CN110378003A - 一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑工程技术领域，更具体地，涉及一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，以跨中附近存在裂缝的简支梁为待测简支梁，包括以下步骤：S1计算得到待测简支梁的初始正截面抗弯承载力M0；S2计算或测试得到待测简支梁的初始一阶自振频率f(0)；S3测试得到服役时间t时待测简支梁的一阶自振频率f(t)；S4计算得到待测简支梁在服役时间t时的剩余承载能力M(t)，计算公式为根据剩余承载能力M(t)来快速评估待测简支梁的承载力。本发明方便工作人员对跨中附近存在裂缝的简支梁的承载力进行检测和评估，降低检测成本，节省时间，提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，更具体地，涉及一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法。
背景技术
简支梁在服役过程中同时承受荷载和环境的双重作用，随着服役时间的增长，简支梁会出现锈蚀、疲劳等损伤现象，进而导致梁承载力的降低，一旦荷载超过其承载力将造成垮塌等重大事故。因此，对一定服役期时梁的承载力进行准确评估，是确保人民生命财产安全的必要手段。目前，桥梁承载力评估方法主要有静力法和动力法。静力法通过将桥梁的实测挠度和应变与理论计算结果进行比较得到校验系数，该方法实施不便且精度不足。动力法是通过结构的振动特性来反映结构当前的工作状态，目前的桥梁检测方法只是将结构的频率视为反映整体刚度的表征，没有建立和利用频率与承载能力之间的关系，不能通过频率定量得到梁的剩余承载能力，这限制了动力法评估承载力的发展。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的缺陷，提供一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，方便工作人员对跨中附近存在裂缝的简支梁的承载能力进行检测和评估，降低检测成本，节省时间，提高检测精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，以跨中附近存在裂缝的简支梁为待测简支梁，包括但不限于以下步骤：
S1计算得到待测简支梁的初始正截面抗弯承载力M0；
S2计算或测试得到待测简支梁的初始一阶自振频率f(0)；
S3测试得到服役时间t时待测简支梁的一阶自振频率f(t)；
S4计算得到待测简支梁在服役时间t时的剩余承载能力M(t)，计算公式为根据剩余承载能力M(t)来快速评估待测简支梁的承载力。
作为其中一种优选的方案，所述待测简支梁的组成材料为混凝土和筋材，梁的薄弱截面位于跨中区域附近，跨中附近出现有一条或以上的裂缝。存在裂缝的简支梁的承载能力极限状态对应的是梁底受拉筋材屈服时的状态。
作为其中一种优选的方案，所述S1的计算方式为有限元模拟分析计算，或根据现行规范计算。根据有限元模拟或现行规范，如《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、《混凝土结构设计规范》等计算得到待测简支梁的初始正截面抗弯承载力M0。
作为其中一种优选的方案，所述S2的计算或测试方式为有限元模拟分析计算，或根据现行规范计算，或应用加速度传感器、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪测试。通过有限元模拟或根据《公路桥涵设计通用规范》计算或应用加速度传感器、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪等设备测试得到服役简支梁或新建简支梁的初始一阶自振频率f(0)。
作为其中一种优选的方案，所述S3的测试方式为应用加速度传感器、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪测试。对于服役中的带裂缝的简支梁其初始频率可以根据相关动力学理论得到，对于新建简支梁，其初始频率应根据实测得到，通过测试得到梁的自振频率时，可以用锤击法也可以用环境激励的方法，所用的加速度传感器可以是有线的也可以是无线的。
作为其中一种优选的方案，所述加速度传感器设于待测简支梁的跨中区域。在测试时加速度传感器应靠近跨中布置，同时，为了实施监测简支梁的剩余承载量变化情况，评估简支梁的承载力的发展，可长久地将传感器安装于简支梁上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本方法通过相关数据运算，定量分析简支梁的剩余承载力情况，操作方便，精度较高，而且实施成本低；2)通过将传感器长久安装于简支梁，实时监测简支梁的剩余承载量变化情况，评估简支梁承载力的发展。
附图说明
图1是本发明的计算流程图。
图2是验证例1的测试结构示意图。
图3是验证例1的简支梁横断面图。
图4是验证例2的测试结构示意图。
图5是验证例3的测试结构示意图。
其中，10加速度传感器。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，以跨中附近存在裂缝的简支梁为待测简支梁，其中，待测简支梁的组成材料为混凝土和筋材，梁的薄弱截面位于跨中区域附近，跨中附近出现有一条或以上的裂缝。
该方法包括但不限于以下步骤，如图1所示：
S1通过有限元模拟分析计算，或根据现行规范，如《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、《混凝土结构设计规范》等计算得到待测简支梁的初始正截面抗弯承载力M0。
S2通过有限元模拟分析计算，或根据现行规范《公路桥涵设计通用规范》计算，或应用加速度传感器(10)、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪测试得到待测简支梁的初始一阶自振频率f(0)，其中加速度传感器(10)设于待测简支梁的跨中区域。
S3应用加速度传感器(10)、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪测试测试得到服役时间t时待测简支梁的一阶自振频率f(t)。对于服役中的带裂缝的简支梁其初始频率可以根据相关动力学理论得到，对于新建简支梁，其初始频率应根据实测得到，通过测试得到梁的自振频率时，可以用锤击法也可以用环境激励的方法。
S4计算得到待测简支梁在服役时间t时的剩余承载能力M(t)，计算公式为根据剩余承载能力M(t)来快速评估待测简支梁的承载能力。
为了验证本实施例的准确性，进行了以下验证例：
验证例1
如图2所示，取钢筋混凝土简支T梁为待测简支梁，梁长19.96m，计算跨径19.50m，截面尺寸如图3所示，图中尺寸单位为cm，混凝土强度等级为C30，主筋采用HRB335钢筋。在车载和环境作用下该梁的承载能力会逐渐下降，如表1所示，由于是普通钢筋混凝土梁，该梁在正常使用状态下跨中附近会存在裂缝。现应用本发明给出的方法分别对该梁使用10、20、30、40、50、60年后的剩余承载力进行评估。
计算过程如下：
1)根据有限元模拟或现行规范，如《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、《混凝土结构设计规范》等计算得到该梁跨中梁底钢筋屈服时对应的初始正截面抗弯承载力M0为2408kN·m；
2)通过有限元模拟或根据《公路桥涵设计通用规范》计算或应用加速度传感器(10)、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪等设备测试得到该梁刚建成时的一阶频率f(0)＝4.4835Hz；
3)分别在该梁服役10、20、30、40、50、60年时测试得到其对应的一阶自振频率f(10)＝4.3581Hz、f(20)＝4.2306Hz、f(30)＝4.1031Hz、f(40)＝3.9577Hz、f(50)＝3.7824Hz、f(60)＝3.5180Hz；
4)根据公式计算得到服役10、20、30、40、50、60年时该梁的剩余承载力评估值分别为M(10)＝2275kN·m、M(20)＝2144kN·m、M(30)＝2010kN·m、M(40)＝1876kN·m、M(50)＝1714kN·m、M(60)＝1483kN·m。
表1为该梁的实际承载力与本发明的评估结果对比情况，可以看出，实施例1给出的评估方法能够快速准确地对该梁的剩余承载力进行评估，本验证例中评估相对误差最大为2.6962％，不超过5％。
表1本发明评估结果与实际承载能力对比
验证例2
应用现有文献“赵新.锈蚀钢筋混凝土梁工作性能的试验研究[D].湖南大学，2006”中的两组跨中锈蚀开裂的简支梁进行剩余承载力评估。两组锈蚀梁分别为A组和B组，其中A组梁梁长2.2m，截面高度18cm，截面宽度10cm，受拉钢筋为2根16mm直径钢筋，跨中锈损区段长度是500mm，如图4所示，B组梁梁长2.2m，截面高度18cm，截面宽度10cm，受拉钢筋为3根12mm直径钢筋，跨中锈损区段长度是500mm，如图4所示。文献中对A、B这两组梁的试验过程为：首先对A、B两组梁中的无损梁进行破坏加载试验得到无损梁的承载力，然后分别将A、B两组梁加载至开裂，裂缝位于跨中附近，对恒载下的梁内钢筋进行不同程度的加速锈蚀，并保持恒载一段时间后，卸除荷载对梁进行动力测试，最后再进行破坏试验得到极限承载力。
结合实施例1，以A组梁为例进行说明，B组梁的评估过程相似，对文献中的A组简支梁进行剩余承载力评估步骤如下：
1)通过实测得到无损梁A的承载能力M0＝19kN·m；
2)通过实测得到无损梁A的一阶频率f(0)＝58.26Hz；
3)测试得到锈蚀后损伤梁A的一阶自振频率f(锈蚀后)＝52.50Hz；
4)根据公式计算得到锈蚀后损伤梁A的剩余承载能力M(锈蚀后)＝15.43kN·m。
表2为该梁的实测承载力与本发明的评估结果对比情况，可以看出实施例1给出的评估方法能够快速准确地对该梁的剩余承载力进行评估，本验证例中评估相对误差最大为2.85％，不超过5％。
表2本发明评估结果与试验结果对比情况
验证例3
应用现有文献“刘燕.基于静动力特性的区段锈蚀梁损伤研究[D].重庆大学,2011”中不同锈蚀区段和程度的钢筋混凝土简支梁进行剩余承载能力评估。文献中制作了7根钢筋混凝土简支梁，所有梁的尺寸和配筋情况相同，梁长2.3m，截面高度30cm，截面宽度15cm，受拉钢筋为2根14mm直径钢筋。试验梁净跨2.1m，将梁沿长度方向均匀分为7个区段，从左到右依次为1-7区段，其中跨中为4号区段，往左依次为3区段、2区段，如图5所示。对试验梁在不同区段进行不同程度的锈蚀，锈蚀工况见表3，然后对梁进行剩余承载能力测试。
应用实施例1对本验证例中的锈蚀梁进行剩余承载力的评估过程如下，以锈蚀梁1为例，其他计算步骤相似。
1)通过实测得到无损梁的承载能力，M0＝36.8kN·m；
2)通过实测得到锈蚀梁锈蚀前的一阶频率f(0)＝31.13Hz；
3)测试得到锈蚀梁1的一阶自振频率f(锈蚀后)＝27.50Hz；
4)根据公式计算得到锈蚀后损伤梁1的剩余承载力M(锈蚀后)＝28.72kN·m。
表3为各锈蚀梁的实测剩余承载力与本发明的评估结果对比情况，可以看出对于锈蚀区段为4和3的锈蚀梁，应用本发明方法得到的剩余承载力结果与试验结果较接近，最大相对误差为4.22％，不超过5％。而对于锈蚀区段为2的锈蚀梁，本发明的评估结果与试验差异较大，这主要是因为锈蚀区段4和3在跨中位置附近，而锈蚀区段2远离跨中更靠近支座，这也说明本发明用于薄弱截面位于跨中附近且存在裂缝的简支梁的评估效果最好。
表3本发明评估结果与试验结果对比情况
另外，对于简支梁桥，如果考虑了梁之间横向连接的影响，则本方法中的计算公式通过乘以一个系数修正后仍然适用。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，其特征在于：以跨中附近存在裂缝的简支梁为待测简支梁，包括但不限于以下步骤：
S1计算得到待测简支梁的初始正截面抗弯承载力M0；
S2计算或测试得到待测简支梁的初始一阶自振频率f(0)；
S3测试得到服役时间t时待测简支梁的一阶自振频率f(t)；
S4计算得到待测简支梁在服役时间t时的剩余承载能力M(t)，计算公式为根据剩余承载能力M(t)来快速评估待测简支梁的承载力。
2.根据权利要求1所述的一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，其特征在于：所述待测简支梁的组成材料为混凝土和筋材，梁的薄弱截面位于跨中区域附近，跨中附近出现有一条或以上的裂缝。
3.根据权利要求2所述的一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，其特征在于：所述S1的计算方式为有限元模拟分析计算，或根据现行规范计算。
4.根据权利要求2所述的一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，其特征在于：所述S2的计算或测试方式为有限元模拟分析计算，或根据现行规范计算，或应用加速度传感器、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪测试。
5.根据权利要求2所述的一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，其特征在于：所述S3的测试方式为应用加速度传感器、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪测试。
6.根据权利要求4或5所述的一种跨中附近存在裂缝的简支梁承载力快速评估方法，其特征在于：所述加速度传感器设于待测简支梁的跨中区域。
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