CN107908879B - 一种混凝土梁桥疲劳性能评估方法 - Google Patents

一种混凝土梁桥疲劳性能评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混凝土梁桥疲劳性能评估方法，包括以下步骤：(1)对底层(指标层)性能指标进行标度评定，给出相应的扣分；(2)计算材料层的各元素得分；(3)计算不同损伤类型的得分；(4)计算混凝土梁桥疲劳性能得分，判定损伤等级。本发明通过该方法可以实现混凝土梁桥疲劳性能的快速评估。

Description

一种混凝土梁桥疲劳性能评估方法
技术领域
本发明属于桥梁性能评估领域，涉及一套完整的桥梁疲劳性能评估方法，尤其适用于混凝土梁桥的疲劳性能评估。
背景技术
混凝土桥梁的疲劳损伤，是指在微观上表现为在反复荷载作用下的混凝土、钢筋和预应力筋等材料的损伤逐步累积，使桥梁的性能不断劣化，最终导致结构功能退化或失效的过程。对于混凝土梁桥而言，由于其所受荷载中恒活载的比例以及预应力混凝土结构本身材料性质与钢桥并不相同等原因，一般很少关注混凝土梁桥的疲劳问题。在我国现行的桥梁设计规范中，也没有针对混凝土梁桥的疲劳设计进行过相关规范性建议。仅有混凝土结构设计规范(GB50010-2010)针对建筑工程中承受反复荷载作用的构件(如吊车梁)提出了相关疲劳验算的规定。然而，交通量的增长和超载车辆的通行导致混凝土梁桥出现明显疲劳损伤的问题。
美国AASHTO规范和欧洲Eurocode规范对混凝土梁桥疲劳验算都有详细建议。但是，混凝土梁桥疲劳性能评估方面的研究，鲜有文献报道。在指标体系的基础上建立合理的分级标准以评估混凝土梁桥的疲劳性能，将直接体现现场检测数据与混凝土梁桥疲劳性能以及相应的管养措施的简化对应关系，有利于工程技术人员快速准确地评定桥梁的疲劳性能，并指导其采取针对性的技术和管理性措施。
发明内容
本发明的目的是为了便于工程技术人员快速准确地评定混凝土梁桥的疲劳性能，提出了混凝土梁桥疲劳性能的评价指标和标准，并采用层次分析法建立评估方法。
本发明采用的技术方案为：一种混凝土梁桥疲劳性能评估方法，该方法包括以下步骤：
(1)对底层(指标层)性能指标进行标度评定，给出相应的扣分；
所述的底层(指标层)性能指标包括：在“荷载引起的疲劳损伤”模块中三种材料的指标均是疲劳损伤度；在“环境引起的材料劣化”模块中受力钢筋和预应力筋的指标是锈蚀率，混凝土的指标是裂缝密度、保护层破损率和弹模下降率。
对底层(指标层)性能指标进行标度评定，根据损伤层各性能指标对应的损伤程度对结构疲劳性能的影响不同，将其划分为五个等级，分别用1-5作为其标度。一些量化的损伤指标可以通过与实测桥梁检测数据比较确定其标度。
对底层(指标层)性能指标进行标度评定，通过S-N曲线和交通量参数分别计算出钢筋、预应力筋、混凝土的疲劳损伤程度。疲劳损伤度的计算公式为
d＝n·dyr (1)
式中，n为所评估的服役桥梁的已使用年数，dyr为一年的疲劳损伤度，按1万次/年计算。根据不同的疲劳损伤度得到不同的评定标度。
(2)计算材料层的各元素得分；
计算材料层的各元素得分，对于某种材料，将各个性能指标的扣分值由大到小进行排序，记作DP1，DP2，DP3，……损伤状态为“完好”的指标扣分值为0，可以省略不写。然后用下式计算该材料的递减扣分变量Uk。
Figure BDA0001471681580000021
则第i种材料损伤的综合得分为：
Figure BDA0001471681580000022
(3)计算不同损伤类型的得分；
计算不同损伤类型的得分，将每种材料的综合得分按照各材料的权重Wi叠加后，可得该损伤类型的综合得分：
Dα或
Figure BDA0001471681580000023
式中，Dα和Dβ分别是第2层“荷载引起的疲劳损伤”和“环境引起的材料劣化”的综合得分。Wi是受拉钢筋、预应力筋、混凝土的权重。
疲劳损伤按材料分为受拉钢筋、预应力筋、混凝土三种，对这三种材料取不同的权重系数，如表3所示。
表3 主梁材料的权重Wi
Figure BDA0001471681580000024
(4)计算混凝土梁桥疲劳性能得分，判定损伤等级。通过该方法可以混凝土梁桥疲劳性能的快速评估。
计算混凝土梁桥疲劳性能得分，判定损伤等级，根据荷载引起的疲劳损伤的权重α和环境引起的材料劣化的权重β，最后综合计算得到混凝土梁桥的疲劳性能的评估结果。
D＝α·Dα+β·Dβ (5)
“荷载引起的疲劳损伤”的权重系数α是通过所评估的桥梁的年车流量来确定，车流量越大，所取的权重越大，即所得到的疲劳损伤越大，如表1所示。
表1 平均年车流量对荷载引起的疲劳损伤的权重α的影响
Figure BDA0001471681580000031
注：不考虑3t以下的小车(小车车流量约占总车流量的50％～70％)；车流量在两个数值之间的可采取直线内插得到权重。
“环境引起的材料劣化”的权重β系数是根据我国《混凝土结构耐久性规范设计细则》(送审稿)中不同环境的作用等级，环境等级越高，所对应的权重系数越大，如表2所示。
表2 环境等级对环境引起的材料劣化权重β的影响
Figure BDA0001471681580000032
本发明的有益效果：对于混凝土梁桥疲劳性能，其检查评定指标包含了诸多的影响因素。其中有一些是定性的指标，没有明确的定量标准，从而无法用定量的数字进行描述；还有一些指标是定量的。采用层次分析法，可使评估工作简化，同时能很好地将主观评定的过程(底层标度的确定)与客观的数学模型结合起来(综合得分的过程)，提高了评估结果的可信度。所以混凝土梁桥的疲劳性能考虑采用层次分析法评估。
基于引起混凝土梁桥发生疲劳的关键因素车辆荷载(车流量和车辆荷载特点)，同时考虑其它环境因素引起材料劣化的影响，结合现行混凝土梁桥检测、评估和养护相关规范，以疲劳性能为评价目标，综合考虑理论和实践两方面的评价要求和实现条件，采用层次分析法建立混凝土梁桥长期疲劳性能评价指标体系与分级标准。
按层次分析法将整个评价结构疲劳性能的过程按照“结构层→材料层→指标层”对相关因素依次进行划分，对疲劳性能进行评估，对各个性能指标根据其损伤程度给出相应的标度，不同的标度对应不同的扣分值，对于不同构件、不同材料分别给出不同的权重，通过依次计算得到各层的得分，最后得到整体结构疲劳性能的一个评估结果。
附图说明
图1为混凝土梁桥疲劳性能评价层次划分。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步对本发明进行说明。
如图1所示，将整个疲劳性能评价体系划分为4个层次：
第1层是“混凝土梁桥的疲劳性能评价”。
第2层包含“荷载引起的疲劳损伤”和“环境引起的材料劣化”两个模块。
第3层包含混凝土梁桥的三种主要材料，即受力钢筋、预应力筋和混凝土。
第4层(底层)是指标层，在“荷载引起的疲劳损伤”模块中三种材料的指标均是疲劳损伤度；在“环境引起的材料劣化”模块中受力钢筋和预应力筋的指标是锈蚀率，混凝土的指标是裂缝密度、保护层破损率和弹模下降率。
考虑车辆荷载引起的疲劳损伤和环境引起的材料劣化的共同作用，也可以总结为腐蚀疲劳作用。第2层“荷载引起的疲劳损伤”和“环境引起的材料劣化”的权重系数可分别用α和β表示。“荷载引起的疲劳损伤”的权重系数α是通过所评估的桥梁的年车流量来确定，车流量越大，所取的权重越大，即所得到的疲劳损伤越大，如表1所示。这里不考虑3t以下的小车。“环境引起的材料劣化”的权重β系数是根据我国《混凝土结构耐久性规范设计细则》(送审稿)中不同环境的作用等级，环境等级越高，所对应的权重系数越大，如表2所示。通常评估规范中权重之和为1，所以这里α和β的取值都从0.5开始。
表1 平均年车流量对荷载引起的疲劳损伤的权重α的影响
Figure BDA0001471681580000041
注：不考虑3t以下的小车(小车车流量约占总车流量的50％～70％)；车流量在两个数值之间的可采取直线内插得到权重。
表2 环境等级对环境引起的材料劣化权重β的影响
Figure BDA0001471681580000051
疲劳损伤按材料分为受拉钢筋、预应力筋、混凝土三种(第3层)，对这三种材料取不同的权重系数，如表3所示。
表3 主梁材料的权重Wi
Figure BDA0001471681580000052
具体包含以下步骤：
第一步：对底层(指标层)性能指标进行标度评定，给出相应的扣分。根据损伤层各性能指标对应的损伤程度对结构疲劳性能的影响不同，将其划分为五个等级，分别用1-5作为其标度。一些量化的损伤指标可以通过与实测桥梁检测数据比较确定其标度，具体见表4和表5。
通过S-N曲线和交通量参数分别计算出钢筋、预应力筋、混凝土的疲劳损伤程度。疲劳损伤度的计算公式为
d＝n·dyr (1)
式中，n为所评估的服役桥梁的已使用年数，dyr为一年的疲劳损伤度，按1万次/年计算。根据不同的疲劳损伤度得到不同的评定标度。
表4 荷载引起的疲劳损伤度的评定标度
Figure BDA0001471681580000053
表5 环境引起的材料劣化的评定标度
Figure BDA0001471681580000061
确定每个性能指标的标度后，查表6得到其扣分值DP。
表6 指标的评定标度及对应的扣分值DP
Figure BDA0001471681580000062
第二步：计算材料层的各元素得分。对于某种材料，将各个性能指标的扣分值由大到小进行排序，记作DP1，DP2，DP3，……损伤状态为“完好”的指标扣分值为0，可以省略不写。然后用下式计算该材料的递减扣分变量Uk。
Figure BDA0001471681580000063
则第i种材料损伤的综合得分为：
Figure BDA0001471681580000064
第三步：计算不同损伤类型的得分。将每种材料的综合得分按照各材料的权重Wi叠加后，可得该损伤类型的综合得分：
Dα或
Figure BDA0001471681580000065
式中，Dα和Dβ分别是第2层“荷载引起的疲劳损伤”和“环境引起的材料劣化”的综合得分。
第四步：计算混凝土梁桥疲劳性能得分，判定损伤等级。根据荷载引起的疲劳损伤的权重α和环境引起的材料劣化的权重β，最后综合计算得到混凝土梁桥的疲劳性能的评估结果。
D＝α·Dα+β·Dβ (5)
将D值与表7中整体结构的疲劳性能评定等级范围进行对照，确定该桥梁整体结构疲劳性能所属损伤等级。在表7中，以“成桥性能、影响外观、影响使用、影响安全”四个临界性能水平作为分级原则，分别对应混凝土梁桥疲劳性能的1、2、3、4级，明确分级的具体指标及范围。
表7 疲劳性能等级对照表
Figure BDA0001471681580000071
调整权重可采用专家评估法，扣分值的确定依据是抽样调查和专家经验。性能指标的损伤程度是一个随时间变化的量，因此只能进行当前运营阶段的疲劳性能的评估。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种混凝土梁桥疲劳性能评估方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)对指标层性能指标进行标度评定，给出相应的扣分；
所述指标层性能指标包括：在“荷载引起的疲劳损伤”模块中三种材料的指标均是疲劳损伤度；在“环境引起的材料劣化”模块中受力钢筋和预应力筋的指标是锈蚀率；混凝土的指标是裂缝密度、保护层破损率和弹模下降率；
对指标层性能指标进行标度评定，根据损伤层各性能指标对应的损伤程度对结构疲劳性能的影响不同，将其划分为五个等级，分别用1-5作为其标度；一些量化的损伤指标通过与实测桥梁检测数据比较确定其标度；
(2)计算材料层的各元素得分；
(3)计算不同损伤类型的得分；
(4)计算混凝土梁桥疲劳性能得分，判定损伤等级；通过该方法实现混凝土梁桥疲劳性能的快速评估；
所述步骤(1)中对指标层性能指标进行标度评定，通过S-N曲线和交通量参数分别计算出钢筋、预应力筋、混凝土的疲劳损伤程度；疲劳损伤度的计算公式为
d＝n·dyr (1)
式中，n为所评估的服役桥梁的已使用年数，dyr为一年的疲劳损伤度，按1万次/年计算；根据不同的疲劳损伤度得到不同的评定标度；
所述步骤(2)中计算材料层的各元素得分，对于某种材料，将各个性能指标的扣分值由大到小进行排序，记作DP1，DP2，DP3，……损伤状态为“完好”的指标扣分值为0，然后用下式计算该材料的递减扣分变量Uk；
Figure FDA0002641762340000011
则第i种材料损伤的综合得分为：
Figure FDA0002641762340000012
所述步骤(3)中计算不同损伤类型的得分，将每种材料的综合得分按照各材料的权重Wi叠加后，可得该损伤类型的综合得分：
Figure FDA0002641762340000013
式中，Dα和Dβ分别是第2层“荷载引起的疲劳损伤”和“环境引起的材料劣化”的综合得分；Wi是受拉钢筋、预应力筋、混凝土的权重，对这三种材料取不同的权重系数，如表3所示：
表3主梁材料的权重Wi
Figure FDA0002641762340000021
所述步骤(4)中计算混凝土梁桥疲劳性能得分，判定损伤等级，根据荷载引起的疲劳损伤的权重α和环境引起的材料劣化的权重β，最后综合计算得到混凝土梁桥的疲劳性能的评估结果；
D＝αDα+β·Dβ (5)
“荷载引起的疲劳损伤”的权重系数α是通过所评估的桥梁的年车流量来确定，车流量越大，所取的权重越大，即所得到的疲劳损伤越大，如表1所示：
表1平均年车流量对荷载引起的疲劳损伤的权重α的影响
Figure FDA0002641762340000022
“环境引起的材料劣化”的权重β系数是根据我国《混凝土结构耐久性规范设计细则》中不同环境的作用等级，环境等级越高，所对应的权重系数越大，如表2所示：
表2环境等级对环境引起的材料劣化权重β的影响
Figure FDA0002641762340000023
Figure FDA0002641762340000031
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