CN105956256A - 一种既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法 - Google Patents

一种既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利公开了一种既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估计算方法。针对复杂区域出现钢筋锈蚀、混凝土开裂、碳化等病害，确定复杂区域的荷载及边界条件，然后建立该复杂区域的拉杆模型和压杆模型，根据检测结果，进一步确定拉杆、压杆及节点考虑上述病害后的折减系数，按照拉杆强度控制、压杆强度控制及节点强度控制的原则，计算得到最小的承载力值,最后，根据承载力评估结果，确定加固传力模型，不断调整加固的拉杆、压杆及节点位置，或不断增加拉杆、压杆的加固量，直至满足使用要求。该方法不仅解决了截面法计算混凝土复杂区域不适用、有限元法计算复杂、配筋困难的问题，还能更加精确的估算旧桥复杂区域的承载力。

Description

一种既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法
技术领域
本发明涉及一种对既有混凝土桥梁复杂区域进行承载力评估和加固的计算方法，属于桥梁工程技术领域
背景技术
既有混凝土桥梁由于荷载与不良环境的共同作用出现不同损伤，主要表现为材料劣化(钢筋锈蚀、混凝土碳化、氯化物侵蚀等)和断面破损(裂缝、表面损伤等)等病害。这些因素的存在，都将导致结构的承载力降低，而其真实的承载力由于结构还需继续使用，往往不能通过破坏性试验获得。
2011年，国家交通运输部发部了《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/TJ21-2011)，在该版的规程中，它克服了旧桥检算系数主要依据专家经验确定，检算系数评定标准难以把握和检测结果无法定量化应用等问题，并根据桥梁检测结果，采用引入分项检算系数修正极限状态设计表达式的方法进行承载能力评定，提高了桥梁承载能力评定的客观性和可操作性。但该规程对既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估未给出相应的方法。
既有混凝土桥梁复杂区域由于应力紊乱，基于平截面假定而建立起来的截面法无法准确估算该区域的承载力，也无法确定其加固量。拉杆模型和压杆模型是解决复杂区域的有力工具，它具有传力简洁、直观，计算量小等优点，对既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固可以采用拉杆模型和压杆模型的方法。现有的研究表明，对既有混凝土桥梁复杂区域的评估与加固必须考虑既有结构的损伤和材料的劣化，才能正确估算复杂区域的承载力评估与加固量。
发明内容
针对既有混凝土桥梁复杂区域承载力评估和加固所遇到的上述问题，本发明专利提出了一种既有混凝土桥梁复杂区域承载力评估与加固的计算方法，解决了截面法计算混凝土复杂区域不适用、有限元法计算复杂、配筋困难的问题。
一种既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法，包括以下步骤：
S1、确定复杂区域的荷载及边界条件；
S2、建立该复杂区域的拉杆及压杆模型；
S3、对复杂区域进行检测，根据检测结果，确定拉杆、压杆及节点有效强度的折减系数，并修正已经建立的拉杆模型和压杆模型；
S4、按照拉杆强度控制、压杆强度控制及节点强度控制的原则，计算得到最小的承载力值，该值就是旧桥的承载力值；
S5、根据承载力评估结果，确定加固传力模型，不断调整加固的拉杆、压杆及节点位置；或不断增加拉杆、压杆的加固量，直至满足使用要求。
步骤S1中，从既有结构中抽象隔离出复杂区域，所述复杂区域包括：连续梁中间支座、集中力、梁端、预应力锚固端、框架转角、牛腿、花瓶墩、斜拉索索塔锚固区及预应力齿板，然后确定这些复杂区域的荷载值，并简化边界条件。
步骤S2中：
对于常见的复杂区域，如连续梁中间支座、集中力、梁端、预应力锚固端、框架转角、牛腿、花瓶墩、斜拉索索塔锚固区及预应力齿板，直接建立拉杆模型和压杆模型；
对于异形复杂区域，先采用有限元分析软件进行拓扑分析，优化目标为拉杆模型和压杆模型应变能最小、拉压杆位置和主拉、主压应力迹线合力重合；见式(1)：
式(1)中，Ni为杆件所受轴力大小，li为杆件的长度，Ai为杆件的截面面积，Ei为杆件的弹性模量大小，∏为杆件所受承载力大小。
步骤S3中对既有结构进行检测包括：确定混凝土碳化、钢筋锈蚀、裂缝开裂的宽度、长度、深度及方向，然后考虑上述病害的影响，对拉杆、压杆及节点的有效强度进行折减。
步骤S3中钢筋锈蚀引起的拉杆强度折减考虑钢筋表面出现锈蚀引起局部应力集中，钢筋的力学性能将会发生退化，锈蚀钢筋的屈服强度、抗拉强度和钢筋锈蚀程度之间的关系模型：
式(2)和式(3)中：fys，fbs分别为按锈蚀后实际面积得出的屈服强度和抗拉强度；
fy0，fb0分别为锈蚀前的屈服强度和抗拉强度；
ηs为平均截面损失率,既预应力筋锈蚀前后质量差与锈蚀前质量之比；
同时考虑钢筋锈蚀引起其自身截面损失和粘结性能退化，钢筋的面积可以表达为：
式(4)中：Ay,s为纵向受拉钢筋等效截面面积；
Asi为第i根受拉钢筋截面面积设计值；
ksi为第i根受拉钢筋协同工作系数，主要考虑粘结性能退化的影响；
ξsi为第i根受拉钢筋截面面积减少系数；
式(5)中：ksi为第i根受拉钢筋协调工作系数，
ω为构件锈胀裂缝宽度，
ωs为钢筋锈蚀前构件裂缝宽度，
ωb为钢筋锈蚀后构件裂缝宽度，
β为钢筋位置系数；当ksimin取0.75，ωs取0.25mm，ωb取3.5mm,β的取值0.046；
式(6)中：ηsi为第i根钢筋平均截面损失率；
ξsi为第i根受拉钢筋截面面积减少系数；
式(7)中：di为第i根钢筋的钢筋直径；
δei(t)为第i根钢筋的锈蚀深度；
ηsi为第i根钢筋平均截面损失率；
对于压压压(CCC)节点和压压拉(CCT)节点，当需要长期服役的混凝土结构利用拉杆模型和压杆模型计算时，压压压(CCC)节点区混凝土强度有效系数βn取0.8；当需要长期服役的混凝土结构利用拉杆模型和压杆模型计算时，其中CCT节点区混凝土强度有效系数取0.6；
对于瓶形压杆，当出现钢筋锈蚀后，压杆的有效强度系数取：
式(8)中，Fns'为压杆极限承载力；
fc'为混凝土轴心抗压强度值；
Ac为受压混凝土截面面积；
kd为锈蚀钢筋协同工作系数，kd的取值，当实测的钢筋锈蚀后屈服强度与未锈蚀的没有太大影响，取kd＝1.0；当钢筋发生锈蚀时，按公式(5)取值；
A's为受压钢筋截面面积，fs'受压钢筋的抗压强度值；
为考虑钢筋锈蚀后承载力折减系数，的取值，当配置横向竖向钢筋网格时当配置斜向钢筋网格时ρ为钢筋锈蚀率；β'为压杆强度有效系数，根据压杆不同的类型和不同的配筋形式确定取值；
对于瓶形压杆中β'取值，当配置横向竖向钢筋网格时，β'＝0.8；当配置斜向钢筋网格，45°时，β'＝0.95。
步骤S4中，按照应力比等于1，分别按照拉杆强度控制、压杆强度控制及节点强度控制计算最大承载力，取最小值作为复杂区域的最终承载力值；其中对支座节点强度控制按照Mohr-Coulomb理论双轴强度控制：
式(9)中：f1,f2分别为节点区域的主压应力和主拉应力；ft为钢筋和混凝土共同提供的抗拉强度；fc'为混凝土圆柱体抗压强度，代表了混凝土在f2方向上的抗压强度。
步骤S5中分析既有结构的传力机理，确定合理的加固传力模型，并不断调整加固拉杆、压杆及节点位置，使加固量最小，而承载力最大。
本发明方法相对于现有方法的有益效果是：
本方法不仅解决了截面法计算混凝土复杂区域不适用、有限元法计算复杂、配筋困难的问题，而且还考虑了既有混凝土桥梁的材料的劣化的影响，能更加精确的估算旧桥复杂区域的承载力。
附图说明
图1是这种既有混凝土桥梁复杂区域(复杂区域)的承载力评估与加固计算方法的流程图；
图2是花瓶墩的结构示意图；
图3是图2的侧视图；
图4是花瓶墩的典型拉杆模型
图5是花瓶墩的典型压杆模型；
图6花瓶墩的有限元分析图。
具体实施方式
某大桥的花瓶墩承受着集中力作用，是典型的复杂区域。经过多年的使用后，墩顶出现竖向裂缝，需要进行承载力评估和加固。花瓶墩的尺寸如图2所示。
步骤1：荷载与边界条件的确定；
根据桥梁的设计计算报告，在不同组合下，支座的最大支反力达到11273kN，一个墩上布置左右各一个支座，则每个支座的支反力为：11273/2＝5636.5kN；
花瓶墩的顶面宽度为7m，根据圣维南原理，在距离加载点7m处，其应力将变为均匀，从复杂区域变为B区。而在本桥中，距顶面7m处，桥墩仍然处于变截面，属于几何构造上不连续，仍然处于复杂区域，因此，本桥墩进行承载力分析时，认为桥墩起弧点处应力已经变得均匀。
步骤2：构建拉杆模型和压杆模型；
如图2所示，建立的拉杆模型和压杆模型，建立的拉杆模型和压杆模型中压杆的位置位于距顶面2h/3处。
步骤3：检查拉杆模型和压杆模型是否合理；
如图3所示，有限元模型分析，查看花瓶墩的应力分布是否和拉杆模型和压杆模型中的拉杆和压杆的位置重合。分析表明，图2的拉杆模型和压杆模型是合理的。
步骤4：根据外观检测，分别确定钢筋锈蚀、混凝土碳化深度及裂缝开裂情况，并对相应的拉杆、压杆及节点的强度承载力进行评估。其中混凝土碳化引起的混凝土有效强度可以依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23-2011)的专用测强曲线进行修正。
经检查，未发现钢筋锈蚀，拉杆的钢筋面积不作折减，粘结性能也不作折减。压杆的有效强度系数取0.8，则压杆的强度为：fce＝0.85βsfc’＝0.85×0.8×0.79×30＝16.116MPa。节点有效强度取0.6，则可得到节点处混凝土有效强度：fce＝0.85βnfc’＝0.85×0.6×0.79×30＝12.087MPa。
拉杆控制承载力按照式10进行：
式10中：fy为钢筋抗拉强度设计值，T为拉杆轴向拉力的设计值，As为全部受拉钢筋的截面面积；
压杆控制承载力验算按照式11进行：
式11中：σc为混凝土的应力，Ac为受压混凝土截面面积，Fc为混凝土的强度值，t为混凝土厚度，b为混凝土宽度，fc'为混凝土圆柱体抗压强度；
节点控制验算采用Mohr-Coulomb理论来确定拉杆模型和压杆模型的承载力：
式12中：f1,f2分别为节点区域的主压应力和主拉应力；ft为钢筋和混凝土共同提供的抗拉强度；fc'为混凝土圆柱体抗压强度，代表了混凝土在f2方向上的抗压强度。
分别经压杆、拉杆及节点强度控制计算可知，该花瓶墩的承载力为拉杆控制，需要拉杆面积为：14796.1mm2，而原来配筋只有8295mm2。
步骤5：确定加固传力路径，计算加固量；
由于花瓶墩是拉杆的承载力不足，而节点和压杆的强度具有足够的储备，所以加固仍然采用与承载力评估相同的计算模型。经计算，所需钢筋面积为：14796.1-8295＝6501.1mm2。
从图4中可以看出，支座处的支反力引起了桥墩的顶部产生了横桥向的拉应力，其最大数值与现有结果比较接近，这说明本发明方法建立的承载力评估方法具有良好的精度。

Claims (7)

1.一种既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定复杂区域的荷载及边界条件；
S2、建立该复杂区域的拉杆及压杆模型；
S3、对复杂区域进行检测，根据检测结果，确定拉杆、压杆及节点有效强度的折减系数，并修正已经建立的拉杆模型和压杆模型；
S4、按照拉杆强度控制、压杆强度控制及节点强度控制的原则，计算得到最小的承载力值，该值就是旧桥的承载力值；
S5、根据承载力评估结果，确定加固传力模型，不断调整加固的拉杆、压杆及节点位置；或不断增加拉杆、压杆的加固量，直至满足使用要求。
2.根据权利要求1所述既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法，其特征在于，步骤S1中，从既有结构中抽象隔离出复杂区域，所述复杂区域包括：连续梁中间支座、集中力、梁端、预应力锚固端、框架转角、牛腿、花瓶墩、斜拉索索塔锚固区及预应力齿板，然后确定这些复杂区域的荷载值，并简化边界条件。
3.根据权利要求1所述既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法，其特征在于，步骤S2中：
对于常见的复杂区域，如连续梁中间支座、集中力、梁端、预应力锚固端、框架转角、牛腿、花瓶墩、斜拉索索塔锚固区及预应力齿板，直接建立拉杆模型和压杆模型；
对于异形复杂区域，先采用有限元分析软件进行拓扑分析，优化目标为拉杆模型和压杆模型应变能最小、拉压杆位置和主拉、主压应力迹线合力重合；见式(1)：
式(1)中，Ni为杆件所受轴力大小，li为杆件的长度，Ai为杆件的截面面积，Ei为杆件的弹性模量大小，∏为杆件所受承载力大小。
4.根据权利要求1所述既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法，其特征在于，步骤S3中对既有结构进行检测包括：确定混凝土碳化、钢筋锈蚀、裂缝开裂的宽度、长度、深度及方向，然后考虑上述病害的影响，对拉杆、压杆及节点的有效强度进行折减。
5.根据权利要求1所述既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法，其特征在于，步骤S3中钢筋锈蚀引起的拉杆强度折减考虑钢筋表面出现锈蚀引起局部应力集中，钢筋的力学性能将会发生退化，锈蚀钢筋的屈服强度、抗拉强度和钢筋锈蚀程度之间的关系模型：
式(2)和式(3)中：fys，fbs分别为按锈蚀后实际面积得出的屈服强度和抗拉强度；
fy0，fb0分别为锈蚀前的屈服强度和抗拉强度；
ηs为平均截面损失率,既预应力筋锈蚀前后质量差与锈蚀前质量之比；
同时考虑钢筋锈蚀引起其自身截面损失和粘结性能退化，钢筋的面积可以表达为：
式(4)中：Ay,s为纵向受拉钢筋等效截面面积；
Asi为第i根受拉钢筋截面面积设计值；
ksi为第i根受拉钢筋协同工作系数，主要考虑粘结性能退化的影响；
ξsi为第i根受拉钢筋截面面积减少系数；
式(5)中：ksi为第i根受拉钢筋协调工作系数，
ω为构件锈胀裂缝宽度，
ωs为钢筋锈蚀前构件裂缝宽度，
ωb为钢筋锈蚀后构件裂缝宽度，
β为钢筋位置系数；当ksimin取0.75，ωs取0.25mm，ωb取3.5mm,β的取值0.046；
式(6)中：ηsi为第i根钢筋平均截面损失率；
ξsi为第i根受拉钢筋截面面积减少系数；
式(7)中：di为第i根钢筋的钢筋直径；
δei(t)为第i根钢筋的锈蚀深度；
ηsi为第i根钢筋平均截面损失率；
对于压压压(CCC)节点和压压拉(CCT)节点，当需要长期服役的混凝土结构利用拉杆模型和压杆模型计算时，压压压(CCC)节点区混凝土强度有效系数βn取0.8；当需要长期服役的混凝土结构利用拉杆模型和压杆模型计算时，其中CCT节点区混凝土强度有效系数取0.6；
对于瓶形压杆，当出现钢筋锈蚀后，压杆的有效强度系数取：
式(8)中，Fns'为压杆极限承载力；
fc'为混凝土轴心抗压强度值；
Ac为受压混凝土截面面积；
kd为锈蚀钢筋协同工作系数，kd的取值，当实测的钢筋锈蚀后屈服强度与未锈蚀的没有太大影响，取kd＝1.0；当钢筋发生锈蚀时，按公式(5)取值；
A's为受压钢筋截面面积，fs'受压钢筋的抗压强度值；
为考虑钢筋锈蚀后承载力折减系数，的取值，当配置横向竖向钢筋网格时当配置斜向钢筋网格时ρ为钢筋锈蚀率；β'为压杆强度有效系数，根据压杆不同的类型和不同的配筋形式确定取值；
对于瓶形压杆中β'取值，当配置横向竖向钢筋网格时，β'＝0.8；当配置斜向钢筋网格，45°时，β'＝0.95。
6.根据权利要求1所述既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法，其特征在于，步骤S4中，按照应力比等于1，分别按照拉杆强度控制、压杆强度控制及节点强度控制计算最大承载力，取最小值作为复杂区域的最终承载力值；其中对支座节点强度控制按照Mohr-Coulomb理论双轴强度控制：
式(9)中：f1,f2分别为节点区域的主压应力和主拉应力；ft为钢筋和混凝土共同提供的抗拉强度；fc'为混凝土圆柱体抗压强度，代表了混凝土在f2方向上的抗压强度。
7.根据权利要求1所述既有混凝土桥梁复杂区域的承载力评估与加固计算方法，其特征在于，步骤S5中分析既有结构的传力机理，确定合理的加固传力模型，并不断调整加固拉杆、压杆及节点位置，使加固量最小，而承载力最大。
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