CN113654504A - 一种基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，包括以下步骤：对预应力混凝土梁桥进行外观检查，确定梁体跨中区段裂缝发生及分布情况，测量裂缝的宽度、高度和间距；根据裂缝宽度计算第一梁体刚度折减系数ξ_w；根据裂缝高度和梁体高度计算最大裂缝高度系数、第二梁体刚度折减系数ξ_h；根据裂缝间距、裂缝总条数和梁体净跨径计算裂缝平均间距系数、第三梁体刚度折减系数ξ_l；根据第一、第二、第三梁体刚度折减系数计算梁体总体刚度折减系数ξ；根据总体刚度折减系数ξ评定预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况等级。本发明可以对在役预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况进行量化评估；帮助检测人员对梁体结构力学性能、技术状况进行分类。

Description

一种基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法

技术领域

本发明涉及桥梁检测与评估技术领域，具体涉及一种基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法。

背景技术

对桥梁技术状况的科学评估一直是国内外关注的热点，现有的评估方法主要是依据规范，通过采集桥梁详细的病害信息进行评估，评估过程较为繁琐、漫长，耗费的人力物力资源较大，而且评估结果属于定性评估，评估结果的可靠性很大程度上依赖于检测技术人员的经验判断，主观性大。

随着提高运维养护要求时代的来临，面对大基数和高难度的桥梁检测任务，新型的智能型检测方式正在兴起，如无人机、长臂机器人、爬壁机器人等，但是该类机器人获取的病害信息主要以图像信息为主，图像信息不能完全满足现行规范的评估要求，在进行评估时存在着规范适用性的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，以解决现有桥检评估技术中存在的人力物力资源耗费大，定性评估主观因素影响大，智能检测中采集图像信息进行评估存在的现有规范难适用等问题。

本发明采用的技术方案是，一种基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，在第一种可实现方式中，包括以下步骤：

对预应力混凝土梁桥进行外观检查，确定梁体跨中区段裂缝发生及分布情况，测量裂缝宽度、裂缝高度和裂缝间距；

根据裂缝宽度计算第一梁体刚度折减系数ξ_w；

根据裂缝高度和梁体高度计算最大裂缝高度系数，再根据最大裂缝高度系数计算第二梁体刚度折减系数ξ_h；

根据裂缝间距、裂缝总条数和梁体净跨径计算裂缝平均间距系数，再根据裂缝平均间距系数计算第三梁体刚度折减系数ξ_l；

根据第一、第二、第三梁体刚度折减系数计算预应力混凝土梁桥的总体刚度折减系数ξ；

根据总体刚度折减系数ξ评定预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况等级。

结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，对预应力混凝土梁桥进行外观检查时，检查预应力梁桥上部承重构件主梁正弯矩区段腹板两侧；检查的区段位于梁体跨中顺桥向前后各L/6，共计约L/3长度区域位置的腹板外侧上，L为桥梁被检段主梁的计算跨径。

结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，测量裂缝的宽度、高度和间距时，裂缝宽度以梁体最大裂缝宽度为准，裂缝高度以裂缝在梁高方向上的投影长度为准，裂缝间距以区段内相邻裂缝之间的平均间距为准。

结合第一种可实现方式，在第四种可实现方式中，第一梁体刚度折减系数ξ_w按以下公式进行计算：

在上式中，w_max表示最大裂缝宽度，ξ_w表示当最大裂缝宽度为w_max时，梁体现阶段的刚度与梁体初始刚度的比值，ξ_w的值域为0～1。

结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，第二梁体刚度折减系数ξ_h按以下公式进行计算：

ξ_h＝0.99822-0.13987β-0.59702β²-0.20648β³

在上式中，β表示最大裂缝高度系数，h_crmax为区段内最大裂缝高度，h为跨中区段梁体高度；

ξ_h表示当最大裂缝高度系数为β时，梁体现阶段的刚度与梁体初始刚度的比值，ξ_h的值域为0～1。

结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，第三梁体刚度折减系数ξ_l按以下公式进行计算：

在上式中，α表示裂缝平均间距系数，l_cr为区段内最外侧裂缝之间的间距，n为区段内裂缝总条数，L为桥梁被检段主梁的计算跨径；

ξ_l表示裂缝平均间距系数为α时，梁体现阶段的抗弯刚度与梁体初始刚度的比值，ξ_l的值域为0～1。

结合第一种可实现方式，在第七种可实现方式中，总体刚度折减系数ξ按以下公式进行计算：

ξ＝0.1698ξ_l+0.3873ξ_h+0.4429ξ_w

在上式中，ξ_w为第一梁体刚度折减系数，ξ_h为第二梁体刚度折减系数，ξ_l为第三梁体刚度折减系数。

结合第一种可实现方式，在第八种可实现方式中，预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况等级分为5级，与总体刚度折减系数ξ的对应关系如下：

总体刚度折减系数ξ为1时，桥梁技术状况等级为1类；

总体刚度折减系数ξ为[0.72，1)时，桥梁技术状况等级为2类；

总体刚度折减系数ξ为[0.57，0.72)时，桥梁技术状况等级为3类；

总体刚度折减系数ξ为[0.49，0.57)时，桥梁技术状况等级为4类；

总体刚度折减系数ξ为(0，0.49)时，桥梁技术状况等级为5类。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

1.选择裂缝这一桥梁重要病害，通过准确测量跨中区段裂缝宽度、高度、间距3项主要特征，形成量化特征参数和评估公式，将实测的裂缝参数换算成总体刚度折减系数，对预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况进行快速评估；能够帮助检测人员采用量化的评估方法对梁体结构力学性能和技术状况进行评估分类，保证了评估结果的客观性和准确性，弥补已有评估方法的不足。

2.还可用于桥梁机器人智能检测通过图像采集识别裂缝病害后的量化评估，对于桥梁的智能化检测实施具有重要的推动作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例的裂缝参数示意图；

图2为本发明实施例的评定方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例

出于科学、高效评估的需要，本实施例从裂缝这一预应力混凝土结构的主要病害着手，对预应力混凝土梁桥进行桥梁技术状况的快速预评估。梁体裂缝主要表现在宽度、高度和间距这上三项特征上。其中，裂缝宽度参数反映梁体变形曲率的大小、梁体损伤大小，缝宽越大梁体损伤越大；裂缝高度参数反映梁体受压区高度、梁体损伤大小，高度越大损伤越大；裂缝间距参数反映裂缝密集程度、梁体损伤程度、配筋量(或锈蚀程度)，对于适筋梁，裂缝数量多、间距小；对于少筋梁(或由于锈蚀导致钢筋损失)，裂缝数量少、间距大、裂缝宽度大。评估梁体一般为适筋梁。在最不利因素的考虑上，以最大裂缝宽度、最大裂缝高度和裂缝间距体现。在尺寸效应的考虑上，将裂缝高度参数和间距参数和同向的梁体尺寸建立联系，转换为最大裂缝高度系数和裂缝平均间距系数。裂缝参数示意图如图1所示，在图1中，1～n为裂缝编号；h为梁体高度；L为桥梁被检段主梁计算跨径；h_cr为裂缝高度，h_crmax为最大裂缝高度；w为裂缝宽度，w_max为最大裂缝宽度。

本实施例提供的基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，主要用于桥梁结构外观检测后的评估过程，如图2所示，包括以下步骤：

S1、对预应力混凝土梁桥进行外观检查，确定梁体跨中区段裂缝发生及分布情况，测量裂缝的宽度、高度和间距

在具体的实施方式中，对预应力混凝土梁桥进行外观检查时，检查预应力混凝土梁桥上部承重构件主梁正弯矩区段腹板两侧，检查的关键区段位于梁体跨中顺桥向前后各L/6(L为桥梁被检段主梁计算跨径)，共计约L/3长度区域位置的腹板外侧上。该区段裂缝表观特征表现为垂直或近似垂直。

测量的裂缝参数包括裂缝宽度、裂缝高度和裂缝间距。在具体的实施方式中，测量时，裂缝宽度以梁体最大裂缝宽度为准，裂缝高度以裂缝在梁高方向上的投影长度为准，裂缝间距以区段内相邻裂缝之间的平均间距为准。

在具体的实施方式中，测量裂缝的方法采用现有技术中可实现的任意一种方式进行。

S2、根据裂缝宽度计算第一梁体刚度折减系数ξ_w

在本实施中，定义最大裂缝宽度w_max为区段内梁底位置的最大裂缝宽度。

第一梁体刚度折减系数ξ_w按下式(1)进行计算：

在上式(1)中，w_max表示最大裂缝宽度，ξ_w表示当最大裂缝宽度为w_max时，梁体现阶段的刚度与梁体初始刚度的比值。ξ_w的值域为0～1，1代表没有裂缝出现，梁体抗弯刚度完好，0代表梁体完全失去抗弯变形能力，梁体抗弯刚度完全丧失。

S3、根据裂缝高度和梁体高度计算最大裂缝高度系数，再根据最大裂缝高度系数计算第二梁体刚度折减系数ξ_h

在本实施例中，定义最大裂缝高度系数为β：

在上式(2)中，h_crmax为区段内最大裂缝高度，h为跨中区段梁体高度。

第二梁体刚度折减系数ξ_h按下式(3)进行计算：

ξ_h＝0.99822-0.13987β-0.59702β²-0.20648β³ (3)

在上式(3)中：ξ_h表示当最大裂缝高度系数为β时，梁体现阶段的刚度与梁体初始刚度的比值。ξ_h的值域为0～1，1代表没有裂缝出现，梁体抗弯刚度完好，0代表梁体完全失去抗弯变形能力，梁体抗弯刚度完全丧失。

S4、根据裂缝间距、裂缝总条数和梁体净跨径计算裂缝平均间距系数，再根据裂缝平均间距系数计算第三梁体刚度折减系数ξ_l

在本实施例中，裂缝平均间距系数α按下式(4)进行计算：

在上式(4)中：l_cr为区段内最外侧裂缝之间的间距，n为区段内裂缝总条数，L为桥梁被检段主梁计算跨径。

第三梁体刚度折减系数ξ_l按下式(5)进行计算：

在上式(5)中：ξ_l表示裂缝平均间距系数为α时，梁体现阶段的抗弯刚度与梁体初始刚度的比值。ξ_l的值域为0～1，1代表没有裂缝出现，梁体抗弯刚度完好，0代表梁体完全失去抗弯变形能力，梁体抗弯刚度完全丧失。

在具体的实施方式中，步骤S2、S3、S4在计算时无先后顺序的区别，可以依次计算，也可以同时分别计算。第一、第二、第三梁体刚度折减系数的计算公式(1)、(3)、(5)的推导过程来自于一定数量的预应力混凝土T型模型梁(比如长度为4米)的实验研究数据。在实验过程中，分多个加载等级进行破坏性实验，期间采集每级荷载下的每条裂缝的发生、宽度、高度和间距数据，以此形成庞大的裂缝参数数据，根据大量的裂缝参数数据采用逻辑回归拟合得到公式(1)、(3)、(5)，并结合实际桥梁检测数据进行了应用验证。

S5、根据第一、第二、第三梁体刚度折减系数计算预应力混凝土梁桥的总体刚度折减系数ξ

在本实施例中，采用总体刚度折减系数ξ来对预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况进行快速预评估。

为结合裂缝的宽度、高度、间距三个参数对梁桥的桥梁技术状况进行综合评定，在本实施中采用层次分析法，以刚度折减系数为目标层A，裂缝参数信息为指标层B，其中裂缝平均间距系数为B1、最大高度系数为B2、最大裂缝宽度为B3，构建的判断矩阵如下表1所示：

表1预应力混凝土梁桥A-B判断矩阵

A	B<sub>1</sub>	B<sub>2</sub>	B<sub>3</sub>	权重
					B<sub>1</sub>	1	1/2	1/3	0.1698
B<sub>2</sub>	2	1	1	0.3873
					B<sub>3</sub>	3	1	1	0.4429

在上表1中，矩阵最大特征值λ_max值为3.02，一致性指标CI为0.0092，一致性检验系数CR为0.0176＜0.10。

对梁桥上部承重结构的评估过程应逐跨逐梁进行，表1中B1、B2、B3所得的权重值与各自对应的刚度折减系数的权重值一致，基于裂缝参数的总体刚度折减系数ξ，按下式(6)进行计算：

ξ＝0.1698ξ_l+0.3873ξ_h+0.4429ξ_w (6)

在上式中，ξ_w为第一梁体刚度折减系数，ξ_h为第二梁体刚度折减系数，ξ_l为第三梁体刚度折减系数。

S6、根据总体刚度折减系数，评定预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况等级

在具体的实施方式中，预应力混凝土梁桥的上部承重构件其技术状况等级分类界限如下表2所示：

表2上部承重构件技术状况等级分类界限表

在具体的实施方式中，表2中的分类界限数值，如同前文中的公式(1)、(3)、(5)一样，也是根据大量的实验数据，采用逻辑回归拟合得到的。

预应力混凝土梁桥的上部承重构件其桥梁技术状况评定等级分为1类、2类、3类、4类、5类，具体对应下表表3：

表3上部承重构件的技术状况评定等级

表3中的技术状况评定等级，是根据实验结果结合现有规范规定得到的。

以下用一对梁桥的实际评定案例进行举例说明：

本实施例的桥梁为：桥梁全长990.53m，跨径总长980m，跨径组合40m+(110m+200m+110m)+3×40m+3×40m+3×40m+4×40m。主桥采用预应力混凝土连续刚构桥，引桥采用预应力混凝土简支T梁(单幅每跨6片T梁，T梁梁高2.5m)，先简支后连续体系。根据该桥定检结果，弯曲段腹板发生竖向裂缝的位置位于左幅第8跨2号梁外侧上面，距8号墩12.0m和13.5m，距梁底0.2m，裂缝长度均为0.5m，宽度均为0.06mm，检测报告对该片梁给出的评定标度为第2标度，对引桥上部承重构件的部件评分为81.14(2类)。

依据本实施例中对裂缝参数的测量要求以及计算方法，最大裂缝高度系数β值为0.2，裂缝平均间距系数α为0.0375，最大裂缝宽度w_max为0.06mm，再得出的各裂缝参数对应的刚度折减系数ξ_h＝0.95，ξ_w＝0.82，ξ_l＝0.68，ξ＝0.85；然后求得总体刚度折减系数ξ＝0.85，将这一值对照本实施例的表2和表3，ξ值介于[0.72，1)之间，得出的评估结果是该梁的技术状况等级为第2类，抗弯性能轻微下降，承载力富余度轻微降低。

通过使用本实施的技术方案，选择裂缝这一桥梁重要病害，通过准确测量裂缝宽度、高度、间距3项主要特征，形成量化特征参数和评估公式，将实测的裂缝参数换算成总体刚度折减系数，对预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况进行快速评估；能够帮助检测人员采用量化的评估方法对梁体结构力学性能进行评估分类，保证了评估结果的客观性和准确性，弥补已有评估方法的不足。

此外，本实施的技术方案还可用于桥梁机器人智能检测通过图像采集识别裂缝病害后的量化评估，对于桥梁的智能化检测实施具有重要的推动作用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，其特征在于，包括以下步骤：

对预应力混凝土梁桥进行外观检查，确定梁体跨中区段裂缝发生及分布情况，测量裂缝宽度、裂缝高度和裂缝间距；

根据裂缝宽度计算第一梁体刚度折减系数ξ_w；

根据裂缝高度和梁体高度计算最大裂缝高度系数，再根据最大裂缝高度系数计算第二梁体刚度折减系数ξ_h；

根据裂缝间距、裂缝总条数和梁体净跨径计算裂缝平均间距系数，再根据裂缝平均间距系数计算第三梁体刚度折减系数ξ_l；

根据所述第一、第二、第三梁体刚度折减系数计算预应力混凝土梁桥的总体刚度折减系数ξ；

根据所述总体刚度折减系数ξ评定预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况等级。

2.根据权利要求1所述的基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，其特征在于，对预应力混凝土梁桥进行外观检查时，检查预应力梁桥上部承重构件主梁正弯矩区段腹板两侧；检查的区段位于梁体跨中顺桥向前后各L/6，共计约L/3长度区域位置的腹板外侧上，所述L为桥梁被检段主梁计算跨径。

3.根据权利要求1所述的基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，其特征在于，测量裂缝的宽度、高度和间距时，裂缝宽度以梁体最大裂缝宽度为准，裂缝高度以裂缝在梁高方向上的投影长度为准，裂缝间距以区段内相邻裂缝之间的平均间距为准。

4.根据权利要求1所述的基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，其特征在于，所述第一梁体刚度折减系数ξ_w按以下公式进行计算：

在上式中，w_max表示最大裂缝宽度，ξ_w表示当最大裂缝宽度为w_max时，梁体现阶段的刚度与梁体初始刚度的比值，ξ_w的值域为0～1。

5.根据权利要求1所述的基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，其特征在于，所述第二梁体刚度折减系数ξ_h按以下公式进行计算：

ξ_h＝0.99822-0.13987β-0.59702β²-0.20648β³

在上式中，β表示最大裂缝高度系数，h_crmax为区段内最大裂缝高度，h为跨中区段梁体高度；

ξ_h表示当最大裂缝高度系数为β时，梁体现阶段的刚度与梁体初始刚度的比值，ξ_h的值域为0～1。

6.根据权利要求1所述的基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，其特征在于，所述第三梁体刚度折减系数ξ_l按以下公式进行计算：

在上式中，α表示裂缝平均间距系数，l_cr为区段内最外侧裂缝之间的间距，n为区段内裂缝总条数，L为桥梁被检段主梁计算跨径；

ξ_l表示裂缝平均间距系数为α时，梁体现阶段的抗弯刚度与梁体初始刚度的比值，ξ_l的值域为0～1。

7.根据权利要求1所述的基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，其特征在于，所述总体刚度折减系数ξ按以下公式进行计算：

ξ＝0.1698ξ_l+0.3873ξ_h+0.4429ξ_w

在上式中，ξ_w为第一梁体刚度折减系数，ξ_h为第二梁体刚度折减系数，ξ_l为第三梁体刚度折减系数。

8.根据权利要求1所述的基于裂缝表观特征的预应力混凝土梁桥评定方法，其特征在于，所述预应力混凝土梁桥的桥梁技术状况等级分为5级，与所述总体刚度折减系数ξ的对应关系如下：

总体刚度折减系数ξ为1时，桥梁技术状况等级为1类；

总体刚度折减系数ξ为[0.72，1)时，桥梁技术状况等级为2类；

总体刚度折减系数ξ为[0.57，0.72)时，桥梁技术状况等级为3类；

总体刚度折减系数ξ为[0.49，0.57)时，桥梁技术状况等级为4类；

总体刚度折减系数ξ为(0，0.49)时，桥梁技术状况等级为5类。

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