CN106197778A - 一种在役桥梁的有效预应力的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑的有效预应力的评估方法，尤其涉及一种在役桥梁的有效预应力的评估方法。评估方法包括：步骤1，采集车辆活载通过桥梁这一段时间内的裂缝处及该裂缝相邻部位的活载应变数据；步骤2，根据活载应变数据找出裂缝的开口点和开口点对应的活载应变ε；步骤3，计算有效预应力：σ_e＝σ_w+s·E，式中，σ_e：有效预应力；σ_w：根据设计图计算得到的桥梁的恒载应力；ε：裂缝开口点对应的活载应变；E:混凝土的弹性模量。本发明的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，不会对现有桥梁结构造成损伤；也无需预先埋入传感器进行检测，适用于目前在役的预应力钢筋混凝土结构。而且可以在一个点上重复检测，方法简单可靠。

Description

一种在役桥梁的有效预应力的评估方法

技术领域

本发明涉及一种建筑的有效预应力的评估方法，尤其涉及一种在役桥梁的有效预应力的评估方法。

背景技术

混凝土是具有极高的抗压强度和极低的抗拉强度的材料。预应力钢筋混凝土梁就是通过对钢筋混凝土中的钢丝或钢筋进行张拉使混凝土处于受压状态，用于抵消自重及荷载产生的拉应力，使下缘的混凝土始终处于受压，或在设计范围内的受拉状态。

预应力钢筋混凝土梁是桥梁的主要承载结构，而预应力则提供了预应力钢筋混凝土梁的主要承载能力。因此，对在役桥梁的预应力的检测是非常重要的，特别是对于已存在细微裂缝的预应力钢筋混凝土桥梁的预应力的检测尤为重要。

目前在役桥梁的预应力检测主要有三种方法：破损法，微破损法和非破损法。

破损法就是切断部分预应力钢丝或钢筋检测其切断前的应力，来计算有效预应力。但是该方法必定会造成梁体的承载能力下降。

微破损法的代表性方法就是在梁下缘混凝土切出一个口子，通过检测该口子周边前后应变的变化来计算有效预应力。同样地，该方法也会对梁体的耐久性造成影响，并且，一个部位只能检测一次，无法定期检测。

非破损法的代表性方法就是在搭建预应力钢筋混凝土梁时，在预 应力钢筋或钢丝上套上磁通量传感器或绑上光钎维传感器，当铁磁性材料承受的外界机械荷载发生变化时，其内部的磁化强度(磁导率)发生变化，通过磁通量(磁导率)的变化，来测定构件的内力。但是，此类方法需要在搭建桥梁时将传感器埋入梁体，因此不适合目前在役的绝大多数预应力钢筋混凝土梁。

因此，上述方法只有通过破坏桥梁本体或者钢筋才能测量已存在细微裂缝的预应力钢筋混凝土桥梁的预应力，或者需要在制造桥梁时就把测量设备(例如磁通量传感器或光钎维传感器)预先套在预应力钢筋上，却不能检测已经建成的桥梁的预应力。

发明内容

针对目前上述三种对桥梁的预应力检测方法所存在的上述问题，本发明提供一种在役桥梁的有效预应力的评估方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为：

一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，应用于跨中已经存在横向裂缝的预应力钢筋混凝土桥梁，所述评估方法包括：

步骤1，采集车辆活载通过桥梁这一段时间内的裂缝处及该裂缝相邻部位的活载应变数据；

步骤2，根据活载应变数据找出横向裂缝的开口点和所述开口点对应的活载应变ε；

步骤3，计算有效预应力：

σ_e＝σ_w+ε·E

式中，σ_e：有效预应力；

σ_w：根据设计图计算得到的裂缝处的恒载应力；

ε：横向裂缝开口点对应的活载应变；

E:混凝土的弹性模量。

优选地，所述横向裂缝在所述桥梁的下缘。

优选地，在步骤1中，采集所述活载应变数据的方法包括：

在与所述横向裂缝垂直的方向放置一第一应变传感器，在所述第一应变传感器旁且无横向裂缝处放置一第二应变传感器，通过一控制器控制所述第一应变传感器和所述第二应变传感器同步采集。

优选地，在步骤1中，所述采集车辆活载通过桥梁这一段时间内的裂缝处及该裂缝相邻部位的活载应变数据这期间包括：

第一阶段，无活载，横向裂缝处于受压状态；

第二阶段，横向裂缝处所受活载小，仍处于受压状态，相比于所述第一阶段，承受相对较小压应力；

第三阶段，横向裂缝处所受活载增大，横向裂缝处于临界状态，即横向裂缝处的压应力为零；

第四阶段，横向裂缝处所受活载继续增大，横向裂缝处于开口状态。

优选地，所述评估方法还包括：重复执行步骤1至步骤3，以得到有效预应力的平均值。

优选地，所述评估方法还包括：通过所述控制器的一存储单元，存储采集的活载应变数据。

优选地，所述评估方法还包括：通过所述控制器的一无线传输单元，将活载应变数据上传至外部设备。

优选地，所述评估方法还包括：通过一与所述控制器连接的显示模块显示活载应变数据。

优选地，所述第一应变传感器和/或第二应变传感器包括：

具有四个两两垂直的电阻应变片的惠斯登电桥，其中两个与梁梁 纵轴垂直方向的电阻应变片与一金属底板之间垫有缓冲层；其中所述金属底板粘贴于所述混凝土的检测位置上。

本发明的有益效果：本发明的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，属于一种非破损的检测方法，不会对现有桥梁结构造成损伤；也无需预先埋入传感器进行检测，适用于目前在役的预应力钢筋混凝土结构。而且可以在一个点上重复检测，无需封锁交通，检测方法简单可靠。

附图说明

图1为本发明的预应力钢筋混凝土桥梁的结构示意图；

图2为图1中B-B断面的应力分解图；

图3为图1中的预应力钢筋混凝土在无活载时的应力分解图；

图4为图1中的预应力钢筋混凝土在裂缝处于受压状态时的应力分解图；

图5为图1中的预应力钢筋混凝土在裂缝处于临界状态时的应力分解图；

图6为图1中的预应力钢筋混凝土在裂缝处于开口状态时的应力分解图；

图7为本发明的采集活载应变数据的结构图；

图8为裂缝开口点击活载应变示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图8所示，本发明的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法， 应用于跨中已经存在横向裂缝的预应力钢筋混凝土桥梁，评估方法包括：

步骤1，采集车辆活载通过桥梁这一段时间内的裂缝处及该裂缝相邻部位的活载应变数据；

步骤2，根据活载应变数据找出横向裂缝的开口点和开口点对应的活载应变ε；

步骤3，计算有效预应力：

σ_e＝σ_w+ε·E

式中，σ_e：有效预应力；

σ_w：根据设计图计算得到的裂缝处的恒载应力；

ε：横向裂缝开口点对应的活载应变；

E:混凝土的弹性模量。

本发明的桥梁以广泛使用的全预应力钢筋混凝土梁为例，如图1所示，梁体由混凝土1和预应力钢筋3所组成，梁体的中性轴2用虚线表示。图1左图为从右图的BB方向看的B-B横断面，B-B断面存在横向裂缝；右图为从左图AA方向看的A-A纵断面。B-B横断面在外力作用时的应力分解图如图2所示，预应力提供了一个偏心的压应力，抵消了混凝土梁的自重产生的恒载应力和通过车辆等活载产生的活载应力，使梁体的下缘处于受压状态。

即有：

σ_c＝σ_e-σ_w-σ_l (1)

σ_c：B-B断面混凝土下缘当前的应力；

σ_e：预应力产生的B-B断面混凝土下缘的压应力；

σ_w：自重等恒载产生的B-B端面混凝土下缘的拉应力，可以通过设计图计算得到；

σ_l：车辆等活载产生的B-B端面混凝土下缘的拉应力。

当该桥梁B-B断面的下缘存在横向裂缝时，且活载应力大于设计荷载或有效预应力下降时，该裂缝处断面的各个受力状态如图3至6所示。

1)第一阶段(无车辆等活载，裂缝4处于受压状态)

σ_c1＝σ_e-σ_w (2)

在该阶段，活载距离裂缝较远，例如活载位于桥梁的边缘，这一阶段不会对裂缝产生活载应力。

2)第二阶段(车辆活载小，裂缝4尚处于受压状态)

σ_c2＝σ_e-σ_w-σ_l2＞0 (3)

活载继续向靠近裂缝的方向行驶，距离裂缝较近，这就形成了第二阶段，这一阶段活载对裂缝产生较小的活载应力。

3)第三阶段(车辆活载增大，裂缝4尚处于临界状态)

σ_c3＝σ_e-σ_w-σ_l3＝0 (4)

活载继续向靠近裂缝的方向行驶，距离裂缝更加靠近，这就形成了第三阶段，这一阶段由于活载的重力和在桥梁形成的加速度的作用，对裂缝产生了较大的活载应力，使得裂缝处于临界状态。

4)第四阶段(车辆活载继续增大，裂缝4处于开口状态)此时中性轴上移。

活载继续向靠近裂缝的方向行驶，直到位于裂缝上，这就形成了第四阶段，这一阶段的活载给裂缝提供了最大的活载应力，使得裂口处于开口状态。

将公式(2)-(5)，得到：

σ_c1-σ_c3＝σ_e-σ_w (5)

上式中，σ_c1-σ_c3：是从加载活载开始到裂缝4张开点时为止的混凝土下缘的活载应变，可以通过第二应变传感器检测测得；

在此，引入一个参数：混凝土的弹性模量，弹性模量E是指活载应力σ和活载应变ε之比，单位是Pa(或MPa)，即：

E＝σ/ε (6)

将公式(4)和(6)代入公式(5)，即可得到当前有效预应力σ_e：

σ_e＝σ_w+ε·E (7)

上式中，ε：裂缝4开口点处对应的活载应变，如图8所示；

σ_w：恒载应力，可以通过设计图计算得到；

E:混凝土的弹性模量，与所采用的混凝土等级有关，可以通过手册查到。

公式(7)即为上述步骤(3)中的公式，基于上述原理，可以通过检测裂缝4张开点时的混凝土下缘的活载应变ε，计算该桥梁的有效预应力σ_e。

这种方法，只需要测出裂缝4开口点对应的活载应变，就能够得到桥梁的有效应力，不会对现有桥梁结构造成损伤；也无需预先埋入应变传感器进行检测，方法简单可靠。

此外，本发明中的裂缝4主要是指横向裂缝4，而且横向裂缝4是在桥梁的下缘。横向裂缝4是指与桥梁纵轴方向相垂直的裂缝4，横向裂缝4与纵向裂缝4形成的原因不同。横向裂缝4主要由于： (1)车辆活载超过设计范围造成下缘混凝土的应力超过材料极限而开裂。(2)预应力不足造成下缘混凝土的应力超过材料极限而开裂。横向裂缝4危害大，因此需要重点研究横向裂缝4预应力钢筋混凝土桥梁的有效预应力。

本发明优选的实施方式，在步骤1中，采集活载应变数据的方法包括：在与横向裂缝4垂直的方向放置一第一应变传感器，在第一应变传感器旁且无横向裂缝4处放置一第二应变传感器，并通过一控制器控制第一应变传感器和第二应变传感器实现同步采集。

如图7所示的结构放置第一应变传感器和第二应变传感器，这两个传感器采集桥梁在受到不同程度的活载应力时的活载应变数据，控制器控制两个传感器的采集工作。需要注意的是两个应变传感器所放置的方向都是与桥梁的延伸方向相垂直。

本发明优选的实施方式，在步骤1中，采集从开始加载活载到慢慢增加活载应力，直到裂缝4处于开口状态这期间包括：

第一阶段，无活载，横向裂缝处于受压状态；

第二阶段，横向裂缝处所受活载小，仍处于受压状态，相比于所述第一阶段，承受相对较小压应力；

第三阶段，横向裂缝处所受活载增大，横向裂缝处于临界状态，即横向裂缝处的压应力为零；

第四阶段，横向裂缝处所受活载继续增大，横向裂缝处于开口状态。

这四个阶段是通过普通车辆等活载在桥梁行驶过程中由于其自重的作用，给裂缝4持续增大的压力，以及裂缝4处于不同状态来分 类的。

本发明优选的实施方式，评估方法还包括：重复执行步骤1至步骤3，以得到有效预应力的平均值。

多次测量可以求得更加接近真实数据的测量值。

本发明优选的实施方式，评估方法还包括：通过控制器的一存储单元，存储采集的活载应变数据。

存储活载应变数据，以备后续随时查询取用。

本发明优选的实施方式，评估方法还包括：通过控制器的一无线传输单元，将活载应变数据上传至外部设备。

无线传输方式，增加了数据传输的灵活性，传输方便。

本发明优选的实施方式，评估方法还包括：通过一与控制器连接的显示模块显示活载应变数据。

本发明优选的实施方式，第一应变传感器和/或第二应变传感器包括：

具有四个两两垂直的电阻应变片的惠斯登电桥，其中两个与梁纵轴垂直方向的电阻应变片与金属底板之间垫有缓冲层；所述金属底板粘贴于所述混凝土的检测位置上。

混凝土是一种由碎石和砂浆组成的混合物。本发明的金属底板是边长大于混凝土碎石最大直径的3至5倍，厚度为2毫米的正方形底板，不但克服混凝土检测方向的不均匀性，而且克服了横向的不均匀性导致的误差。

具体的，第一应变传感器和/或第二应变传感器是通过检测其惠斯登电桥的输出电压的变化值，并根据输出电压的变化值来计算混凝土的应力变化值。

本发明的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，属于一种非破 损的检测方法，不会对现有桥梁结构造成损伤；也无需预先埋入传感器进行检测，适用于目前在役的预应力钢筋混凝土结构。而且可以在一个点上重复检测，无需封锁交通，检测方法简单可靠。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，应用于跨中已经存在横向裂缝的预应力钢筋混凝土桥梁，其特征在于，所述评估方法包括：

步骤1，采集车辆活载通过桥梁这一段时间内的横向裂缝处及该横向裂缝相邻部位的活载应变数据；

步骤2，根据活载应变数据找出横向裂缝的开口点和所述开口点对应的活载应变ε；

步骤3，计算有效预应力：

σ_e＝σ_w+ε·E

式中，σ_e：有效预应力；

σ_w：根据设计图计算得到的裂缝处的恒载应力；

ε：横向裂缝开口点对应的活载应变；

E:混凝土的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，其特征在于，所述横向裂缝在所述桥梁的下缘。

3.根据权利要求2所述的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，其特征在于，在步骤1中，采集所述活载应变数据的方法包括：

在与所述横向裂缝垂直的方向放置一第一应变传感器，在所述第一应变传感器旁且无横向裂缝处放置一第二应变传感器，并通过一控制器控制所述第一应变传感器和所述第二应变传感器实现同步采集。

4.根据权利要求1所述的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，其特征在于，在步骤1中，采集车辆活载通过桥梁这一段时间内的裂缝处及该裂缝相邻部位的活载应变数据这期间包括：

第一阶段，无活载，横向裂缝处于受压状态；

第二阶段，横向裂缝处所受活载小，仍处于受压状态，相比于所 述第一阶段，承受相对较小压应力；

第三阶段，横向裂缝处所受活载增大，横向裂缝处于临界状态，即横向裂缝处的压应力为零；

第四阶段，横向裂缝处所受活载继续增大，横向裂缝处于开口状态。

5.根据权利要求1所述的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，其特征在于，所述评估方法还包括：重复执行步骤1至步骤3，以得到有效预应力的平均值。

6.根据权利要求3所述的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，其特征在于，所述评估方法还包括：通过所述控制器的一存储单元，存储采集的活载应变数据。

7.根据权利要求3所述的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，其特征在于，所述评估方法还包括：通过所述控制器的一无线传输单元，将活载应变数据上传至外部设备。

8.根据权利要求3所述的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，其特征在于，所述评估方法还包括：通过一与所述控制器连接的显示模块显示活载应变数据。

9.根据权利要求3所述的一种在役桥梁的有效预应力的评估方法，其特征在于，所述第一应变传感器和/或第二应变传感器包括：

具有四个两两垂直的电阻应变片的惠斯登电桥，其中两个与桥梁纵轴垂直方向的电阻应变片与一金属底板之间垫有缓冲层；所述金属底板粘贴于所述混凝土的检测位置上。