CN111428303A - 一种空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法，首先建立铰缝评估指标与铰缝协同工作系数的拟合回归曲线，根据拟合回归曲线得到与铰缝协同工作系数铰缝评估指标的数学公式；然后测量铰缝相关参数，包括铰缝病害长度、桥梁跨径长度、铰缝两侧板梁各自的挠度；计算并测定铰缝评估指标：测定缝相邻两板梁的竖向位移即铰缝错台、铰缝相邻两板梁的横向位移即铰缝开合；计算铰缝损伤度及铰缝两侧板梁的挠度比；将得到铰缝评估指标带入铰缝协同工作系数的表达式，得到实际的铰缝协同工作系数。本发明建立了关于铰缝协同工作系数与各评估指标的数学公式。
Description
技术领域
本发明属于桥梁结构评估技术领域，特别是一种空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法。
背景技术
铰缝是空心板梁桥的薄弱环节，其一旦出现早期病害，性能会急剧下降，影响桥梁结构的横向传力特性，削弱结构整体受力性能，导致单板受力，直接影响结构的使用安全和使用寿命。关于铰缝健康状况的判定，目前主要通过荷载试验方法对铰缝的结构进行检测，荷载试验法判断铰缝受损的方式主要是对横向分布系数经过详细的分析，判断传递剪力是否正常，但是这种方式需要花费大量的人力物力，所以很难在大面积内施行。
现有人提出根据桥梁静载试验中的荷载大小、位置以及实测板梁位移等信息得到铰缝剪力和铰缝刚度。定义了铰缝传力能力指标Λi和铰缝刚度比指标λi，并提出相应的对铰缝损伤程度评判的方法，但是该方法以荷载试验为基础需耗费大量人力物力，不够方便，成本过大。张枢文.空心板梁铰缝的非接触式检测方法研究(J).低温建筑技术,2017,39(10):87-89.则采用板梁相对位移与空心板位移的比值作为评价指标，测试分析了在不中断交通的情况下某实桥空心板梁铰缝相邻处的各点位移，并对铰缝作出损伤评估，但该方法仅考虑铰缝损伤带来的位移变化作为评价标准，不能全面反映铰缝受损真实情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法，可在不中断交通的情况下进行铰缝损伤的判断，并且操作较为便捷，评价结果也较为全面。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法，包括以下步骤：
步骤1、建立铰缝评估指标与铰缝协同工作系数的拟合回归曲线，根据拟合回归曲线得到与铰缝协同工作系数铰缝评估指标的数学公式；
所述铰缝评估指标包括铰缝损伤度λ、铰缝错台m、铰缝开合n和挠度比r；建立了关于铰缝协同工作系数f与各评估指标的数学表达式：f＝aλ2.4+bm+cn+d ln r-e；其中a、b、c、d、e分别为根据拟合曲线得到的表达式的系数；
步骤2、测量铰缝相关参数，包括铰缝病害长度L1、桥梁跨径长度L2、铰缝两侧板梁各自的挠度S1和S2；
步骤3、计算并测定铰缝评估指标：
步骤3.1、测定缝相邻两板梁的竖向位移即铰缝错台m、铰缝相邻两板梁的横向位移即铰缝开合n；
步骤3.2、计算铰缝损伤度λ及铰缝两侧板梁的挠度比r；
步骤4、将得到铰缝评估指标带入铰缝协同工作系数f的表达式，得到实际的铰缝协同工作系数f。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法，通过提出铰缝协同工作系数这一指标对铰缝的性能进行评价，并且将铰缝协同工作系数和各评估指标之间形成较好的拟合关系，继而建立了关于铰缝协同工作系数与各评估指标的数学公式。
(2)本发明的空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法，可对铰缝性能退化的程度进行量化表征。
(3)本发明的空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法，铰缝损伤度λ、铰缝错台m、铰缝开合n、挠度比r四个评价指标的数据采集和计算较为简单容易，可在不中断交通的情况下进行铰缝损伤的判断。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为铰缝错台、铰缝开合，梁板挠度位移传感器测试原理图。
图3为铰缝两侧梁板挠度测点布置示意图。
图4为铰缝错台测点布置示意图。
图5为铰缝开合测点布置示意图。
图6为实施例中混凝土空心板梁结构示意图。
图7为铰缝协同工作系数与铰缝损伤度拟合曲线图。
图8为铰缝协同工作系数与铰缝错台拟合曲线图。
图9为铰缝协同工作系数与铰缝开合拟合曲线图。
图10为铰缝协同工作系数与铰缝挠度比拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
本发明的一种空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法，包括以下步骤：
步骤1、建立铰缝评估指标与铰缝协同工作系数的拟合回归曲线，根据拟合回归曲线得到与铰缝协同工作系数铰缝评估指标的数学公式：
所述铰缝评估指标包括铰缝损伤度λ、铰缝错台m、铰缝开合n和挠度比r；
本发明采用Midas有限元实桥模型来研究铰缝在不同损伤长度下评估指标变化规律，铰缝损伤的长度从0米到20米不等，铰缝损伤的位置从外边板铰缝逐步迁移至中板铰缝，得到不同铰缝损伤长度下铰缝协同工作系数f、铰缝损伤度λ、铰缝错台m、铰缝开合n和挠度比r，在剔除部分离群值后建立了各指标与铰缝协同工作系数f的拟合回归曲线，由曲线可知，铰缝协同工作系数f与损伤度λ呈指数函数关系，铰缝协同工作系数与错台m、开合n之间呈线性关系，铰缝协同工作系数与挠度比呈幂函数关系。将铰缝协同工作系数f与各铰缝评估指标联立，继而建立了关于铰缝协同工作系数f与各评估指标的数学表达式：f＝aλ2.4+bm+cn+d lnr-e；其中a、b、c、d、e分别为根据拟合曲线得到的表达式的系数。
其中，铰缝损伤度λ是指通过外观检测可以判别的铰缝病害(勾缝脱落、铰缝渗水析白、混凝土松散剥落等)长度与桥梁跨径的比值；铰缝错台m是指铰缝相邻两板梁的竖向位移差值；铰缝开合n是指铰缝相邻两板梁的横向位移；挠度比r是指铰缝两侧板梁的挠度的比值，r∈[1,+∞)。
步骤2、测量铰缝相关参数，包括铰缝病害长度L1、桥梁跨径长度L2、铰缝两侧板梁各自的挠度：铰缝一侧板挠度S1和铰缝另一侧板挠度S2。
步骤3、计算并测定铰缝评估指标：
步骤3.1、测定缝相邻两板梁的竖向位移即铰缝错台m、铰缝相邻两板梁的横向位移即铰缝开合n；
测定相邻板梁的相对错台m：通过在相邻板梁间设置U型位移传感器测得；
测定相邻板梁的相对开合n：通过在相邻板梁一侧设置一贴片，另一侧设置横向位移传感器，横向位移传感器与贴片贴合以测得相对开合n。
步骤3.2、计算铰缝损伤度λ及铰缝两侧板梁的挠度比r：
其中：λ＝L1/L2
r＝S1/S2，r∈[1,+∞)
步骤4、将得到铰缝评估指标带入铰缝协同工作系数f的表达式，得到实际的铰缝协同工作系数f。
实施例1
对汾灌高速淮沭新河跨陇海铁路大桥进行荷载试验，将相应的位于传感器用AB胶粘贴在梁底进行数据监测，挠度、错台、开合的测点均布置在混凝土空心板梁桥的跨中如图3-图5。
步骤1、建立铰缝评估指标与铰缝协同工作系数的拟合回归曲线，根据拟合回归曲线得到与铰缝协同工作系数铰缝评估指标的数学公式：
采用Midas有限元实桥模型来研究铰缝在不同损伤长度下评估指标变化规律，铰缝损伤的长度从0米到20米不等，得到不同铰缝损伤长度下铰缝协同工作系数f、铰缝损伤度λ、铰缝错台m、铰缝开合n和挠度比r，在剔除部分离群值后建立了各指标与铰缝协同工作系数f的拟合回归曲线，如图7-图10所示；
根据上述铰缝协同工作系数与各指标的拟合回归曲线的函数关系，联立建立了关于铰缝协同工作系数f与各评估指标的数学表达式：
4f＝70.86λ2.4+150.5m+43.173n+28.416lnr-11.1192简化得如下方程：
f＝17.714λ2.4+37.63m+10.79n+7.1lnr-2.78
步骤2、测量铰缝相关参数，包括铰缝病害长度L1、桥梁跨径长度L2、铰缝两侧板梁各自的挠度S1和S2
在桥梁荷载试验前对梁底混凝土铰缝进行外观检测，荷载试验为21孔右幅空心板梁，外观检测表明：12条铰缝存在多处铰缝勾缝连续脱落的现象，其中第1、3条铰缝伴有析白现象，第9条铰缝产生了勾缝开裂问题，第12条铰缝伴有渗水、析白等问题。
通过外观检测和监测数据汇总分析，研究认为第1、3、9、12条铰缝存在性能劣化的可能。测量得第1、3、9、12条铰缝的铰缝病害长度L1、桥梁跨径长度L2、铰缝两侧板梁各自的挠度S1和S2如表1所示。
表1铰缝相关参数汇总表
步骤3、计算并测定铰缝评估指标，根据步骤2计算及测定的铰缝评估指标，具体如表2所示，
表2铰缝性能检测相关指标汇总表
步骤4、将得到铰缝评估指标带入铰缝协同工作系数f的表达式，得到实际的铰缝协同工作系数f。
各条铰缝所求得的实际的铰缝协同工作系数f见表2最后一行。本实施例中，分别建立了6条不同铰缝在11种不同铰缝受损长度下(分别为受损0米、2米、4米、52米、8米、10米、12米、14米、16米、18米、20米)的Midas有限元模型，通过在13块板梁跨中依次施加300kN的集中荷载来研究不同铰缝受损工况下横向分布影响线的变化规律，绘制铰缝协调工作系数f随铰缝受损长度的演变关系图，得到对铰缝不同性能状态下对应的等级进行了划分，如表3所示。将表2所示的实际的铰缝协同工作系数f与表3进行对照，即可对桥梁铰缝损伤等级进行划分；
表3铰缝性能等级划分表
由上表可知，铰缝协同工作系数f处于2.232％～2.750％之间，处于铰缝未损伤状态，但其数值距轻微损伤界限值3％较近，说明铰缝正处于完好到轻微损伤的发展过渡阶段。此时，铰缝虽然产生了一定的勾缝脱落、析白等病害问题，但病害正处于初始阶段，铰缝部内结构状态依旧完好未直接影响到板梁的横向传力能力。
Claims (6)
1.一种空心板梁桥铰缝协同工作系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立铰缝评估指标与铰缝协同工作系数的拟合回归曲线，根据拟合回归曲线得到与铰缝协同工作系数铰缝评估指标的数学公式；
所述铰缝评估指标包括铰缝损伤度λ、铰缝错台m、铰缝开合n和挠度比r；建立了关于铰缝协同工作系数f与各评估指标的数学表达式：f＝aλ2.4+bm+cn+dlnr-e；其中a、b、c、d、e分别为根据拟合曲线得到的表达式的系数；
步骤2、测量铰缝相关参数，包括铰缝病害长度L1、桥梁跨径长度L2、铰缝两侧板梁各自的挠度S1和S2；
步骤3、计算并测定铰缝评估指标：
步骤3.1、测定缝相邻两板梁的竖向位移即铰缝错台m、铰缝相邻两板梁的横向位移即铰缝开合n；
步骤3.2、计算铰缝损伤度λ及铰缝两侧板梁的挠度比r；
步骤4、将得到铰缝评估指标带入铰缝协同工作系数f的表达式，得到实际的铰缝协同工作系数f。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤3.1测定相邻板梁的相对错台和相对开合均通过在相邻板梁件设置位移传感器测得。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤3.2铰缝损伤度计算公式为：
λ＝L1/L2。。
4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤3.2铰缝两侧板梁的挠度比计算公式为：
r＝S1/S2。。
5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，铰缝协同工作系数f与各评估指标的数学表达式具体为：f＝17.714λ2.4+37.63m+10.79n+7.1lnr-2.78。
6.根据权利要求1-5任意项所述的计算方法用于铰缝性能评价，其特征在于，将计算的，铰缝协同工作系数f与铰缝性能等级划分表对照，对桥梁铰缝损伤等级进行划分：
铰缝性能等级划分表
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