受力最大的截面作为测试断面，将与测试断面对应的钢箱梁段作为待测钢箱梁段；在待测钢箱梁段的内部，确定与测试断面对应的疲劳易损点，选择至少9疲劳易损点作为测点，在每个测点均设置应变传感器，转到步骤B；

B、每个应变传感器监测车辆经过对应测点时的应变数据，监测时间不少于7天；根据每个测点的所有应变数据计算得到该测点的剩余使用寿命，将所有位于中央分隔带左侧的测点为左幅测点，所有位于中央分隔带右侧的测点为右幅测点，转到步骤C；

C、将剩余使用寿命最短的左幅测点作为左幅预警测点；将剩余使用寿命最短的右幅测点作为右幅预警测点；

判定左幅预警测点的剩余使用寿命小于待测桥梁的预期剩余使用寿命，将左幅预警测点作为待分析点，转到步骤D；

判定右幅预警测点的剩余使用寿命小于待测桥梁的预期剩余使用寿命，将右幅预警测点作为待分析点，转到步骤D；

D、将待分析点所在的车道作为待受力分析车道；将测试车辆放置于待受力分析车道上，测试车辆的轮轴中心与待受力分析车道的横向中心线重合；将测试车辆沿垂直于待受力分析车道顺行方向平移若干次，每次平移的距离均为0.5～5cm，移动总距离为80～180cm，通过有限元法计算待分析点的应力影响线，转到步骤E；

E、确定应力影响线的应力最小值对应的移动距离y1；将待分析点所在半幅桥面上的所有车道的分隔线向最外侧车道方向平移，平移距离为a，a＝y1；

F、重复执行步骤B至步骤E。

在上述技术方案的基础上，步骤A中所述确定与测试断面对应的疲劳易损点，包括以下步骤：将待测钢箱梁段与测试断面对应的所有顶板与U肋纵向连接点，所有横隔板与U肋下缘连接点，所有U肋的横向连接点，均作为疲劳易损点。

在上述技术方案的基础上，步骤A中所述选择至少9个疲劳易损点作为测点包括以下步骤：在待测钢箱梁顶部每个车道中，选择至少3个顶板与U肋纵向连接点、至少3个横隔板与U肋下缘连接点、至少3个U肋横向连接点，作为测点。

在上述技术方案的基础上，步骤B中所述根据应变数据计算每个对应测点的剩余使用寿命，包括以下步骤：

统计分析每个测点每天的应变数据，得到每个测点的日应力谱；测试不少于7天后，得到每个测点在每天承受的应力幅循环为Δσ_i(i＝1,2,...,m)，对应作用次数为n_i(i＝1,2,...,m)的荷载作用下，常幅疲劳极限应力幅为Δσ_L，疲劳截止限应力幅为Δσ_out时，根据公式1：

$D_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{n_i}{5\&times;{10}^6{({\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i/{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L)}^m},& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L\\ \frac{n_i}{5\&times;{10}^6{\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i}{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L}\right)}^{m+2}},& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_{\mathrm{out}}\&le;{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i<{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L\\ 0,& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i<{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right.$

得到每个所述测点对应每种应力幅循环作用下的累计损伤度D_i；

根据每个所述测点的每种应力幅循环作用下的累计损伤度D_i和公式2，得到对应测点的每日累积损伤度D_d；

公式2为：

$D_d=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_i$

确定待测桥梁的已使用寿命T_h，根据所述对应测点的每日累积损伤度D_d、桥梁的已使用寿命T_h和公式3，计算得到对应测点的历史累积损伤度D_h：

公式3为：

D_h＝D_d×T_h

根据对应测点的每日累积损伤度D_d、历史累积损伤度D_h和公式4计算对应测点的预期剩余使用寿命T；

公式4为：

T＝(1-D_h)/D_d。

在上述技术方案的基础上，步骤C中所述将剩余使用寿命最短的左幅测点作为左幅预警测点；将剩余使用寿命最短的右幅测点作为右幅预警测点之后，包括以下步骤：判定左幅预警测点的剩余使用寿命在待测桥梁的预期剩余使用寿命以上，重新执行步骤B；

判定右幅预警测点的剩余使用寿命在待测桥梁的预期剩余使用寿命以上，重新执行步骤B。

在上述技术方案的基础上，步骤D所述每次平移的距离均为1cm，所述移动总距离为90cm。

在上述技术方案的基础上，步骤E中所述将待分析点所在半幅桥面上的所有车道的分隔线向最外侧车道方向平移之后，还包括以下步骤：重新喷涂待分析点所在的半幅桥面上所有的车道分隔线，同时铲除原桥面车道分隔线，得到养护后的车道分隔线。

在上述技术方案的基础上，所述应变传感器选用温度自补偿光纤光栅应变传感器。

在上述技术方案的基础上，所述应变传感器的测试频率为20～120Hz。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明中的应变传感器可以实时监测待测点的应力变化数据，并将应力变化数据输至计算机，计算机能够对应力变化数据进行处理，得到测点的剩余使用寿命，当测点的剩余使用寿命小于对应待测桥梁的预期剩余使用寿命时，提醒管养部门对钢箱梁进行维修养护，与现有技术中钢箱梁受损尺寸较大时，工作人员才能发现并采取相应维修养护措施相比，能够在损伤较小时，对钢箱梁进行维修养护，维修养护及时，有效降低了修复成本。

(2)本发明的养护方法包括计算预警点的应力影响线L(y)，确定车道分隔线平移的距离a，将所有车道分隔线向最外侧车道方向平移a，重新喷涂车道分隔线，同时铲除原桥面车道分隔线，重新布置分隔线，与现有技术中采用焊接、栓接、铆接和粘钢的方式修复钢箱梁相比，本发明能够改变所有测点特别是预警点对应的车道上，车辆荷载作用的位置，进而能够改善钢箱梁的受力分布，不对结构产生新的损伤，不仅维修养护成本较低，而且施工时间较短，能够延长桥梁的使用寿命。

(3)本发明的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，包括设置于待测钢箱梁内的测点设置应变传感器，测试时桥面的交通能够保持畅通，比较方便。

(4)本发明的能够通过对钢箱梁内部的测点进行后续监测评估来监测养护后结构的性能、并及时预警，能够保障桥梁的运营安全。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，包括以下步骤：

S1：确定待测桥梁的预期剩余使用寿命，对待侧桥梁结构的整体受力进行计算，得到待测桥梁的所有钢箱梁的纵断面受力分布，选择待测桥梁结构中受力最大的截面，作为测试断面，将测试断面所在的钢箱梁段作为待测钢箱梁段。

S2：将待测钢箱梁段内，所有与测试断面对应的顶板与U肋纵向连接点作为第一连接点，所有横隔板与U肋下缘连接点作为第二连接点，所有U肋横向连接点作为第三连接点。

S3：在待测钢箱梁段顶部的每个车道，选择至少3个第一连接点、至少3个第二连接点、至少3个第三连接点，作为测点，在每个测点设置应变传感器。

S4：通过光缆将所有的应变传感器与光纤光栅解调仪连接，将光纤光栅解调仪与计算机连接。

S5：启动光纤光栅解调仪和计算机，每个应变传感器监测车辆经过对应测点时的应变数据，并将测得的应变数据，通过光纤光栅解调仪传送至计算机，监测时间不少于7天。

所有应变传感器的测试频率均为20～120Hz。

S6：通过雨流计数法对每个测点每天的应变数据进行统计分析，得到每个测点每天的日应力谱。

S7：将每个测点测试一个周期后所有的日应力谱进行统计平均计算，得到每个测点的标准日应力谱。

标准日应力谱为桥梁在运营时，对应测点在测试周期内，对应测点平均每天承受不同的应力幅循环Δσ_i(i＝1,2,...,m)作用、对应作用次数为n_i(i＝1,2,...,m)。

S8：根据线性累积损伤准则公式1、2、3，计算并记录每个测点的剩余使用寿命。

公式1为

在应力幅为Δσ_i，对应循环次数为n_i的荷载作用下，当常幅疲劳极限应力幅为Δσ_L，疲劳截止限应力幅为Δσ_out时，根据公式1：

$D_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{n_i}{5\&times;{10}^6{({\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i/{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L)}^m},& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L\\ \frac{n_i}{5\&times;{10}^6{\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i}{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L}\right)}^{m+2}},& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_{\mathrm{out}}\&le;{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i<{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L\\ 0,& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i<{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right.$

计算得到每个测点的累积损伤度。

公式1中：Δσ_L，Δσ_out可以通过钢结构规范查询得到。

根据每个所述测点的每种应力幅循环作用下的累计损伤度D_i和公式2，得到对应测点的每日累积损伤度D_d；

公式2为：

$D_d=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_i$

确定待测桥梁的已使用寿命T_h，根据所述对应测点的每日累积损伤度D_d、桥梁的已使用寿命T_h和公式3，计算得到对应测点的历史累积损伤度D_h：

公式3为：

D_h＝D_d×T_h

根据对应测点的每日累积损伤度D_d、历史累积损伤度D_h和公式4计算对应测点的预期剩余使用寿命T；

公式4为：

T＝(1-D_h)/D_d。

将所有位于中央分隔带左侧的测点为左幅测点，所有位于中央分隔带右侧的测点为右幅测点。

S9：将剩余使用寿命最短的左幅测点作为左幅预警测点；将剩余使用寿命最短的右幅测点作为右幅预警测点；

判断左幅预警测点的剩余使用寿命是否小于待测桥梁的预期剩余使用寿命，若是，将左幅预警测点作为待分析点，转到步骤10；否则，重复执行步骤S5。

判断右幅预警测点的剩余使用寿命是否小于待测桥梁的预期剩余使用寿命，若是，将右幅预警测点作为待分析点，转到步骤10；否则，重复执行S5。

S10：确定待分析点所在的车道为受力分析车道，在受力分析车道上放置测试车辆，测试车辆的轮轴中心与受力分析车道的横向中心线重合，将测试车辆沿垂直于受力分析车道的顺行方向进行若干次平移，每次平移的距离均为0.5～5cm(最优为1cm)，移动的总距离为y，90≤y≤180cm(最优为90cm)。

通过有限元法计算测点应力变化数据与对应的移动总距离y的关系得到预警测点的应力影响线L(y)。

S11：确定应力影响线L(y)中应力最小值对应的移动距离y1，根据y₁确定受力分析车道的分隔线平移的距离a，a＝y₁。

S12：将待分析点所在的半幅桥面对应的所有车道的分隔线均向最外侧车道的方向平移a，重新喷涂分析点所在的半幅桥面上对应的所有车道的分隔线，同时铲除分析点所在的半幅桥面上对应的所有原车道的分隔线，得到养护后的车道分隔线。

S11：重复执行步骤S5～S9。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于、包括以下步骤：

A、确定待测桥梁的预期剩余使用寿命，将待测桥梁中受力最大的截面作为测试断面，将与测试断面对应的钢箱梁段作为待测钢箱梁段；在待测钢箱梁段的内部，确定与测试断面对应的疲劳易损点，选择至少9疲劳易损点作为测点，在每个测点均设置应变传感器，转到步骤B；

B、每个应变传感器监测车辆经过对应测点时的应变数据，监测时间不少于7天；根据每个测点的所有应变数据计算得到该测点的剩余使用寿命，将所有位于中央分隔带左侧的测点为左幅测点，所有位于中央分隔带右侧的测点为右幅测点，转到步骤C；

C、将剩余使用寿命最短的左幅测点作为左幅预警测点；将剩余使用寿命最短的右幅测点作为右幅预警测点；

判定左幅预警测点的剩余使用寿命小于待测桥梁的预期剩余使用寿命，将左幅预警测点作为待分析点，转到步骤D；

判定右幅预警测点的剩余使用寿命小于待测桥梁的预期剩余使用寿命，将右幅预警测点作为待分析点，转到步骤D；

D、将待分析点所在的车道作为待受力分析车道；将测试车辆放置于待受力分析车道上，测试车辆的轮轴中心与待受力分析车道的横向中心线重合；将测试车辆沿垂直于待受力分析车道顺行方向平移若干次，每次平移的距离均为0.5～5cm，移动总距离为80～180cm，通过有限元法计算待分析点的应力影响线，转到步骤E；

E、确定应力影响线的应力最小值对应的移动距离y1；将待分析点所在半幅桥面上的所有车道的分隔线向最外侧车道方向平移，平移距离为a，a＝y1；

F、重复执行步骤B至步骤E。

2.如权利要求1所述的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于，步骤A中所述确定与测试断面对应的疲劳易损点，包括以下步骤：将待测钢箱梁段与测试断面对应的所有顶板与U肋纵向连接点，所有横隔板与U肋下缘连接点，所有U肋的横向连接点，均作为疲劳易损点。

3.如权利要求2所述的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于，步骤A中所述选择至少9个疲劳易损点作为测点包括以下步骤：在待测钢箱梁顶部每个车道中，选择至少3个顶板与U肋纵向连接点、至少3个横隔板与U肋下缘连接点、至少3个U肋横向连接点，作为测点。

4.如权利要求1所述的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于，步骤B中所述根据应变数据计算每个对应测点的剩余使用寿命，包括以下步骤：

统计分析每个测点每天的应变数据，得到每个测点的日应力谱；测试不少于7天后，得到每个测点在每天承受的应力幅循环为Δσ_i(i＝1,2,...,m)，对应作用次数为n_i(i＝1,2,...,m)的荷载作用下，常幅疲劳极限应力幅为Δσ_L，疲劳截止限应力幅为Δσ_out时，根据公式1：

$D_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{n_i}{5\&times;{10}^6{({\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i/{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L)}^m},& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L\\ \frac{n_i}{5\&times;{10}^6{\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i}{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L}\right)}^{m+2}},& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_{\mathrm{out}}\&le;{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i<{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_L\\ 0,& {\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_i<{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_{\mathrm{out}}\end{array}\right.$

得到每个所述测点对应每种应力幅循环作用下的累计损伤度D_i；

根据每个所述测点的每种应力幅循环作用下的累计损伤度D_i和公式2，得到对应测点的每日累积损伤度D_d；

公式2为：

$D_d=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_i$

确定待测桥梁的已使用寿命T_h，根据所述对应测点的每日累积损伤度D_d、桥梁的已使用寿命T_h和公式3，计算得到对应测点的历史累积损伤度D_h：

公式3为：

D_h＝D_d×T_h

根据对应测点的每日累积损伤度D_d、历史累积损伤度D_h和公式4计算对应测点的预期剩余使用寿命T；

公式4为：

T＝(1-D_h)/D_d。

5.如权利要求1所述的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于，步骤C中所述将剩余使用寿命最短的左幅测点作为左幅预警测点；将剩余使用寿命最短的右幅测点作为右幅预警测点之后，包括以下步骤：判定左幅预警测点的剩余使用寿命在待测桥梁的预期剩余使用寿命以上，重新执行步骤B；

判定右幅预警测点的剩余使用寿命在待测桥梁的预期剩余使用寿命以上，重新执行步骤B。

6.如权利要求1所述的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于，步骤D所述每次平移的距离均为1cm，所述移动总距离为90cm。

7.如权利要求1所述的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于：步骤E中所述将待分析点所在半幅桥面上的所有车道的分隔线向最外侧车道方向平移之后，还包括以下步骤：重新喷涂待分析点所在的半幅桥面上所有的车道分隔线，同时铲除原桥面车道分隔线，得到养护后的车道分隔线。

8.如权利要求1～7中任一项所述的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于：所述应变传感器选用温度自补偿光纤光栅应变传感器。

9.如权利要求1～7中任一项所述的用于延长正交异性桥面板钢箱梁桥梁寿命的管理养护方法，其特征在于：所述应变传感器的测试频率为20～120Hz。