CN106485029B - 基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，针对静力荷载试验评定为不满足要求的钢筋混凝土桥梁，根据受压区的混凝土损伤弹性模量E_r分析受压区的混凝土残余应变ε_p，由截面受力平衡和平截面变形条件，得到截面的真实应变和应力状态；然后根据实测混凝土强度和截面尺寸得出标准极限承载弯矩M_jj和设计承载弯矩M_dc，由混凝土残余应变判断损伤程度，得出实际极限承载弯矩M_zj和正常使用承载弯矩M_zc。本发明解决了现有钢筋砼梁桥承载能力评定受主观因素影响较大以及传统的静力荷载试验只能评定“试验荷载”下的桥梁性能，而无法获得钢筋混凝土梁桥真实工作状态和承载能力的技术问题。

Description

基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法

技术领域

本发明涉及工程检测技术领域，尤其是一种基于残余应变的钢筋混凝土梁桥损伤后承载能力评估方法。

背景技术

桥梁结构在长期服役过程中，受外界环境、车辆荷载等影响，除承受静力荷载外，还要承受各种疲劳荷载的作用，不可避免的产生结构损伤，结构实际工作状态与设计状态的差异也越来越大。根据交通运输部统计，我国公路桥梁存在安全隐患的桥梁近10万座，占全部桥梁的比例约为13％。在长期超载或者不可预测的外力作用下，这些存在安全隐患的桥梁，很容易发生严重的事故。因此，钢筋混凝土桥梁疲劳损伤后的工作状态，包括恒载下的实际应力和应变状态、实际承载能力等成为桥梁界关注的热点。

在混凝土桥梁承载能力评定方面，我国已形成较为完善的规范体系，一般通过结构检测结合检算分析。《城市桥梁检测与评定技术规范》CJJ/T 233采用基于桥梁材料、外观的检测结果直接计算承载能力的方法，但损伤较严重结构的承载能力计算对现在而言依旧是个难题；《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21采用“评分”方法，主要依赖于桥梁破损程度分类和评分标准的细化、准确程度以及检测人员的经验和技术水平。以上方法受主观因素影响较大，难以反映内在的真实承载能力。在检算困难时，往往采用普遍认为较为可靠的荷载试验进行验证。

传统的静力荷载试验其实只能评定“试验荷载”下的桥梁性能，通过测量“试验荷载”下的截面应变增量或变形增量与检算结果比较(应变或变形校验系数)，来判断结构承载能力是否满足设计或规范要求，其实质是根据结构刚度或截面刚度(曲率)的变化评定正常使用的承载能力，然后由弹性行为间接反映承载能力，理论基础牵强。尤其经过试验判断为不满足要求(应变或变形校验系数大于1)的桥梁，结构损伤发展到一定程度，只能近似估计结构正常使用阶段承受活载的能力，无法获得其真实工作状态(现存应力状态)和极限承载能力。

桥梁动力荷载试验(包括自振测试)由于测试工作量小、费用低而得到青睐，主要通过测试得到的动刚度(自振频率)评估结构的整体工作性能和动力特性，从现在的检测水平来看，仍从属于静力荷载试验。有关研究根据建立的动刚度与静刚度统计关系评估结构正常使用极限状态的承载能力，但由于动刚度与静刚度的概念不同，受边界条件和结构损伤状态的影响较大；尤其当结构严重损伤时，二者的统计数据更为离散。在动力测试研究方面已经发展了“准静态动力测试法”以及在一定条件下的动静挠度分离技术，可以类似静力荷载试验进行评估，但以弹性行为间接反映极限承载能力的问题依旧存在。

现有的非线性累积损伤过程分析方法非常复杂，需要根据明确的荷载作用历程下，混凝土弹性模量退化、残余应变增大等特征参量的变化规律进行承载能力评估，适用于混凝土结构累积损伤预测和寿命分析。但是，实际混凝土结构的作用历程往往不知，结构损伤后的应力重分布，以及在服役过程中受疲劳、徐变、温度和收缩等多种时变效应的非线性耦合影响，使得既有结构的累积损伤程度评估更为复杂，采用简化的疲劳累积损伤分析方法预测结果往往与实际相差很大。本发明根据钢筋混凝土梁桥损伤后弹性模量的原位测试，分析出混凝土残余应变，然后采用结构分析方法实现现存应力状态和极限承载能力评估。

发明内容

本发明涉及一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，要解决现有钢筋砼梁桥承载能力评定受主观因素影响较大以及传统的静力荷载试验只能评定“试验荷载”下的桥梁性能，无法获得钢筋混凝土梁桥真实工作状态和承载能力的技术问题。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案。

一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，针对静力荷载试验评定为不满足要求的钢筋混凝土桥梁，根据受压区的混凝土损伤弹性模量E_r分析受压区的混凝土残余应变ε_p，由截面受力平衡和平截面变形条件，得到截面的真实应变和应力状态；然后根据实测混凝土强度和截面尺寸计算计算极限承载弯矩M_jj和设计承载弯矩M_dc，由混凝土残余应变判断损伤程度，得出实际极限承载弯矩M_zj和正常使用承载弯矩M_zc。

包括步骤如下，

步骤一：对钢筋混凝土梁进行静力荷载试验，测试得到钢筋混凝土梁最不利受力截面沿梁高的混凝土应变增量Δε、应力增量Δσ、跨中变形挠度和跨中截面的受压区高度Z_c。

步骤二：根据应变校验系数或变形校验系数ζ评定钢筋混凝土梁承载能力。

步骤三：当ζ>1或相对残余变形大于20％或相对残余应变大于20％时，钢筋混凝土梁承载能力不满足要求，利用步骤一中得到的混凝土应变增量Δε和应力增量Δσ，并根据公式得到受压区的混凝土损伤弹性模量E_r。

步骤四：进行无损检测试验，实际检测钢筋混凝土梁无损伤区域的混凝土抗压强度f_c,r。

步骤五：根据步骤四中的混凝土抗压强度f_c,r，查得混凝土弹性模量E_c和峰值压应变ε_c,r。

步骤六：根据步骤三中得到混凝土损伤弹性模量E_r，分析得出受压区的混凝土残余应变ε_p。

步骤七：比较混凝土残余应变ε_p与0.4ε_c,r的大小，由混凝土残余应变ε_p评估钢筋混凝土梁的损伤程度界限状态。

步骤八：当混凝土残余应变ε_p≦0.4ε_c,r时，根据公式σ_e＝M_g Z_c/I_cr得出恒载作用下跨中截面受压区的混凝土弹性应力σ_e。

其中，M_g为跨中截面的恒载弯矩，I_cr为跨中截面的换算惯性矩，Z_c为跨中截面的受压区高度。

步骤九：根据公式ε_e＝σ_e/E_r得出受压区的混凝土弹性应变ε_e；并根据公式ε_c＝ε_e+ε_p得到受压区混凝土总应变ε_c。

步骤十：由公式ε_s＝ε_c×(h-c-Z_c)/Z_c得出受拉纵筋总应变ε_s，进一步由公式σ_s＝E_s×ε_s得出纵筋应力；其中，c为受拉区混凝土保护层厚度；h为截面高度。

步骤十一：由公式M_等效＝A_s×σ_s×0.87h₀得出恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效，进一步由公式σ_c＝M_等效Z_c/I_cr得出恒载下跨中截面受压区边缘的混凝土实际压应力σ_c；其中，M_等效为恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩，包括恒载作用下的弹性弯矩以及受弯截面损伤累积后混凝土残余应力产生的弯矩增量或纵筋应力增大产生的弯矩增量；

式中，A_s为受拉纵筋截面面积；h₀＝h-c，h₀为有效截面高度。

步骤十二：根据步骤四实测的混凝土抗压强度f_c,r及钢筋混凝土梁实际截面尺寸，分别计算标准极限承载弯矩M_jj和设计承载弯矩M_dc。

步骤十三：根据混凝土残余应变ε_p，评估钢筋混凝土梁的实际极限承载弯矩M_zj和正常使用承载弯矩M_zc；具体评估如下：

当混凝土残余应变ε_p≦0.25ε_c,r时，M_zj＝M_jj，M_zc＝M_dc；

当混凝土残余应变0.25ε_c,r<ε_p≦0.4ε_c,r时，M_zj＝95％M_jj，M_zc＝95％M_dc。

优选的，所述评估方法还包括步骤十四，对钢筋混凝土梁所能承受的活载极限弯矩M_hj进行评估以及对钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩M_hc进行评估。

优选的，对活载极限弯矩M_hj的评估具体为利用恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效、实际极限承载弯矩M_zj和公式M_hj＝M_zj-M_等效得出活载极限弯矩M_hj；对正常使用阶段活载最大弯矩M_hc的评估具体为利用恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效、正常使用承载弯矩M_zc以及公式M_hc＝(M_zc-1.2M_等效)/1.4得出钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩M_hc。

优选的，步骤一中的具体过程为：

步骤A，在最不利受力截面沿梁高且平行于应力方向黏贴应变计，至少布置5个测点，其中最大压应变处为关键测点；

步骤B，在结构弹性范围内施加静力荷载，然后卸载，由应变测试系统得到关键测点的应变值，即混凝土应变增量Δε；

步骤C，由变形测试仪器测试跨中变形；

步骤D，对沿梁高的测试应变值进行线性分析，得到跨中截面的受压区高度Z_c。

优选的，步骤二中钢筋混凝土梁承载能力评定结果还包括：

当ζ≦1且相对残余变形或相对残余应变≦20％时，判定钢筋混凝土梁承载能力满足要求，评定结束。

优选的，步骤六中根据混凝土损伤弹性模量E_r，分析得出混凝土残余应变ε_p具体步骤为，

步骤a：根据步骤三中得到混凝土损伤弹性模量E_r以及公式σ＝(1-d_c)E_cε，建立混凝土损伤弹性模量E_r与静力等效应变ε_r关系，公式如下：

其中，σ为混凝土受压的应力，d_c为混凝土受压损伤演化参数，ε为混凝土受压应变；

步骤b：根据Berkeley加卸载模型给出的表示混凝土残余应变与静力等效应变的关系的公式，与步骤a中的所述的混凝土损伤弹性模量E_r与静力等效应变ε_r关系的公式，综合得出静力等效应变ε_r；

其中残余应变与静力等效应变的关系的公式如下：

步骤c：由σ_r＝(1-d_c)E_cε_r得出ε_r对应的静力等效应力σ_r，从而根据公式ε_p＝ε_r-σ_r/E_r进一步得出混凝土残余应变ε_p。

优选的，步骤七中，当混凝土残余应变ε_p大于0.4ε_c,r时，钢筋混凝土梁破损严重、失效，不具有维修加固价值，承载能力评估不再进行。

优选的，当梁的截面形状为矩形或者T形或者I时，步骤十二中的标准极限承载弯矩M_jj根据实测材料强度的标准值和标准极限承载弯矩M_jj计算公式得出：

标准极限承载弯矩M_jj计算公式如下，

(1)当截面为矩形截面或翼缘位于受拉边的T形截面的受弯构件时，

f_sk A_s＝f_c,r bx

M_jj＝f_c,r bx(h₀-x/2)；

式中，b为矩形截面宽度或T形截面腹板宽度，f_sk为纵筋抗拉强度标准值，x为截面破坏时的混凝土受压区高度。

(2)当截面为I形截面或翼缘位于受压区的T形截面的受弯构件时，

当f_sk A_s≦f_c,r b_f h_f时，M_jj＝f_c,r b_f h_f(h₀-h_f/2)；

当f_sk A_s>f_c,r b_f h_f时，M_jj＝f_c,r[bx(h₀-x/2)+(b_f-b)h_f(h₀-h_f/2)]；

式中，b_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效宽度，h_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效厚度。

优选的，当梁的截面形状为矩形或者T形或者I时，步骤十二中的设计承载弯矩M_dc按实测材料强度的设计值和设计承载弯矩M_dc计算公式得出，

设计承载弯矩M_dc计算公式如下，

(1)当截面为矩形截面或翼缘位于受拉边的T形截面的受弯构件时，

f_sd A_s＝f_c bx，

M_dc＝f_c bx(h₀-x/2)；

式中，b为矩形截面宽度或T形截面腹板宽度，f_sd为纵筋抗拉强度设计值，x为截面破坏时的混凝土受压区高度，f_c混凝土轴心抗压强度设计值。

(2)当截面为I形截面或翼缘位于受压区的T形截面的受弯构件时，

当f_sd A_s≦f_c b_f h_f时，M_dc＝f_c b_f h_f(h₀-h_f/2)，

当f_sd A_s>f_c b_f h_f时，M_dc＝f_c[bx(h₀-x/2)+(b_f-b)h_f(h₀-h_f/2)]；

式中，b_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效宽度，h_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效厚度。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。

1、本发明通过测试钢筋混凝土梁最不利受力截面的混凝土变形模量E_r直接得出该处的残余应变ε_p，并在此基础上定量评估钢筋混凝土梁的损伤状态；解决了传统方法无法获得混凝土的残余应变，通过残余应变对钢筋混凝土桥梁的累积损伤状态进行定量评估的技术问题。

2、本发明根据混凝土残余应变，由截面受力平衡和平截面变形条件，得到截面的真实应变和应力状态，并得出“恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩”M_等效；解决了传统的钢筋砼梁桥承载能力评定受主观因素影响较大，无法获得钢筋混凝土桥梁真实工作状态的技术问题。

3、本发明的方法根据混凝土实测强度和截面尺寸计算标准极限承载弯矩和设计承载弯矩，由混凝土残余应变判断损伤程度，得出实际极限承载弯矩和正常使用承载弯矩；进而得到钢筋混凝土梁桥所能承受的实际活载极限弯矩和正常使用活载最大弯矩，从而解决了传统的静力荷载试验只能评定“试验荷载”下的桥梁性能，无法获得钢筋混凝土桥梁极限承载能力的技术问题。

4、本发明给出了恒载作用下的钢筋混凝土梁桥受弯截面实际应力和应变状态分析方法，和实际极限承载弯矩和正常使用承载弯矩评估方法，并得到钢筋混凝土梁桥所能承受的活载极限弯矩和正常使用阶段活载最大弯矩。评估方法建立在混凝土累积损伤分析基础上，理论基础可靠，避免了复杂的钢筋混凝土梁桥非线性损伤过程分析，为量大、面广的实际钢筋混凝土梁桥损伤后的承载能力评估和加固奠定基础。

附图说明

图1为本发明中方法的步骤框图。

图2疲劳荷载作用下的混凝土受压应力-应变曲线及相关参数。

图3受弯截面实际应变分布和等效弯矩计算图。

具体实施方式

这种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，针对静力荷载试验评定为不满足要求的钢筋混凝土桥梁，根据受压区的混凝土损伤弹性模量E_r分析受压区的混凝土残余应变ε_p，由截面受力平衡和平截面变形条件，得到截面的真实应变和应力状态；然后根据实测混凝土强度和截面尺寸计算计算极限承载弯矩M_jj和设计承载弯矩M_dc，由混凝土残余应变判断损伤程度，得出实际极限承载弯矩M_zj和正常使用承载弯矩M_zc。包括步骤如下：

步骤一：按照传统桥梁静力荷载试验相关要求，对钢筋混凝土梁进行静力荷载试验，测试得到钢筋混凝土梁最不利受力截面(一般跨中截面)沿梁高的混凝土应变增量Δε、跨中变形(挠度)和跨中截面的受压区高度Z_c；具体过程为：

步骤A，在最不利受力截面沿梁高且平行于应力方向黏贴应变计，至少布置5个测点，其中最大压应变处为关键测点；

步骤B，在结构弹性范围内施加静力荷载，然后卸载，由应变测试系统得到关键测点的应变值，即混凝土应变增量Δε；

步骤C，由变形测试仪器测试跨中变形；

步骤D，对沿梁高的测试应变值进行线性分析，得到跨中截面的受压区高度Z_c。

步骤二：根据应变校验系数或变形校验系数ζ评定承载能力是否满足要求；

本实施例中，步骤二的评定具体为：

当ζ≦1且相对残余变形或相对残余应变≦20％时，判定钢筋混凝土梁承载能力满足要求，评定结束；

当ζ>1或相对残余变形大于20％或相对残余应变大于20％时，判定钢筋混凝土梁承载能力不满足要求，对钢筋混凝土梁的工作状态进行评估。

步骤三：当ζ>1或相对残余变形大于20％或相对残余应变大于20％时，钢筋混凝土梁承载能力不满足要求，利用步骤一中得到的混凝土应变增量Δε和应力增量Δσ，并根据公式得到受压区的混凝土损伤弹性模量E_r。

步骤四：进行无损检测试验，实际检测钢筋混凝土梁无损伤区域的混凝土抗压强度f_c,r。

步骤五：根据步骤四中的混凝土抗压强度f_c,r，查得混凝土弹性模量E_c和峰值压应变ε_c,r。

说明：以上相关参数见附图2。

步骤六：根据步骤三中得到混凝土损伤弹性模量E_r，分析得出受压区的混凝土残余应变ε_p，具体步骤为，

步骤a：根据步骤三中得到混凝土损伤弹性模量E_r以及公式σ＝(1-d_c)E_cε，建立混凝土损伤弹性模量E_r与静力等效应变ε_r关系，公式如下：

其中，σ为混凝土受压的应力，d_c为混凝土受压损伤演化参数，ε为混凝土受压应变；

步骤b：根据Berkeley加卸载模型给出的表示混凝土残余应变与静力等效应变的关系的公式，与步骤a中的所述的混凝土损伤弹性模量E_r与静力等效应变ε_r关系的公式，综合得出静力等效应变ε_r，

其中残余应变与静力等效应变的关系的公式如下：

步骤c：由σ_r＝(1-d_c)E_cε_r得出ε_r对应的静力等效应力σ_r，从而根据公式ε_p＝ε_r-σ_r/E_r进一步得出混凝土残余应变ε_p。

步骤七：比较混凝土残余应变ε_p与0.4ε_c,r的大小，由混凝土残余应变ε_p评估钢筋混凝土梁的损伤程度界限状态，

当混凝土残余应变ε_p>0.4ε_c,r时，钢筋混凝土梁破损严重、失效，不具有维修加固价值；承载能力评估不再进行；

当混凝土残余应变ε_p≦0.4ε_c,r时，对钢筋混凝土梁的工作状态进行评估。

步骤八：当混凝土残余应变ε_p≦0.4ε_c,r时，根据公式σ_e＝M_g Z_c/I_cr得出恒载作用下跨中截面受压区的混凝土弹性应力σ_e。

其中，M_g为跨中截面的恒载弯矩，I_cr为跨中截面的换算惯性矩，Z_c为跨中截面的受压区高度。

步骤九：根据公式ε_e＝σ_e/E_r得出受压区的混凝土弹性应变ε_e；并根据公式ε_c＝ε_e+ε_p得到受压区混凝土总应变ε_c。

步骤十：由公式ε_s＝ε_c×(h-c-Z_c)/Z_c得出受拉纵筋总应变ε_s，进一步由公式σ_s＝E_s×ε_s得出纵筋应力；其中，c为受拉区混凝土保护层厚度；h为截面高度。

说明：相关参数见附图3，由于混凝土残余应变的存在，使得混凝土应力与损伤弹性模量为非线性关系，混凝土实际应力不能由损伤弹性模量E_r乘以混凝土总应变ε_c直接计算；而纵筋弹性工作，钢筋的弹性模量不变，则由纵筋应变得出纵筋的应力。

步骤十一：由公式M_等效＝A_s×σ_s×0.87h₀得出恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效，进一步由公式σ_c＝M_等效Z_c/I_cr得出恒载下跨中截面受压区边缘的混凝土实际压应力σ_c；其中，M_等效为恒载下考虑受压区混凝土残余应变影响(纵筋应力增大后)的跨中截面的受弯等效弯矩；

式中，A_s为受拉纵筋截面面积；h₀＝h-c，h₀为有效截面高度，h为截面高度，c为受拉区混凝土保护层厚度。

说明：“恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩”实际包含了恒载作用下的弹性弯矩以及受弯截面损伤累积后混凝土残余应力产生的弯矩增量或纵筋应力增大产生的弯矩增量。

现有研究表明，疲劳荷载作用下的钢筋混凝土梁，其受弯截面的平均应变仍符合平截面假定，跨中截面的受压区高度Z_c基本保持不变(与上限荷载有关)，且受压区混凝土仍处于弹性阶段，其应力-应变呈线性关系，但是混凝土疲劳弹性模量不断衰减，受拉区混凝土的裂缝宽度增大，造成了钢筋混凝土梁的受弯刚度降低，残余变形增大，纵筋应力增大。

实际混凝土桥梁符合这些受力特征，损伤后的钢筋混凝土梁在恒载作用下，根据截面受力平衡、平截面假定，以及测试得到的实际混凝土损伤弹性模量E_r和纵筋弹性模量不变的条件，得出混凝土和纵筋的弹性应力及弹性应变；混凝土弹性应变与残余应变相加得到混凝土实际总应变，并由平截面假定得出纵筋总应变；从而得到纵筋的应力(减去弹性应力即由残余应变造成的纵筋应力增大部分)；由此可计算出与此应力状态对应的荷载弯矩，即“恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩”；进一步由公式σ_c＝M_等效Z_c/I_cr得出恒载下跨中截面受压区边缘的混凝土实际压应力，因此得到了受弯截面实际应力状态。现在的结构现存应力状态破损/半破损检测方法中，根据实际截断或钻孔受力钢筋并测试现存应力的方法就是此原理，而本方法属于无损检测方法。基于“恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩”或恒载下的实际应力状态可以进一步评估钢筋混凝土梁的承载能力。

步骤十二：根据步骤四实测的混凝土抗压强度f_c,r及钢筋混凝土梁实际截面尺寸，分别计算标准极限承载弯矩M_jj和设计承载弯矩M_dc；

其中，钢筋混凝土梁桥通常为适筋梁设计，截面形式一般为矩形、T形和箱形(或I形)。标准极限承载弯矩M_jj采用实测材料强度的标准值计算，设计承载弯矩M_dc采用实测材料强度的设计值计算。

当梁的截面形状为矩形或者T形或者I时，标准极限承载弯矩M_jj根据实测材料强度的标准值和标准极限承载弯矩M_jj计算公式得出，

标准极限承载弯矩M_jj计算公式如下，

(1)当截面为矩形截面或翼缘位于受拉边的T形截面的受弯构件时，

f_sk A_s＝f_c,r bx，

M_jj＝f_c,r bx(h₀-x/2)；

式中，b为矩形截面宽度或T形截面腹板宽度，f_sk为纵筋抗拉强度标准值，x为截面破坏时的混凝土受压区高度。

(2)当截面为I形截面或翼缘位于受压区的T形截面的受弯构件时，

当f_sk A_s≦f_c,r b_f h_f时，M_jj＝f_c,r b_f h_f(h₀-h_f/2)，

当f_sk A_s>f_c,r b_f h_f时，M_jj＝f_c,r[bx(h₀-x/2)+(b_f-b)h_f(h₀-h_f/2)]；

式中，b_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效宽度，h_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效厚度。

设计承载弯矩M_dc计算公式与标准极限承载弯矩M_jj计算公式形式完全相同，只是用混凝土和纵筋的材料设计值代替标准值，材料设计值由实测材料强度标准值查按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62得出。

步骤十三：根据混凝土残余应变ε_p，评估钢筋混凝土梁的实际极限承载弯矩M_zj和正常使用承载弯矩M_zc；具体评估如下：

当混凝土残余应变ε_p≦0.25ε_c,r时，M_zj＝M_jj，M_zc＝M_dc；

当混凝土残余应变0.25ε_c,r<ε_p≦0.4ε_c,r时，M_zj＝95％M_jj，M_zc＝95％M_dc。

说明：国内外对拆除下来的严重损伤(长期服役且频繁超限车载作用)钢筋混凝土梁进行破坏试验，发现结构损伤对钢筋混凝土梁极限承载力的影响不显著，极限承载力基本不下降或下降极少(一般小于5％，实验室中的个别小试验梁最大达到7％)，甚至由于适筋梁的纵筋强化而使承载力有所增大，远远超过按静力荷载试验评定的承载力。主要原因如下：

现在钢筋混凝土桥梁按适筋梁设计，钢筋混凝土适筋梁的极限承载能力受混凝土和纵筋的材料性能和截面尺寸控制，若材料性能和截面尺寸未发生改变或改变很小，极限承载能力基本不变。疲劳作用下受压混凝土严重损伤部分占整个截面的面积较小，则对极限承载力的影响很小；实验室小梁受尺寸效应的影响，受压混凝土严重损伤部分占整个截面的面积偏大，极限承载能力下降偏大。由于现在按静力荷载试验评定的承载力仅仅是正常使用的承载力，当然远小于极限承载力。

因此，考虑受压区混凝土损伤对极限承载力的影响，可通过混凝土残余应变对混凝土受压强度影响的大小来判断：当ε_p≦0.25ε_c,r时，混凝土受压强度基本不变，钢筋混凝土梁极限承载力不变；当0.25ε_c,r<ε_p≦0.4ε_c,r时，混凝土受压强度有所下降，但影响区域很小，则钢筋混凝土梁极限承载力下降极少，偏于安全考虑，极限承载力可取为95％倍的不考虑混凝土损伤的极限承载力计算值。

钢筋混凝土梁设计承载力是结构设计中考虑一定安全富裕的正常使用承载力，设计承载力＝极限承载力/安全系数(现规范采用材料分项系数的形式)。对于实际桥梁仍采用规范规定的安全系数，则钢筋混凝土梁实际正常使用承载力可按上述极限承载力取值方法除以安全系数获得。

需要注意的是，本方法考虑的是钢筋混凝土桥梁受力或变形造成的结构损伤，未考虑钢筋锈蚀和混凝土腐蚀等耐久性损伤引起的材料截面严重削减，遇到此类情况，承载力评估可参照《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21等相关规范处理。

步骤十四：对钢筋混凝土梁所能承受的活载极限弯矩M_hj进行评估以及对钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩M_hc进行评估；对活载极限弯矩M_hj的评估具体为利用恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效、实际极限承载弯矩M_zj和公式M_hj＝M_zj-M_等效得出活载极限弯矩M_hj；对正常使用阶段活载最大弯矩M_hc的评估具体为利用恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效、正常使用承载弯矩M_zc以及公式M_hc＝(M_zc-1.2M_等效)/1.4得出钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩M_hc。

说明：桥梁承载能力评估时通常需要获知桥梁承受活载的水平，做为评定其承受超载的能力(超载现象客观存在)或限载的依据。实际操作中，对“恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩”和正常使用阶段活载弯矩按规范规定的安全系数(荷载分项系数)取值。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，针对静力荷载试验评定为不满足要求的钢筋混凝土桥梁，根据受压区的混凝土损伤弹性模量E_r分析受压区的混凝土残余应变ε_p，由截面受力平衡和平截面变形条件，得到截面的真实应变和应力状态；然后根据实测混凝土强度和截面尺寸得出标准极限承载弯矩M_jj和设计承载弯矩M_dc，由混凝土残余应变判断损伤程度，得出实际极限承载弯矩M_zj和正常使用承载弯矩M_zc；包括步骤如下，

步骤一：对钢筋混凝土梁进行静力荷载试验，测试得到钢筋混凝土梁最不利受力截面沿梁高的混凝土应变增量Δε、应力增量Δσ、跨中变形挠度和跨中截面的受压区高度Z_c；

步骤二：根据应变校验系数或变形校验系数ζ评定钢筋混凝土梁承载能力；

步骤三：当ζ>1或相对残余变形大于20％时，钢筋混凝土梁承载能力不满足要求，利用步骤一中得到的混凝土应变增量Δε和应力增量Δσ，并根据公式得到受压区的混凝土损伤弹性模量E_r；

步骤四：进行无损检测试验，实际检测钢筋混凝土梁无损伤区域的混凝土抗压强度f_c,r；

步骤五：根据步骤四中的混凝土抗压强度f_c,r，查得混凝土弹性模量E_c和峰值压应变ε_c,r；

步骤六：根据步骤三中得到混凝土损伤弹性模量E_r，分析得出受压区的混凝土残余应变ε_p；

步骤七：比较混凝土残余应变ε_p与0.4ε_c,r的大小，由混凝土残余应变ε_p评估钢筋混凝土梁的损伤程度界限状态；

步骤八：当混凝土残余应变ε_p≦0.4ε_c,r时，根据公式σ_e＝M_g Z_c/I_cr得出恒载作用下跨中截面受压区的混凝土弹性应力σ_e；

其中，M_g为跨中截面的恒载弯矩，I_cr为跨中截面的换算惯性矩，Z_c为跨中截面的受压区高度；

步骤九：根据公式ε_e＝σ_e/E_r得出受压区的混凝土弹性应变ε_e；并根据公式ε_c＝ε_e+ε_p得到受压区混凝土总应变ε_c；

步骤十：由公式ε_s＝ε_c×(h-c-Z_c)/Z_c得出受拉纵筋总应变ε_s，进一步由公式σ_s＝E_s×ε_s得出纵筋应力；其中，c为受拉区混凝土保护层厚度；h为截面高度；

步骤十一：由公式M_等效＝A_s×σ_s×0.87h₀得出恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效，进一步由公式σ_c＝M_等效Z_c/I_cr得出恒载下跨中截面受压区边缘的混凝土实际压应力σ_c；其中，M_等效为恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩，包括恒载作用下的弹性弯矩以及受弯截面损伤累积后混凝土残余应力产生的弯矩增量或纵筋应力增大产生的弯矩增量；

式中，A_s为受拉纵筋截面面积；h₀＝h-c，h₀为有效截面高度；

步骤十二：根据步骤四实测的混凝土抗压强度f_c,r及钢筋混凝土梁实际截面尺寸，分别得出标准极限承载弯矩M_jj和设计承载弯矩M_dc；

步骤十三：根据混凝土残余应变ε_p，评估钢筋混凝土梁的实际极限承载弯矩M_zj和正常使用承载弯矩M_zc；具体评估如下：

当混凝土残余应变ε_p≦0.25ε_c,r时，M_zj＝M_jj，M_zc＝M_dc；

当混凝土残余应变0.25ε_c,r<ε_p≦0.4ε_c,r时，M_zj＝95％M_jj，M_zc＝95％M_dc。

2.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于：所述评估方法还包括步骤十四，对钢筋混凝土梁所能承受的活载极限弯矩M_hj进行评估以及对钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩M_hc进行评估。

3.根据权利要求2中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于：对活载极限弯矩M_hj的评估具体为利用恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效、实际极限承载弯矩M_zj和公式M_hj＝M_zj-M_等效得出活载极限弯矩M_hj；对正常使用阶段活载最大弯矩M_hc的评估具体为利用恒载作用下跨中截面的受弯等效弯矩M_等效、正常使用承载弯矩M_zc以及公式M_hc＝(M_zc-1.2M_等效)/1.4得出钢筋混凝土梁正常使用阶段活载最大弯矩M_hc。

4.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，步骤一中的具体过程为：

步骤A，在最不利受力截面沿梁高且平行于应力方向黏贴应变计，至少布置5个测点，其中最大压应变处为关键测点；

步骤B，在结构弹性范围内施加静力荷载，然后卸载，由应变测试系统得到关键测点的应变值，即混凝土应变增量Δε；

步骤C，由变形测试仪器测试跨中变形；

步骤D，对沿梁高的测试应变值进行线性分析，得到跨中截面的受压区高度Z_c。

5.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，步骤二中钢筋混凝土梁承载能力评定结果还包括：

当ζ≦1且相对残余变形或相对残余应变≦20％时，判定钢筋混凝土梁承载能力满足要求，评定结束。

6.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，步骤六中根据混凝土损伤弹性模量E_r，分析得出混凝土残余应变ε_p具体步骤为，

步骤a：根据步骤三中得到混凝土损伤弹性模量E_r以及公式σ＝(1-d_c)E_cε，建立混凝土损伤弹性模量E_r与静力等效应变ε_r关系，公式如下：

其中，σ为混凝土受压的应力，d_c为混凝土受压损伤演化参数，ε为混凝土受压应变；

步骤b：根据Berkeley加卸载模型给出的表示混凝土残余应变与静力等效应变的关系的公式，与步骤a中的所述的混凝土损伤弹性模量E_r与静力等效应变ε_r关系的公式，综合得出静力等效应变ε_r；

其中残余应变与静力等效应变的关系的公式如下：

步骤c：由σ_r＝(1-d_c)E_cε_r得出ε_r对应的静力等效应力σ_r，从而根据公式ε_p＝ε_r-σ_r/E_r进一步得出混凝土残余应变ε_p。

7.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，步骤七中，当混凝土残余应变ε_p大于0.4ε_c,r时，钢筋混凝土梁破损严重、失效，不具有维修加固价值，承载能力评估不再进行。

8.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，当梁的截面形状为矩形或者T形或者I时，步骤十二中的标准极限承载弯矩M_jj根据实测材料强度的标准值和标准极限承载弯矩M_jj计算公式得出：

标准极限承载弯矩M_jj计算公式如下，

(1)当截面为矩形截面或翼缘位于受拉边的T形截面的受弯构件时，

f_sk A_s＝f_c,r bx，

M_jj＝f_c,r bx(h₀-x/2)；

式中，b为矩形截面宽度或T形截面腹板宽度，f_sk为纵筋抗拉强度标准值，x为截面破坏时的混凝土受压区高度；

(2)当截面为I形截面或翼缘位于受压区的T形截面的受弯构件时，

当f_sk A_s≦f_c,r b_f h_f时，M_jj＝f_c,r b_f h_f(h₀-h_f/2)；

当f_sk A_s>f_c,r b_f h_f时，M_jj＝f_c,r[bx(h₀-x/2)+(b_f-b)h_f(h₀-h_f/2)]；

式中，b_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效宽度，h_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效厚度。

9.根据权利要求1中所述的一种基于残余应变的钢筋砼梁桥损伤后承载能力评估方法，其特征在于，当梁的截面形状为矩形或者T形或者I时，步骤十二中的设计承载弯矩M_dc按实测材料强度的设计值和设计承载弯矩M_dc计算公式得出，

设计承载弯矩M_dc计算公式如下，

(1)当截面为矩形截面或翼缘位于受拉边的T形截面的受弯构件时，

f_sd A_s＝f_c bx，

M_dc＝f_c bx(h₀-x/2)；

式中，b为矩形截面宽度或T形截面腹板宽度，f_sd为纵筋抗拉强度设计值，x为截面破坏时的混凝土受压区高度，f_c混凝土轴心抗压强度设计值；

(2)当截面为I形截面或翼缘位于受压区的T形截面的受弯构件时，

当f_sd A_s≦f_c b_f h_f时，M_dc＝f_c b_f h_f(h₀-h_f/2)，

当f_sd A_s>f_c b_f h_f时，M_dc＝f_c[bx(h₀-x/2)+(b_f-b)h_f(h₀-h_f/2)]；

式中，b_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效宽度，h_f为T形截面或I形截面受压翼缘的有效厚度。