CN113656955A - 一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法 - Google Patents
一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113656955A CN113656955A CN202110912074.2A CN202110912074A CN113656955A CN 113656955 A CN113656955 A CN 113656955A CN 202110912074 A CN202110912074 A CN 202110912074A CN 113656955 A CN113656955 A CN 113656955A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pier
- time
- concrete
- bearing capacity
- section
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Bridges Or Land Bridges (AREA)
Abstract
本发明公开了一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法,具体步骤包括:确定桥墩几何尺寸、力学性能参数,依据桥址处腐蚀环境,确定钢筋腐蚀起始时间及腐蚀模型;建立不同服役年限的墩身混凝土和钢筋的时变应力‑应变关系模型;对桥墩截面进行纤维单元划分,基于平截面假定,设定不同加载角度和受压区高度,获得极限状态下截面应变分布情况,基于内力平衡条件,计算不同角度对应的轴力N、双向弯矩在X向分量Mnx和双向弯矩在Y向分量Mny相关关系点;针对不同离散时间点对桥墩进行分析,得到Mnx‑Mny‑N三维相关曲线图,基于Bresler函数对该曲线图进行最小二乘拟合,获取时变Bresler指数,建立桥墩截面承载力Bresler方程,进行腐蚀桥墩双向压弯承载力劣化程度评估。
Description
技术领域
本发明涉及近海桥梁墩柱全寿命抗震能力评估方法,具体涉及一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法。
背景技术
近海桥梁扼沿海地区交通基础设施之咽喉,在优化交通布局和促进区域经济一体化发展方面起着关键作用。对于位处地震多发区的我国,近海桥梁因受高盐度腐蚀环境影响,其抗震性能持续劣化。桥墩作为近海桥梁中的关键承载构件,其抗震性能退化将威胁桥梁结构服役安全。
压弯承载力是与桥墩抗震性能相关的重要指标之一。为此,国内外学者考虑地震荷载单方向作用于腐蚀桥墩,并对其压弯承载力退化问题开展了大量研究,但难以反映真实的多维地震作用下腐蚀损伤桥墩的双向压弯承载性能,并将高估桥墩乃至桥梁结构的安全裕度。
Bresler提出的荷载迹方法是用于墩柱双向压弯承载力计算的常用方法之一。该方法的关键在于确定Bresler方程,其与轴压比、混凝土强度、配筋率、几何尺寸等参数有关。对于腐蚀墩柱而言,Bresler方程因截面几何尺寸和材料力学性能的改变呈现时变特性,现有研究未对此进行考虑。因此,有必要发展时变Bresler方程建立方法,进而提出一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度量化评估方法。
发明内容
针对上述存在的技术不足,本发明的目的是提供一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法,其可以准确评估近海桥墩在腐蚀和多维地震作用下的结构安全性。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法,具体包括以下步骤:
S1、确定桥墩几何尺寸、力学性能参数,依据桥址处腐蚀环境,确定钢筋腐蚀起始时间及腐蚀模型;
S2、建立不同服役年限的墩身混凝土和钢筋的时变应力-应变关系模型;
S3、对桥墩截面进行纤维单元划分,基于平截面假定,设定不同加载角度和受压区高度,获得极限状态下所计算桥墩截面应变分布情况;基于内力平衡条件,计算不同角度对应的轴力N、双向弯矩在X向分量Mnx和双向弯矩在Y向分量Mny相关关系点;
S4、针对不同离散时间点对桥墩进行分析,得到Mnx-Mny-N三维相关曲线图,基于Bresler函数对曲线图进行最小二乘拟合,获取时变Bresler指数,得到桥墩截面Bresler方程,进行腐蚀桥墩双向压弯承载力劣化程度评估。
优选地,步骤S1的具体方法为:
1)选定近海桥墩原型,确定墩高、截面尺寸、配筋情况、钢筋和混凝土力学性能;
2)根据桥墩所处海洋环境特点,依据已有资料,确定桥墩表面氯离子分布,基于钢筋表面临界氯离子浓度值Ccr,计算钢筋氯离子腐蚀开始时间,具体通过以下公式获得:
C(xbar,ybar,tini)=Ccr (1)
式中,xbar为钢筋所处位置横坐标,ybar为钢筋所处位置纵坐标,tini为腐蚀开始时间;
3)计算混凝土开裂时间,建立考虑保护层开裂的钢筋时变腐蚀速率的模型,具体为:
式中,tcr为混凝土开裂时间,t为桥墩服役时间,λ0(t)为混凝土开裂前的钢筋时变腐蚀速率,λ1(t)为混凝土开裂后的钢筋时变腐蚀速率。
优选地,步骤S2的具体方法为:
1)建立不同服役年限下劣化混凝土的强度,具体为:
式中,fc0为未腐蚀桥墩的混凝土抗压强度,t为桥墩服役时间,fc(t)为服役t年桥墩的混凝土强度,K为与钢筋直径和粗糙度相关的系数,ε1(t)为开裂混凝土平均拉应变,εc0为混凝土峰值应变;
2)考虑钢筋腐蚀后的截面面积和屈服强度折减,建立不同服役年限下腐蚀钢筋的应力-应变关系劣化模型。
优选地,步骤S3的具体方法为:对桥墩截面进行纤维单元划分,设定从0到360度,以10度为间隔的加载角度,设定不同的混凝土受压区高度,当最外层混凝土纤维压应变达到0.003时,基于平截面假定,确定截面各纤维应变分布,基于内力平衡法,计算不同角度下的轴力和弯矩相互关系点。
优选地,步骤S4的具体方法为:
将步骤S3中得到的轴力-弯矩相关关系曲线进行多项式拟合,将桥墩服役年限依次从0增加到100年,间隔为10年,得到Bresler指数并对其进行拟合,得到桥墩截面Bresler方程,进行腐蚀桥墩双向压弯承载力劣化程度评估,具体为;
式中,t为桥墩服役时间,α(t)为时变Bresler指数,Mnx(t)为双向弯矩在X方向分量,Mny(t)为双向弯矩在Y方向分量,Mx0(t)为仅在X方向单向加载时抗弯承载力,My0(t)为Y方向单向加载时抗弯承载力。
本发明的有益效果在于:
1、本发明分析了腐蚀作用对墩柱双向屈服曲面的影响规律,发展不同腐蚀形态下墩柱的Bresler指数计算方法,并建立了该Bresler指数与轴压比、腐蚀程度的关系,弥补了之前研究中Bresler指数经验公式仅适用于未腐蚀损伤墩柱的缺陷。
2、本发明建立了桥墩腐蚀程度和服役年限的相互关系,提出了桥墩的时变双向压弯承载力计算表达式,结合桥墩所处腐蚀环境参数的不确定性,以及地震作用的随机性,可进行桥墩全寿命抗震可靠度计算,为近海桥墩的全寿命抗震设计及评估提供科学依据。
3、本发明提出的双向承载力评估方法,适用范围广;在桥梁类型方面,不仅适用于近似均匀腐蚀的内陆桥墩,还适用于复杂海蚀环境下的分区非均匀腐蚀桥墩;在截面形式方面,对空心截面、实心截面和其他异型截面桥墩都适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法流程图;
图2为本发明实施例中所用近海桥墩几何尺寸及配筋图;
图3为本发明实施例中两阶段氯离子腐蚀速率模型图;
图4为本发明实施例中的近海桥墩截面纤维单元划分图;
图5为本发明实施例中所用近海桥墩在不同服役时刻的Mnx-Mny-N关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1至图5所示,一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法,具体包括以下步骤:
步骤S1、确定桥墩几何尺寸、力学性能参数,依据桥址处腐蚀环境,确定钢筋腐蚀起始时间及两阶段时变腐蚀模型,具体为:
1)参照图2,确定桥墩墩高及截面几何尺寸,截面尺寸、配筋情况、钢筋和混凝土力学性能;假定墩高为6.6m,截面几何尺寸为1060mm×760mm,纵筋直径为35.8mm,箍筋直径和间距分别为16mm和300mm,钢筋屈服强度为465MPa,混凝土抗压强度为29.03MPa,混凝土保护层厚度为50mm。桥墩服役年限为100年。
2)依据已有资料,确定桥墩表面氯离子浓度为7.35kg/m3,临界氯离子浓度值Ccr=0.9kg/m3,氯离子扩散系数Dr=7.94×10-12m2/s,采用公式(1)计算得到纵筋的氯离子腐蚀开始时间tini为5年。
C(xbar,ybar,tini)=Ccr (1)
式中,xbar为钢筋所处位置横坐标,ybar为钢筋所处位置纵坐标;
3)建立可考虑保护层开裂影响的两阶段钢筋时变腐蚀速率的模型,具体为公式(2)。
式中,λ0(t)为混凝土开裂前的钢筋腐蚀速率,λ1(t)为混凝土开裂后的钢筋腐蚀速率,采用公式(2)计算所得桥墩的钢筋时变腐蚀速率模型见参照图3。
步骤S2、建立不同服役年限的墩身混凝土和钢筋的时变应力-应变关系模型,具体为:
1)建立不同服役年限下劣化混凝土的强度,具体为:
式中,fc0为未腐蚀桥墩的混凝土抗压强度,fc(t)为服役t年桥墩的混凝土强度,K为与钢筋直径和粗糙度相关的系数,ε1(t)为开裂混凝土平均拉应变,εc0为混凝土峰值应变;由公式(3)计算可得,桥墩在服役年限未达到19年时,混凝土保护层发生剥落现象,强度降低为零。
2)基于步骤S1中建立的两阶段钢筋腐蚀速率模型,考虑钢筋腐蚀后的截面面积和屈服强度折减,建立不同服役年限下腐蚀钢筋的应力-应变关系劣化模型,其中,钢筋的屈服强度的劣化采用公式(4)计算:
fy(t)=[1-0.005·Qcorr(t)]·fy0 (4)
式中,t为桥墩服役时间,fy(t)为服役t年时腐蚀钢筋的屈服强度,fy(t)为未腐蚀钢筋的屈服强度,Qcorr(t)为腐蚀钢筋的质量损失率;由公式(4)计算得到桥墩在服役100年时的钢筋屈服强度降低为287MPa。
步骤S3、对桥墩截面进行纤维单元划分,基于平截面假定,设定不同加载角度和受压区高度,获得极限状态下截面应变分布情况,基于内力平衡条件,计算不同角度对应的轴力和弯矩相互关系点,具体为:
对桥墩截面进行纤维单元划分,纤维单元宽度为20mm,见参照图4;将中性轴与弱轴夹角从0到360度以10度为间隔进行划分,得到多个选定加载角度。将截面受压区高度从-0.45h到0.4h,以0.02h为间隔进行划分,得到若干选定受压区高度。对于任意选定角度和受压区高度,假设最外层混凝土纤维压应变达到0.003,基于平截面假定,确定截面各纤维应变及应力分布形式,基于内力平衡法,获得Mnx-Mny-N相互关系点,进而得到所有角度和受压区高度对应的轴力弯矩关系曲线。
步骤S4、针对不同离散时间点对桥墩进行分析,得到Mnx-Mny-N三维相关曲线图,基于Bresler函数对曲线图进行最小二乘拟合,获取时变Bresler指数,得到桥墩截面Bresler方程,进行腐蚀桥墩双向压弯承载力劣化程度评估,具体为:
将桥墩服役年限依次从0到100年以10年为间隔进行划分,得到若干时间点;采用步骤S3方法计算不同时间点对应的桥墩Mnx-Mny-N关系曲线。以t=30和80年为例,Mnx-Mny-N关系曲线计算结果如参照图5所示。将以10年为间隔的所有关系曲线用双向压弯承载力公式(4)进行拟合
式中,t为桥墩服役时间,α(t)为时变Bresler指数,Mnx(t)为双向弯矩在X方向分量,Mny(t)为双向加载时抗弯承载力在Y方向的分量,Mx0(t)为双向弯矩在Y方向分量,My0(t)为Y方向单向加载时抗弯承载力。Bresler指数与服役时刻t和桥墩轴压比v皆相关,其拟合表达式如下:
式中,tser为桥墩的设计服役年限,取值为100年。最终,采用公式(5)和公式(6)便可以进行任意服役时间t下腐蚀桥墩双向压弯承载力劣化程度的量化评估。
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 (5)
1.一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、确定桥墩几何尺寸、力学性能参数,依据桥址处腐蚀环境,确定钢筋腐蚀起始时间及腐蚀模型;
S2、建立不同服役年限的墩身混凝土和钢筋的时变应力-应变关系模型;
S3、对桥墩截面进行纤维单元划分,基于平截面假定,设定不同加载角度和受压区高度,获得极限状态下所计算桥墩截面应变分布情况;基于内力平衡条件,计算不同角度对应的轴力N、双向弯矩在X向分量Mnx和双向弯矩在Y向分量Mny相关关系点;
S4、针对不同离散时间点对桥墩进行分析,得到Mnx-Mny-N三维相关曲线图,基于Bresler函数对曲线图进行最小二乘拟合,获取时变Bresler指数,得到桥墩截面Bresler方程,进行腐蚀桥墩双向压弯承载力劣化程度评估。
2.如权利要求1所述的一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法,其特征在于,步骤S1的具体方法为:
1)选定近海桥墩原型,确定墩高、截面尺寸、配筋情况、钢筋和混凝土力学性能;
2)根据桥墩所处海洋环境特点,确定桥墩表面氯离子分布,基于钢筋表面临界氯离子浓度值Ccr,计算钢筋氯离子腐蚀开始时间,具体通过以下公式获得:
C(xbar,ybar,tini)=Ccr (1)
式中,xbar为钢筋所处位置横坐标,ybar为钢筋所处位置纵坐标,tini为腐蚀开始时间;
3)计算混凝土开裂时间,建立考虑保护层开裂的钢筋时变腐蚀速率的模型,具体为:
式中,tcr为混凝土开裂时间,t为桥墩服役时间,λ0(t)为混凝土开裂前的钢筋时变腐蚀速率,λ1(t)为混凝土开裂后的钢筋时变腐蚀速率。
4.如权利要求3所述的一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法,其特征在于,步骤S3的具体方法为:对桥墩截面进行纤维单元划分,设定从0到360度,以10度为间隔的加载角度,设定不同的混凝土受压区高度,当最外层混凝土纤维压应变达到0.003时,基于平截面假定,确定截面各纤维应变分布,基于内力平衡法,计算不同角度下的轴力和弯矩相互关系点。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110912074.2A CN113656955B (zh) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110912074.2A CN113656955B (zh) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113656955A true CN113656955A (zh) | 2021-11-16 |
CN113656955B CN113656955B (zh) | 2023-09-26 |
Family
ID=78491062
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110912074.2A Active CN113656955B (zh) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113656955B (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114169052A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-11 | 福建工程学院 | 波浪作用下海蚀拱桥塌落成海蚀柱的判别方法 |
CN116306171A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-06-23 | 合肥工业大学 | 无粘结预应力钢筋混凝土桥墩能力离散度评估方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112033888A (zh) * | 2020-09-09 | 2020-12-04 | 江苏开放大学(江苏城市职业学院) | 动力荷载与氯盐侵蚀耦合的立面分区腐蚀桥墩损伤程度评价方法 |
-
2021
- 2021-08-10 CN CN202110912074.2A patent/CN113656955B/zh active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112033888A (zh) * | 2020-09-09 | 2020-12-04 | 江苏开放大学(江苏城市职业学院) | 动力荷载与氯盐侵蚀耦合的立面分区腐蚀桥墩损伤程度评价方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
郑新亮;谢毅;高爽;: "腐蚀环境对钢筋混凝土桥墩的抗震性能影响分析", 公路工程, no. 06, pages 97 - 100 * |
陈志为;王永辉;: "腐蚀退化的钢筋混凝土桥墩碰撞后的剩余承载力评估", 武汉理工大学学报, no. 07, pages 84 - 89 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114169052A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-11 | 福建工程学院 | 波浪作用下海蚀拱桥塌落成海蚀柱的判别方法 |
CN116306171A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-06-23 | 合肥工业大学 | 无粘结预应力钢筋混凝土桥墩能力离散度评估方法 |
CN116306171B (zh) * | 2023-05-11 | 2023-08-29 | 合肥工业大学 | 无粘结预应力钢筋混凝土桥墩能力离散度评估方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113656955B (zh) | 2023-09-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vu et al. | Stress-strain model for confined concrete with corroded transverse reinforcement | |
CN113656955A (zh) | 一种腐蚀桥墩的双向压弯承载力劣化程度评估方法 | |
Kotsovos | Structural concrete: finite-element analysis for limit-state design | |
Nie et al. | Experimental investigation of mechanical properties of corroded cold-formed steels | |
Guo et al. | Axial behavior of square CFST with local corrosion simulated by artificial notch | |
Patel et al. | Behaviour of axially loaded circular concrete-filled bimetallic stainless-carbon steel tubular short columns | |
Li et al. | Pitting damage characteristics on prestressing steel strands by combined action of fatigue load and chloride corrosion | |
Xiao et al. | Mechanical properties of corroded high performance steel specimens based on 3D scanning | |
Xia et al. | Experimental study on bearing capacity of corroded Q345 H-shaped steel column under axial compression load | |
CN114329709A (zh) | 盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法 | |
He et al. | Life-cycle reliability analysis of shield tunnels in coastal regions: emphasis on flexural performance of deteriorating segmental linings | |
Li et al. | Experimental and theoretical studies on flexural performance of stainless steel reinforced concrete beams | |
Huang et al. | Local corrosion morphology analysis and simplification of low carbon steel plates | |
Val et al. | Reliability assessment of ageing reinforced concrete structures—Current situation and future challenges | |
Li et al. | Experimental and numerical study on axial compression behavior of slender CFST columns with localized pitting corrosion damage | |
Pansuk et al. | Shear mechanism of reinforced concrete T-beams with stirrups | |
Andriono et al. | Seismic design considerations of the properties of New Zealand manufactured steel reinforcing bars | |
Wang et al. | Experimental study on fatigue performance of reinforced concrete beams in corrosive environment with cyclic loads | |
Banjara et al. | Effect of Deficiencies on Fatigue Life of Reinforced Concrete Beams. | |
Nie et al. | Experimental study on static and low cyclic performance of Q460GJC thick plates | |
Wang et al. | Numerical Simulation of Fretting Fatigue Damage Evolution of Cable Wires Considering Corrosion and Wear Effects. | |
Bo-ya | Experimental study on flexural behaviour of graphite tailings concrete beam in chloride environment | |
Xiang et al. | Vertical shear capacity of steel-concrete composite deck slabs with steel ribs | |
Deng et al. | Curvature response of bridge pier subjected to earthquake action in a saline soil environment | |
Matthews et al. | Cyclic shear testing of artificially corroded reinforced concrete short circular piers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |