CN113567242B - 一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法。本方法基于桥面通行活载产生的梁截面内力变化值仍满足内力平衡的原理，检测时沿梁截面高度按不定间距布置应变传感器并同步采集在活载作用下沿梁截面高度的各测点相同时刻应变变化值，依据沿梁截面高度应变变化值的分布规律确定所述桥梁的中性轴位置；基于所述沿梁截面高的应变及梁截面内力变量平衡原理推算所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积，并据此计算混凝土梁的截面实际抗力。本方法不受检测人员主观经验因素影响，检测指标与抗拉之间存在严密理论推导关系，在检测全过程中不必封闭交通，借助桥梁通行车辆产生的扰动效应即可进行，过程极为方便和快捷，成本低，易在实际中推广。

Description

一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法
技术领域
本发明涉及于桥梁检测领域技术领域，特别涉及一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法。
背景技术
目前，美国对于桥梁抗力评定的方法已从荷载影响评定LRF(Load FactorRating)逐渐发展到荷载-抗力影响评定LRRF(Load and Resistance Factor Rating)。同时，美国NBIS中规定必须对每座桥梁的承载力进行评定，如果评定结果达不到州或联邦政府制定的荷载等级，就必须对桥梁进行限制运营。加拿大则引入了部分荷载系数的概念来确定结构承载力；日本提出了在钢筋混凝土简支梁旧桥的分析计算中采用荷载效应的修正方法。
国内对服役混凝土桥梁抗力检测及评估主要基于以下几种方法：
(1)根据外观调查进行评定的方法
由有经验的专业技术人员对桥梁进行详细检查，并根据检查结果对桥梁进行评价。这种评价的技术依据为《公路桥涵养护技术规范》(JTGH11-2004)或《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)。
(2)采用分析计算为主的评定方法
这是目前桥梁结构评价中使用较多的一种方法。该方法依据桥梁结构理论、工程力学及大量试验资料对桥梁结构进行分析计算，其技术依据为现行公路桥梁设计规范及《公路桥梁抗力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)。
(3)荷载试验的方法
这种方式对桥梁进行外观调查和粗略的评定后，施加试验性荷载，从而对桥梁结构进行评定，荷载试验又分为静载试验和动载试验，在结构静载试验中，根据实测的变位或应变与理论计算值比较，得到结构的校验系数η
根据校验系数η值，查找规范表格，得到承载力检算系数Z1的校验系数Z2，然后利用桥梁结构承载力公式计算结构承载力。
(4)可靠度分析的评定方法
中华人民共和国国家标准《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T50283-1999)己于1999年10月正式实施。这种近似概率法的设计规范对评价现有结构具有直接指导意义，这种方法简便易行，能定量地描述结构物的可靠程度。使所有按不同规范设计、建造于不同年代的桥梁具有可比性。该方法将影响结构可靠性的各种因素都视为随机变量，并以结构的失效概率或与之相应的可靠指标来度量结构的可靠性。只要可靠指标β不小于目标可靠指标[β]，则认为桥梁的可靠性满足要求。
但是，在应用可靠度概念进行结构评价时是有“规定条件”要求的，这个“规定条件”就是指正常设计、正常施工、和正常使用。结构物在使用过程中的各种偶遇情况则不满足“规定条件”要求。因此，涉及到“规定条件”以外的桥梁结构的工后评价问题则不能应用可靠度方法。
(5)专家系统的评定方法
这种方法实际上是利用一种计算机软件进行结构评价。它以专家的知识为依据，模拟专家的推理来解决具体问题。一个具备基本知识的专业人员使用专家系统，便能以接近专家的水平来解决问题。该方法的主要问题是同领域专家大量知识的有效，客观的采集及数学模型的建立。
并且，针对目前已有承载力检测与评定方法中：
(1)基于外观调查的评价方法经验性太强，调查者经验素质对评价结果的影响很大，精度较差。
(2)《公路桥梁抗力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)中，对于评价公式中承载力检算系数Z1的确定中仍存在依靠评估者经验的因素存在，评价结构仍受评价主观因素影响。
(3)基于荷载试验的方法在桥梁结构承载力评定历史上发挥了较大的作用，但这种方法仍存在较大缺点，主要有：
首先，荷载试验评价结构承载力主要是通过荷载试验校验系数
Figure BDA0003148237330000031
来评定结构承载力，但是目前荷载试验校验系数与结构承载力之间的确切联系尚无严密的理论推理及论证；其次，荷载试验只是定性的对结构承载力进行判断，不能定量评价结构抗力到底有多大；再次，对于较为复杂的结构试验的理论计算值根本就难以准确计算，这样会导致误判；最后，荷载试验需要完全中断交通进行测试，费时、费力，特别是对于运营交通量大的桥梁进行荷载试验的难度就更大了，而且如果在试验过程操作不当还对给结构造成不可逆转的损伤。因此，荷载试验法存在较大局限性，操作简便性较差。
(4)可靠度评定方法及专家分析评定法均需建立在对结构实际参数的准确掌握的前提下，才能进行有效的评价。
综上所述，目前桥梁抗力检测评定存在主要问题可归纳为以下：缺失一个客观的不受人为主观经验因素影响的、能够准备反映结构承载力的、可以较为简便进行测试的桥梁特征参数。
因此，提出一种评价指标客观，不受检测人员主观影响，且在检测过程中，不必封闭交通，随时随地就可进行检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法尤为重要。
发明内容
本发明提供一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，用以解决上述提出的技术问题。
本发明提供了一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，包括：
步骤1：构建应力变量平衡法；
步骤2：检测在活载作用下沿梁截面高度的各测点相同时刻应变变化值，依据沿梁截面高度应变变化值的分布规律确定所述桥梁的中性轴位置；
步骤3：根据构建结果，确定桥梁抗弯截面受拉钢筋的实际有效截面积；
步骤4：根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力。
优选的，步骤1，构建应力变量平衡法，包括：
步骤1.1：获取所述桥梁受到的外部干扰力，同时，得到所述外部干扰力对桥梁内部的作用，并根据平衡关系得到各个力之间的关系：Fc拉+Ts＝Fc压
其中，Fc压表示混凝土截面内部受压区承受的压力，Fc拉表示混凝土截面内部受拉区混凝土承受的拉力，Ts表示混凝土截面内部受拉钢筋承受的拉力；
步骤1.2：根据所述平衡关系，以及应力变量平衡得到各个力之间的变量平衡关系：ΔFc拉+ΔTs＝ΔFc压
其中，ΔFc压表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受压区产生的压力变量，ΔFc拉表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量，ΔTs表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受拉钢筋产生的拉力变量。
优选的，步骤2，检测在活载作用下沿梁截面高度的各测点相同时刻应变变化值，还包括：确定应变传感器在沿梁截面的安装位置，其步骤包括：
步骤2.1.1：根据获取的所述桥梁的梁截面结构，对待检测抗力的钢筋混凝土梁进行承重分析，确定主要承重点，并进行标记；
步骤2.1.2接收不同时间段所述桥梁上车辆通过情况，同时获取不同时间段所述桥梁受到的压力，分析并得到车辆通过过程中所述桥梁的受力点变化过程；
步骤2.1.3：基于所述变化过程建立离散模型，通过所述离散模型，确定桥梁受力点变化的规律；
步骤2.1.4：根据所述规律，以及所述主要承重点，确定所述应变传感器在沿梁截面的安装位置。
优选的，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于：步骤2，依据沿梁截面高度应变变化值的分布规律确定所述桥梁的中性轴位置，其步骤包括：
步骤2.2.1：将应变传感器进行编号，并测量出在扰动力变量的作用下沿截面高的应变，构建应变集合；
步骤2.2.2：建立坐标系，将所述应变集合中的各个元素在所述坐标系中进行标记；
步骤2.2.3：在桥面活载扰动力作用下测试全部应变传感器的应变变量，如某个传感器应变变量始终为零(或近似为零)，则该传感器所在位置即为梁截面中性轴位置。
步骤2.2.4：接收端接收梁中性轴的位置信息，并向用户端发送所述位置信息，显示所述应变传感器的编号；
步骤2.2.5：获取下一编号应变传感器的位置信息，测量梁中性轴处应变传感器与所述下一编号应变传感器之间的距离。
优选的，步骤3，确定桥梁抗弯截面受拉钢筋的实际有效截面积，还包括：
步骤3.1：获取各个应变传感器的同步应变变量，根据混凝土的材料弹性关系，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量；
其中，所述“同步应变变量”为所有应变传感器应变变量的变化起始点时刻和变化终止点时刻均相同；
步骤3.1.1：当受拉区混凝土未出现开裂时，所述受拉区混凝土全部参与抗拉作用，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量：
Figure BDA0003148237330000051
Figure BDA0003148237330000052
其中，x表示在所述桥梁截面的中性轴位置的应变传感器的编号；i表示任意位置应变传感器的编号；εi表示第i个应变传感器的同步应变变量；εi+1表示编号第i+1个应变传感器的同步应变变量,应变传感器εi+1与εi相邻且位于εi的上方；n表示应变传感器的总个数；Ec表示混凝土材料弹性模量，Δdi表示第i个应变传感器与第i+1个应变传感器之间的间距；b表示梁截面宽度；
步骤3.1.2：当受拉区混凝土出现开裂时，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量：
Figure BDA0003148237330000061
Figure BDA0003148237330000062
其中，εk表示裂缝上端第一个应变传感器的同步应变变量；
步骤3.2：根据变量平衡，以及混凝土截面内部受拉钢筋产生的拉力变量ΔTs与所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积的关系确定所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积：
ΔTs＝εsEsAs
Figure BDA0003148237330000063
其中，εs表示所述桥梁受拉钢筋位置应变传感器的同步应变变量；Es表示所述桥梁上钢筋的弹性模量；As表示所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积。
优选的，步骤4，根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力过程中，还包括：根据车辆通行产生的路面震动，分析得到所述桥梁受到的干扰力，其步骤包括：
步骤4.1：获取所述桥梁路面震动情况与所受干扰力大小的标准对照表，并将震动情况进行分类处理，得到震动分类表；
步骤4.2：利用第一声波接收器，接收有车辆通过时所述桥梁的各个方向的目标声波；
步骤4.3：将所述目标声波与标准震动声波进行预处理，得到声波对比图，并基于所述声波对比图，剔除所述目标声波中的噪音，得到干扰声波；
步骤4.4：基于所述干扰声波建立干扰声波矩阵，并获取所述干扰声波矩阵的特征；
其中，所述特征是指所述干扰声波矩阵中各个干扰声波的共同特点；
步骤4.5：根据所述特征以及所述震动分类表，判断所述桥梁的当前震动所处类别，同时，将所述震动所处类别与标准对照表进行对比，得到所述桥梁当前所受干扰力；
步骤4.6：基于步骤4.1-4.5，测量下一时刻所述桥梁所受的干扰力，或获取上一时刻所述桥梁所受的干扰力，来与当前时刻的干扰力进行处理，得到干扰力变量。
优选的，步骤4，根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力，包括：
获取混凝土梁所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积，以及受拉钢筋中心到所述桥梁的中性轴位置的距离，并计算混凝土梁的实际抗力：M＝fsXAs
其中，M表示混凝土梁的抗力；fs表示所述混凝土梁所用钢筋的抗拉强度的设计值；X表示受拉钢筋中心到所述桥梁的中性轴位置的距离。
优选的，分析得到所述桥梁受到的干扰力之后，还包括：检测混凝土梁的健康情况，其步骤包括：
步骤5.1：设置在混凝土梁上的第二声波接收器，用于当有车辆经过过目标混凝土梁时，接收目标混凝土梁上的当前震动声波，得到检测波形图；
步骤5.2：将所述检测波形图与标准波形图进行比较，得到波形差异，并根据当前震动声波在目标混凝土梁上的传导情况，确定异常区域；
步骤5.4：基于所述异常区域，向所述异常区域发射检测超声波，并接收所述检测声波的反射声波，获取反射声波信息；
步骤5.5：根据所述反射声波信息，判断异常区域裂缝深度，若异常区域裂缝深度小于第一阈值，判断所述异常区域为假异常区域；
否则，判断所述异常区域为真异常区域，获取所述真异常区域的位置信息，并发出向检测者发送异常报告；
步骤5.6：剔除所述真异常区域的位置信息中与异常数据库相似的信息，将剩余位置信息存储，获取新的数据库；
步骤5.7：获取新的数据库的数据，判断所述数据中大于第二阈值的数据占比，当所述数据占比大于预设值时，确定所述混凝土梁使用异常，向检测者发送危险警告并提出修复建议报告；
否则，确定所述混凝土梁使用正常，并对大于第二阈值的数据进行定位，作为下一次检测的推荐检测区域。
优选的，在得到所述桥梁当前所受干扰力之后，还包括：判断所述混凝土梁上的当前通行车辆是否超载，其步骤包括：
步骤6.1：建立车辆信息数据库，所述车辆信息数据库用于存储不同种类车辆的最大载重信息；
步骤6.2：获取所述桥梁当前受到的干扰力，通过预处理得到所述桥梁当前受到的压力，并通过安装在桥上的摄像镜头，捕获当前通行车辆的第一特征信息，以及所述当前通行车辆的总数量；
步骤6.3：基于所述车辆信息数据库，获取不同车辆的标准特征信息，通过与所述当前通行车辆的第一特征信息，进行对比，得到所述当前通行车辆的类型信息；
步骤6.4：基于所述通行车辆类型信息，以及所述所述桥梁当前受到的压力，根据历史信息，分别获取不同当前通行车辆的预测载重；
步骤6.5：基于所述当前通行车辆类型信息，获取所述车辆信息数据库中与当前通行车辆对应的车辆的最大载重数据，并与所述预测载重进行比较，判断所述车辆是否超载，若所述通行车辆超载，迅速捕获当前通行车辆的车牌，并将车辆超载通知发送至报警终端，同时对下一辆车辆进行检测。
本发明对应的有益效果为：
1、评价指标客观，不受检测人员主观影响，检测指标与抗拉之间存在严密理论推导关系。
2、在检测应变变量过程中，不必封闭交通，可借助桥梁通行车辆产生的“扰动”效应即可进行检测，检测工作可“随时随地”进行，极为方便和快捷，检测成本低，容易大范围内推广。
3、钢筋混凝土或预应力混凝土在不同的受力节段应力沿截面高度的分布特征也有所不同(例如，在结构处于较好的弹性工作状态时，截面应力沿高度分布应基本接近平截面假设分布，但当结构处于超负荷状体，结构将会进入弹塑性节段，应力分布将会越来越背离平截面假设分布)，可以根据实测应力沿截面分布特征来判断结构受力阶段，从而评估结构技术状态。
4、相同截面可进行检测数据的长期性对比，通过检测不同时期桥梁截面应力分布的变化，反映桥梁的抗力退变趋势。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法的流程图；
图2为本发明实施例中梁未开裂时，应力变量平衡法检测评定矩形截面简支梁侧面图；
图3为本发明实施例中梁未开裂时，应力变量平衡法检测评定矩形截面简支梁横断面图；
图4为本发明实施例中梁未开裂时，应力变量平衡法检测评定矩形截面实测应变变量曲线；
图5为本发明实施例中梁开裂时，应力变量平衡法检测评定矩形截面简支梁侧面图；
图6为本发明实施例中梁开裂时，应力变量平衡法检测评定矩形截面简支梁横断面图；
图7为本发明实施例中梁开裂时，应力变量平衡法检测评定矩形截面实测应变变量曲线；
图中：A、受压区；B、受拉区；C、开裂区；a、梁上边缘；b、中性轴；c、受拉钢筋位置；d、梁下边缘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例提供了一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，如图1所示，包括：
步骤1：构建应力变量平衡法；
步骤2：检测在活载作用下沿梁截面高度的各测点相同时刻应变变化值，依据沿梁截面高度应变变化值的分布规律确定所述桥梁的中性轴位置；
步骤3：根据构建结果，确定桥梁抗弯截面受拉钢筋的实际有效截面积；
步骤4：根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力。
上述技术方案的有益效果是：通过客观的评价指标，不受检测人员主观影响以及在检测过程中不必封闭交通的前提下，构建应力变量平衡法，来有效确定实际有效截面积，便于获取有效的实际抗力，不仅降低检测成本，还方便检测工作的随时进行。
实施例2：
基于实施例1的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，步骤1，构建应力变量平衡法，包括：
步骤1.1：获取所述桥梁受到的外部干扰力，同时，得到所述外部干扰力对桥梁内部的作用，并根据平衡关系得到各个力之间的关系：Fc拉+Ts＝Fc压
其中，Fc压表示混凝土截面内部受压区承受的压力，Fc拉表示混凝土截面内部受拉区混凝土承受的拉力，Ts表示混凝土截面内部受拉钢筋承受的拉力；
步骤1.2：根据所述平衡关系，以及应力变量平衡得到各个力之间的变量平衡关系：ΔFc拉+ΔTs＝ΔFc压
其中，ΔFc压表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受压区产生的压力变量，ΔFc拉表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量，ΔTs表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受拉钢筋产生的拉力变量。
本实施例中，受压区是指靠近梁上缘的区域；受拉区是指靠近梁下缘的区域。
本实施例中，对一个纯弯混凝土桥梁构件来说，横截面内存在一对力偶：“F拉(拉力)/F压(压力)”，由静力平衡条件可知，F拉与F压大小相等，方向相反，即|F拉|＝|F压|，若不考虑力的方向，即可认为F拉＝F压。当结构受到一个外力变量ΔP时作用时，同理可得到其在截面内产生的力偶变化量也满足ΔF拉＝ΔF压，对于混凝土桥梁来说，F拉由受拉钢筋(或预应力钢绞线)承受拉力Ts及受拉区混凝土承担拉力Fc拉组成，F压仅由受压区混凝土承担Fc压，即：F压＝Fc拉+Ts；F压＝Fc压
带入力偶平衡公式得：Fc拉+Ts＝Fc压
同样对于变量以上等式仍满足，即：ΔFc拉+ΔTs＝ΔFc压
上述技术方案的有益效果是：本发明提出应力变量平衡法的概念，不考虑方向的情况下，根据一对力偶的等量关系，推导出该力偶对的变量也存在相等关系，评价指标客观，不受检测人员主观影响。
实施例3：
基于实施例1的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，步骤2，检测在活载作用下沿梁截面高度的各测点相同时刻应变变化值，还包括：确定应变传感器在沿梁截面的安装位置，其步骤包括：
步骤2.1.1：根据获取的所述桥梁的梁截面结构，对待检测抗力的钢筋混凝土梁进行承重分析，确定主要承重点，并进行标记；
步骤2.1.2接收不同时间段所述桥梁上车辆通过情况，同时获取不同时间段所述桥梁受到的压力，分析并得到车辆通过过程中所述桥梁的受力点变化过程；
步骤2.1.3：基于所述变化过程建立离散模型，通过所述离散模型，确定桥梁受力点变化的规律；
步骤2.1.4：根据所述规律，以及所述主要承重点，确定所述应变传感器在沿梁截面的安装位置。
本实施例中，离散模型是指受力点的变化离散的，具有不确定性，根据每次的变化情况，构建的一个概率分布模型。
本实施例中，规律是桥梁上每一个点作为受力点的概率。
本实施例中，沿梁截面高速布置应变传感器，测量出在扰动力ΔF作用下沿截面高的应变ε1，…εi，…εn，其中，传感器间距为Δdj，j＝0,1,2…，n-1。
上述技术方案的有益效果是：本发明从桥梁的梁截面结构进行分析，并接收不同时间段所述桥梁上车辆通过情况，同时获取不同时间段所述桥梁受到压力，分析并得到车辆通过过程中所述桥梁的受力点变化过程，获取桥梁受力点变化的规律，从而确定应变传感器的放置间距，充分结合桥梁的自身结构特点以及车辆通行的随机性，客观的得到应变传感器的最佳放置距离。
实施例4：
基于实施例1的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，步骤2，依据沿梁截面高度应变变化值的分布规律确定所述桥梁的中性轴位置，其步骤包括：
步骤2.2.1：将应变传感器进行编号，并测量出在扰动力变量的作用下沿截面高的应变，构建应变集合；
步骤2.2.2：建立坐标系，将所述应变集合中的各个元素在所述坐标系中进行标记；
步骤2.2.3：在桥面活载扰动力作用下测试全部应变传感器的应变变量，如某个传感器应变变量始终为零(或近似为零)，则该传感器所在位置即为梁截面中性轴位置。
步骤2.2.4：接收端接收梁中性轴的位置信息，并向用户端发送所述位置信息，显示所述应变传感器的编号；
步骤2.2.5：获取下一编号应变传感器的位置信息，测量梁中性轴处应变传感器与所述下一编号应变传感器之间的距离。
本实施例中，通过应变传感器检测得到应变ε1，…εi，…εn,如测得i＝x,即εx＝0则εx所在位置为梁中性轴的位置，可测得其所在位置与钢筋中心之间的距离X,εs为钢筋位置应变传感器的读数(钢筋的位置可由钢筋定位仪测定)。
上述技术方案的有益效果是：本发明通过将应变传感器进行编号，并测量出在扰动力变量的作用下沿截面高的应变，构建应变集合，建立坐标系，将所述应变集合中的各个元素在所述坐标系中进行标记，判断是否有元素落到了坐标轴上，快速高效的寻找应变为零的点，从而得到桥梁的中性轴位置。
实施例5：
基于实施例1的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，如图2-图7所示，步骤3，确定桥梁抗弯截面受拉钢筋的实际有效截面积，还包括：
步骤3.1：获取各个应变传感器的同步应变变量，根据混凝土的材料弹性关系，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量；
其中，所述“同步应变变量”为所有应变传感器应变变量的变化起始点时刻和变化终止点时刻均相同；
步骤3.1.1：当受拉区混凝土未出现开裂时，所述受拉区混凝土全部参与抗拉作用，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量：
Figure BDA0003148237330000141
Figure BDA0003148237330000142
其中，x表示在所述桥梁截面的中性轴位置的应变传感器的编号；i表示任意位置应变传感器的编号；εi表示第i个应变传感器的同步应变变量；εi+1表示编号第i+1个应变传感器的同步应变变量,应变传感器εi+1与εi相邻且位于εi的上方；n表示应变传感器的总个数；Ec表示混凝土材料弹性模量，Δdi表示第i个应变传感器与第i+1个应变传感器之间的间距；b表示梁截面宽度；
步骤3.1.2：当受拉区混凝土出现开裂时，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量：
Figure BDA0003148237330000143
Figure BDA0003148237330000144
其中，εk表示裂缝上端第一个应变传感器的同步应变变量；
步骤3.2：根据变量平衡，以及混凝土截面内部受拉钢筋产生的拉力变量ΔTs与所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积的关系确定所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积：
ΔTs＝εsEsAs
Figure BDA0003148237330000145
其中，εs表示所述桥梁受拉钢筋位置应变传感器的同步应变变量；Es表示所述桥梁上钢筋的弹性模量；As表示所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积。
本实施例中，实际有效截面积是指桥梁受拉钢筋与桥梁的实际接触面积。
上述技术方案的有益效果是：本发明利用应力变量平衡法的概念，并取各个应变传感器的读数，以及受拉钢筋中心到梁中性轴的距，并根据应变读数以及材料弹性关系得到混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量，推算出混凝土桥梁抗弯截面受拉钢筋实际有效截面积，进而推算出截面的实际抗力，评价指标客观，不受检测人员主观影响。
实施例6：
基于实施例1的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，步骤4，根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力过程中，还包括：根据车辆通行产生的路面震动，分析得到所述桥梁受到的干扰力，其步骤包括：
步骤4.1：获取所述桥梁路面震动情况与所受干扰力大小的标准对照表，并将震动情况进行分类处理，得到震动分类表；
步骤4.2：利用第一声波接收器，接收有车辆通过时所述桥梁的各个方向的目标声波；
步骤4.3：将所述目标声波与标准震动声波进行预处理，得到声波对比图，并基于所述声波对比图，剔除所述目标声波中的噪音，得到干扰声波；
步骤4.4：基于所述干扰声波建立干扰声波矩阵，并获取所述干扰声波矩阵的特征；
其中，所述特征是指所述干扰声波矩阵中各个干扰声波的共同特点；
步骤4.5：根据所述特征以及所述震动分类表，判断所述桥梁的当前震动所处类别，同时，将所述震动所处类别与标准对照表进行对比，得到所述桥梁当前所受干扰力；
步骤4.6：基于步骤4.1-4.5，测量下一时刻所述桥梁所受的干扰力，或获取上一时刻所述桥梁所受的干扰力，来与当前时刻的干扰力进行处理，得到干扰力变量。
本实施例中，标准对照表是指桥梁产生的震动情况与受到的干扰力之间的关系映射。
本实施例中，分类处理是指根据桥梁震动程度将产生的震动进行分类，例如轻微震动、强烈震动等。
本实施例中，第一声波接收器用于接收由于车辆通过桥梁导致的桥梁震动产生的声波。
本实施例中，目标声波是指由于车辆通过桥梁导致的桥梁震动产生的声波。
本实施例中，关键点是指目标声波波峰或波谷等可以代表声波特性的点。
本实施例中，噪音是指与造成桥梁震动无关声波，例如，桥上行人说话的声音。
本实施例中，干扰声波矩阵是用于存放当前测量的各个方向的声波数据的；干扰声波矩阵的特征干扰声波矩阵中各个干扰声波的共同特点。
本实施例中，干扰力变量是指当前干扰力于上一时刻或下一时刻干扰力之间的差值。
上述技术方案的有益效果是：本发明通过测量车辆同行时造成的桥梁震动情况，并通过震动情况于干扰力之间的关系得到桥梁当前干扰力，并通过测量下一时刻的干扰力或是根据上一时刻干扰力，得到当前时刻的干扰变量，本发明，可以在不影响交通的情况下桥梁受到的干扰力进行检测。
实施例7：
基于实施例6的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，步骤4，根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力，包括：
获取混凝土梁所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积，以及受拉钢筋中心到所述桥梁的中性轴位置的距离，并计算混凝土梁的实际抗力：M＝fsXAs
其中，M表示混凝土梁的抗力；fs表示所述混凝土梁所用钢筋的抗拉强度的设计值；X表示受拉钢筋中心到所述桥梁的中性轴位置的距离。
本实施例中，当受拉区无异常情况时，所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积为：
Figure BDA0003148237330000171
计算混凝土梁的实际抗力：
Figure BDA0003148237330000172
当受拉区出现开裂时，所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积为：
Figure BDA0003148237330000173
计算混凝土梁的实际抗力：
Figure BDA0003148237330000174
上述技术方案的有益效果是：本发明根据“应力变量平衡法”的概念，通过该方法来推算混凝土桥梁抗弯截面受拉钢筋实际有效截面积，进而推算出截面的实际抗力，评价指标客观，不受检测人员主观影响，检测指标与抗拉之间存在严密理论推导关系，在检测应变变量过程中，不必封闭交通，可借助桥梁通行车辆产生的扰动效应即可进行检测，检测工作可随时随地进行，极为方便和快捷。
实施例8：
基于实施例6的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，分析得到所述桥梁受到的干扰力之后，还包括：检测混凝土梁的健康情况，其步骤包括：
步骤4.1：设置在混凝土梁上的第二声波接收器，用于当有车辆经过过目标混凝土梁时，接收目标混凝土梁上的当前震动声波，得到检测波形图；
步骤5.2：将所述检测波形图与标准波形图进行比较，得到波形差异，并根据当前震动声波在目标混凝土梁上的传导情况，确定异常区域；
步骤5.4：基于所述异常区域，向所述异常区域发射检测超声波，并接收所述检测声波的反射声波，获取反射声波信息；
步骤5.5：根据所述反射声波信息，判断异常区域裂缝深度，若异常区域裂缝深度小于第一阈值，判断所述异常区域为假异常区域；
否则，判断所述异常区域为真异常区域，获取所述真异常区域的位置信息，并发出向检测者发送异常报告；
步骤5.6：剔除所述真异常区域的位置信息中与异常数据库相似的信息，将剩余位置信息存储，获取新的数据库；
步骤5.7：获取新的数据库的数据，判断所述数据中大于第二阈值的数据占比，当所述数据占比大于预设值时，确定所述混凝土梁使用异常，向检测者发送危险警告并提出修复建议报告；
否则，确定所述混凝土梁使用正常，并对大于第二阈值的数据进行定位，作为下一次检测的推荐检测区域。
本实施例中，第二声波接收器不同于第一声波接收器是用于接收接收当有车辆通在桥上行驶时的当前震动声波在目标混凝土梁上的传导情况。
本实施例中，波形差异是指检测波形图与标准波形图之间的特征差异，例如波峰、波谷位置的不同。
本实施例中，异常区域是指混凝土梁上出现裂缝的区域。
本实施例中，反射声波是指向异常位置发射检测超声波，发射回来的声波。
本实施例中，假异常区域是指裂缝深度小于第一阈值的区域；
真异常区域是指裂缝深度大于等于第一阈值的区域。
本实施例中，第一阈值是指判断异常区域是真异常区域的裂缝深度的最小值；第二阈值是指判断真异常区域使用异常的最小值。
本实施例中，使用异常是指桥梁出现的真异常区域过多已经存在安隐患。
本实施例中，推荐检测区域是指桥梁上的裂缝深度大于第二阈值的真异常区域。
上述技术方案的有益效果是：本发明通过检测混凝土梁的健康情况对桥梁结构出现的异常区域进行诊断，判断异常区域出现的位置，估计异常程度以及对混凝土梁健康状态进行正确的评价，并检测者发送危险警告并提出修复建议报告，可以对影响桥梁安全运营的异常情况进行提前预警，有效地降低桥梁断裂、桥梁坍塌等灾难性突发事故的可能性。
实施例9：
基于实施例6的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，在得到所述桥梁当前所受干扰力之后，还包括：判断所述混凝土梁上的当前通行车辆是否超载，其步骤包括：
步骤6.1：建立车辆信息数据库，所述车辆信息数据库用于存储不同种类车辆的最大载重信息；
步骤6.2：获取所述桥梁当前受到的干扰力，通过预处理得到所述桥梁当前受到的压力，并通过安装在桥上的摄像镜头，捕获当前通行车辆的第一特征信息，以及所述当前通行车辆的总数量；
步骤6.3：基于所述车辆信息数据库，获取不同车辆的标准特征信息，通过与所述当前通行车辆的第一特征信息，进行对比，得到所述当前通行车辆的类型信息；
步骤6.4：基于所述通行车辆类型信息，以及所述桥梁当前受到的压力，根据历史信息，分别获取不同当前通行车辆的预测载重；
步骤6.5：基于所述当前通行车辆类型信息，获取所述车辆信息数据库中与当前通行车辆对应的车辆的最大载重数据，并与所述预测载重进行比较，判断所述车辆是否超载，若所述通行车辆超载，迅速捕获当前通行车辆的车牌，并将车辆超载通知发送至报警终端，同时对下一辆车辆进行检测。
本实施例中，最大载重信息是指车辆的最大载重量的数值。
本实施例中，第一特征是指当前在桥梁上行驶的车辆可以表明它们车辆类型的信息，例如，汽车长度、宽度、颜色等。
本实施例中，标准特征信息是指可以说明车辆类型的信息，例如，汽车长度、宽度、颜色等，这种信息是有出产商设定的。
本实施例中，历史信息是指车辆数据库中存储的车辆载重记录。
本实施例中，预测载重是根据对应的车辆类型以及历史信息预测的当前载重量。
上述技术方案的有益效果是：本发明通过桥梁承受的干扰力与桥梁承受的压力之间的关系，并通过车辆类型以及历史信息，得到当前通行车辆的预测载重，若超载对超载车辆的车牌进行捕获，并发送至报警终端，在对桥梁抗力进行检测的同时对车辆载重情况进行。
实施例10：
基于实施例8的基础上，所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，步骤5.5：根据所述反射声波信息，判断异常区域裂缝深度，还包括：计算异常区域裂缝深度，包括：
步骤5.5.1：获取用于异常区域检测的超声波的频率、混凝土梁与反射声波接收装置之间的距离、混凝土梁与用于异常区域检测的超声波发射装置的距离，以及反射声波接收装置与用于异常区域检测的超声波发射装置的距离；
步骤5.5.2：根据所述超声波的频率，反射声波接收装置、超声波发射装置以及混凝土梁三者之间的距离，利用公式计算混凝土梁异常区域裂缝深度：
Figure BDA0003148237330000201
其中，h表示混凝土梁异常区域裂缝深度；f0表示于异常区域检测的超声波的频率；d表示混凝土梁截面宽度；f表示混凝土梁异常区域反射声波频谱图中最高峰所处的频率；c表示混凝土梁结构的几何参数；l1表示混凝土梁与反射声波接收装置之间的距离；l2表示混凝土梁与用于异常区域检测的超声波发射装置的距离；l表示反射声波接收装置与用于异常区域检测的超声波发射装置的距离；
步骤5.5.3：当所述混凝土梁异常区域裂缝深度h，大于等于第一阈值，所述异常区域为真异常区域；
当所述混凝土梁异常区域裂缝深度h，小于第一阈值，所述异常区域为假异常区域。
上述技术方案的有益效果是：本发明根据所述超声波的频率，反射声波接收装置、超声波发射装置以及混凝土梁三者之间的距离，利用公式计算混凝土梁异常区域裂缝深度，并基于得混凝土梁异常区域裂缝深度，再次判断混凝土梁的损伤程度是否达到真的异常程度，更加精准的判断异常区域，避免了第一次判断时由于噪音影响造成的误差。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建应力变量平衡法，包括：
步骤1.1：获取桥梁受到的外部干扰力，同时，得到所述外部干扰力对桥梁内部的作用，并根据平衡关系得到各个力之间的关系：Fc拉+Ts＝Fc压
其中，Fc压表示混凝土截面内部受压区承受的压力，Fc拉表示混凝土截面内部受拉区混凝土承受的拉力，Ts表示混凝土截面内部受拉钢筋承受的拉力；
步骤1.2：根据所述平衡关系，以及应力变量平衡得到各个力之间的变量平衡关系：ΔFc拉+ΔTs＝ΔFc压
其中，ΔFc压表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受压区产生的压力变量，ΔFc拉表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量，ΔTs表示在桥面活载作用下混凝土截面内部受拉钢筋产生的拉力变量；
步骤2：检测在活载作用下沿梁截面高度的各测点相同时刻应变变化值，依据沿梁截面高度应变变化值的分布规律确定桥梁的中性轴位置；
步骤3：确定桥梁抗弯截面受拉钢筋的实际有效截面积；
步骤4：根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力。
2.根据权利要求1所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于：步骤2，检测在活载作用下沿梁截面高度的各测点相同时刻应变变化值，还包括：确定应变传感器在沿梁截面的安装位置，其步骤包括：
步骤2.1.1：根据获取的所述桥梁的梁截面结构，对待检测抗力的钢筋混凝土梁进行承重分析，确定主要承重点，并进行标记；
步骤2.1.2接收不同时间段所述桥梁上车辆通过情况，同时获取不同时间段所述桥梁受到的压力，分析并得到车辆通过过程中所述桥梁的受力点变化过程；
步骤2.1.3：基于所述变化过程建立离散模型，通过所述离散模型，确定桥梁受力点变化的规律；
步骤2.1.4：根据所述规律，以及所述主要承重点，确定所述应变传感器在沿梁截面的安装位置。
3.根据权利要求1所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于：步骤2，依据沿梁截面高度应变变化值的分布规律确定所述桥梁的中性轴位置，其步骤包括：
步骤2.2.1：将应变传感器进行编号，并测量出在扰动力变量的作用下沿截面高的应变，构建应变集合；
步骤2.2.2：建立坐标系，将所述应变集合中的各个元素在所述坐标系中进行标记；
步骤2.2.3：在桥面活载扰动力作用下测试全部应变传感器的应变变量，如某个传感器应变变量始终为零(或近似为零)，则该传感器所在位置即为梁截面中性轴位置；
步骤2.2.4：接收端接收梁中性轴的位置信息，并向用户端发送所述位置信息，显示所述应变传感器的编号；
步骤2.2.5：获取下一编号应变传感器的位置信息，测量梁中性轴处应变传感器与所述下一编号应变传感器之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于：步骤3，确定桥梁抗弯截面受拉钢筋的实际有效截面积，还包括：
步骤3.1：获取各个应变传感器的同步应变变量，根据混凝土的材料弹性关系，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量；
其中，所述同步应变变量为所有应变传感器应变变量的变化起始点时刻和变化终止点时刻均相同；
步骤3.1.1：当受拉区混凝土未出现开裂时，所述受拉区混凝土全部参与抗拉作用，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量：
Figure FDA0003430994440000031
Figure FDA0003430994440000032
其中，x表示在所述桥梁截面的中性轴位置的应变传感器的编号；i表示任意位置应变传感器的编号；εi表示第i个应变传感器的同步应变变量；εi+1表示编号第i+1个应变传感器的同步应变变量,应变传感器εi+1与εi相邻且位于εi的上方；n表示应变传感器的总个数；Ec表示混凝土材料弹性模量，Δdi表示第i个应变传感器与第i+1个应变传感器之间的间距；b表示梁截面宽度；
步骤3.1.2：当受拉区混凝土出现开裂时，计算混凝土截面内部受压区产生的压力变量和混凝土截面内部受拉区混凝土产生的拉力变量：
Figure FDA0003430994440000033
Figure FDA0003430994440000034
其中，εk表示裂缝上端第一个应变传感器的同步应变变量；
步骤3.2：根据变量平衡，以及混凝土截面内部受拉钢筋产生的拉力变量ΔTs与所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积的关系确定所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积：
ΔTs＝εsEsAs
Figure FDA0003430994440000035
其中，εs表示所述桥梁受拉钢筋位置应变传感器的同步应变变量；Es表示所述桥梁上钢筋的弹性模量；As表示所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积。
5.根据权利要求1所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于：步骤4，根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力过程中，还包括：根据车辆通行产生的路面震动，分析得到所述桥梁受到的干扰力，其步骤包括：
步骤4.1：获取所述桥梁路面震动情况与所受干扰力大小的标准对照表，并将震动情况进行分类处理，得到震动分类表；
步骤4.2：利用第一声波接收器，接收有车辆通过时所述桥梁的各个方向的目标声波；
步骤4.3：将所述目标声波与标准震动声波进行预处理，得到声波对比图，并基于所述声波对比图，剔除所述目标声波中的噪音，得到干扰声波；
步骤4.4：基于所述干扰声波建立干扰声波矩阵，并获取所述干扰声波矩阵的特征；
其中，所述特征是指所述干扰声波矩阵中各个干扰声波的共同特点；
步骤4.5：根据所述特征以及所述震动分类表，判断所述桥梁的当前震动所处类别，同时，将所述震动所处类别与标准对照表进行对比，得到所述桥梁当前所受干扰力；
步骤4.6：基于步骤4.1-4.5，测量下一时刻所述桥梁所受的干扰力，或获取上一时刻所述桥梁所受的干扰力，来与当前时刻的干扰力进行处理，得到干扰力变量。
6.根据权利要求1所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于：步骤4，根据所述实际有效截面面积，确定对应的实际抗力，包括：
获取混凝土梁所述桥梁受拉钢筋的实际有效截面积，以及受拉钢筋中心到所述桥梁的中性轴位置的距离，并计算混凝土梁的实际抗力：M＝fsXAs
其中，M表示混凝土梁的抗力；fs表示所述混凝土梁所用钢筋的抗拉强度的设计值；X表示受拉钢筋中心到所述桥梁的中性轴位置的距离。
7.根据权利要求6所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于：分析得到所述桥梁受到的干扰力之后，还包括：检测混凝土梁的健康情况，其步骤包括：
步骤5.1：设置在混凝土梁上的第二声波接收器，用于当有车辆经过过目标混凝土梁时，接收目标混凝土梁上的当前震动声波，得到检测波形图；
步骤5.2：将所述检测波形图与标准波形图进行比较，得到波形差异，并根据当前震动声波在目标混凝土梁上的传导情况，确定异常区域；
步骤5.4：基于所述异常区域，向所述异常区域发射检测超声波，并接收所述检测超声波的反射声波，获取反射声波信息；
步骤5.5：根据所述反射声波信息，判断异常区域裂缝深度，若异常区域裂缝深度小于第一阈值，判断所述异常区域为假异常区域；
否则，判断所述异常区域为真异常区域，获取所述真异常区域的位置信息，并发出向检测者发送异常报告；
步骤5.6：剔除所述真异常区域的位置信息中与异常数据库相似的信息，将剩余位置信息存储，获取新的数据库；
步骤5.7：获取新的数据库的数据，判断所述数据中大于第二阈值的数据占比，当所述数据占比大于预设值时，确定所述混凝土梁使用异常，向检测者发送危险警告并提出修复建议报告；
否则，确定所述混凝土梁使用正常，并对大于第二阈值的数据进行定位，作为下一次检测的推荐检测区域。
8.根据权利要求6所述的一种检测钢筋混凝土或预应力混凝土梁抗力的方法，其特征在于：在得到所述桥梁当前所受干扰力之后，还包括：判断所述混凝土梁上的当前通行车辆是否超载，其步骤包括：
步骤6.1：建立车辆信息数据库，所述车辆信息数据库用于存储不同种类车辆的最大载重信息；
步骤6.2：获取所述桥梁当前受到的干扰力，通过预处理得到所述桥梁当前受到的压力，并通过安装在桥上的摄像镜头，捕获当前通行车辆的第一特征信息，以及所述当前通行车辆的总数量；
步骤6.3：基于所述车辆信息数据库，获取不同车辆的标准特征信息，通过与所述当前通行车辆的第一特征信息，进行对比，得到所述当前通行车辆的类型信息；
步骤6.4：基于所述通行车辆类型信息，以及所述桥梁当前受到的压力，根据历史信息，分别获取不同当前通行车辆的预测载重；
步骤6.5：基于所述当前通行车辆类型信息，获取所述车辆信息数据库中与当前通行车辆对应的车辆的最大载重数据，并与所述预测载重进行比较，判断所述车辆是否超载，若所述通行车辆超载，迅速捕获当前通行车辆的车牌，并将车辆超载通知发送至报警终端，同时对下一辆车辆进行检测。
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