一種既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法
【專利摘要】本發(fā)明專利公開了一種既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估計算方法。針對復雜區(qū)域出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂、碳化等病害，確定復雜區(qū)域的荷載及邊界條件，然后建立該復雜區(qū)域的拉桿模型和壓桿模型，根據(jù)檢測結(jié)果，進一步確定拉桿、壓桿及節(jié)點考慮上述病害后的折減系數(shù)，按照拉桿強度控制、壓桿強度控制及節(jié)點強度控制的原則，計算得到最小的承載力值,最后，根據(jù)承載力評估結(jié)果，確定加固傳力模型，不斷調(diào)整加固的拉桿、壓桿及節(jié)點位置，或不斷增加拉桿、壓桿的加固量，直至滿足使用要求。該方法不僅解決了截面法計算混凝土復雜區(qū)域不適用、有限元法計算復雜、配筋困難的問題，還能更加精確的估算舊橋復雜區(qū)域的承載力。
【專利說明】
-種既有混凝±橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種對既有混凝±橋梁復雜區(qū)域進行承載力評估和加固的計算方法， 屬于橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0002] 既有混凝±橋梁由于荷載與不良環(huán)境的共同作用出現(xiàn)不同損傷，主要表現(xiàn)為材料 劣化(鋼筋誘蝕、混凝±碳化、氯化物侵蝕等)和斷面破損(裂縫、表面損傷等)等病害。運些 因素的存在，都將導致結(jié)構(gòu)的承載力降低，而其真實的承載力由于結(jié)構(gòu)還需繼續(xù)使用，往往 不能通過破壞性試驗獲得。
[0003] 2011年，國家交通運輸部發(fā)部了《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程KJTG/T J21- 2011)，在該版的規(guī)程中，它克服了舊橋檢算系數(shù)主要依據(jù)專家經(jīng)驗確定，檢算系數(shù)評定標 準難W把握和檢測結(jié)果無法定量化應(yīng)用等問題，并根據(jù)橋梁檢測結(jié)果，采用引入分項檢算 系數(shù)修正極限狀態(tài)設(shè)計表達式的方法進行承載能力評定，提高了橋梁承載能力評定的客觀 性和可操作性。但該規(guī)程對既有混凝±橋梁復雜區(qū)域的承載力評估未給出相應(yīng)的方法。
[0004] 既有混凝±橋梁復雜區(qū)域由于應(yīng)力素亂，基于平截面假定而建立起來的截面法無 法準確估算該區(qū)域的承載力，也無法確定其加固量。拉桿模型和壓桿模型是解決復雜區(qū)域 的有力工具，它具有傳力簡潔、直觀，計算量小等優(yōu)點，對既有混凝±橋梁復雜區(qū)域的承載 力評估與加固可W采用拉桿模型和壓桿模型的方法?，F(xiàn)有的研究表明，對既有混凝±橋梁 復雜區(qū)域的評估與加固必須考慮既有結(jié)構(gòu)的損傷和材料的劣化，才能正確估算復雜區(qū)域的 承載力評估與加固量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對既有混凝±橋梁復雜區(qū)域承載力評估和加固所遇到的上述問題，本發(fā)明專利 提出了一種既有混凝上橋梁復雜區(qū)域承載力評估與加固的計算方法，解決了截面法計算混 凝±復雜區(qū)域不適用、有限元法計算復雜、配筋困難的問題。
[0006] -種既有混凝±橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法，包括W下步驟：
[0007] S1、確定復雜區(qū)域的荷載及邊界條件；
[000引S2、建立該復雜區(qū)域的拉桿及壓桿模型；
[0009] S3、對復雜區(qū)域進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，確定拉桿、壓桿及節(jié)點有效強度的折減 系數(shù)，并修正已經(jīng)建立的拉桿模型和壓桿模型；
[0010] S4、按照拉桿強度控制、壓桿強度控制及節(jié)點強度控制的原則，計算得到最小的承 載力值，該值就是舊橋的承載力值；
[0011] S5、根據(jù)承載力評估結(jié)果，確定加固傳力模型，不斷調(diào)整加固的拉桿、壓桿及節(jié)點 位置;或不斷增加拉桿、壓桿的加固量，直至滿足使用要求。
[0012] 步驟Sl中，從既有結(jié)構(gòu)中抽象隔離出復雜區(qū)域，所述復雜區(qū)域包括:連續(xù)梁中間支 座、集中力、梁端、預應(yīng)力錯固端、框架轉(zhuǎn)角、牛腿、花瓶墳、斜拉索索塔錯固區(qū)及預應(yīng)力齒 板，然后確定運些復雜區(qū)域的荷載值，并簡化邊界條件。
[OOU] 步驟S2中：
[0014] 對于常見的復雜區(qū)域，如連續(xù)梁中間支座、集中力、梁端、預應(yīng)力錯固端、框架轉(zhuǎn) 角、牛腿、花瓶墳、斜拉索索塔錯固區(qū)及預應(yīng)力齒板，直接建立拉桿模型和壓桿模型；
[0015] 對于異形復雜區(qū)域，先采用有限元分析軟件進行拓撲分析，優(yōu)化目標為拉桿模型 和壓桿模型應(yīng)變能最小、括壓桿位置和主拉、主壓應(yīng)力跡線合力重合;見式（1):
[0016] 式（1)
[0017] 式（1)中，Ni為桿件所受軸力大小，Ii為桿件的長度，Al為桿件的截面面積，E功桿 件的彈性模量大小，n為桿件所受承載力大小。
[0018] 步驟S3中對既有結(jié)構(gòu)進行檢測包括：確定混凝±碳化、鋼筋誘蝕、裂縫開裂的寬 度、長度、深度及方向，然后考慮上述病害的影響，對拉桿、壓桿及節(jié)點的有效強度進行折 減。
[0019] 步驟S3中鋼筋誘蝕引起的拉桿強度折減考慮鋼筋表面出現(xiàn)誘蝕引起局部應(yīng)力集 中，鋼筋的力學性能將會發(fā)生退化，誘蝕鋼筋的屈服強度、抗拉強度和鋼筋誘蝕程度之間的 關(guān)系模型：
[0020] 式 a)
[0021] 式（3).
[0022] 式(2)和式(3)中：fys，fbs分別為按誘蝕后實際面積得出的屈服強度和抗拉強度；
[0023] fyo，打〇分別為誘蝕前的屈服強度和抗拉強度；
[0024] IU為平均截面損失率，既預應(yīng)力筋誘蝕前后質(zhì)量差與誘蝕前質(zhì)量之比；
[0025] 同時考慮鋼筋誘蝕引起其自身截面損失和粘結(jié)性能退化，鋼筋的面積可W表達 為：
[00%] 式（4)
[0027]式(4)中:Ay,S為縱向受拉鋼筋等效截面面積；
[00%] Asi為第i根受拉鋼筋截面面積設(shè)計值；
[0029] ksi為第i根受拉鋼筋協(xié)同工作系數(shù)，主要考慮粘結(jié)性能退化的影響；
[0030] Csi為第i根受拉鋼筋截面面積減少系數(shù)；
[0031] 式（5)
[0032] 式(5)中:ksi為第i根受拉鋼筋協(xié)調(diào)工作系數(shù)，
[0033] O為構(gòu)件誘脹裂縫寬度，
[0034] CO S為鋼筋誘蝕前構(gòu)件裂縫寬度，
[0035] COb為鋼筋誘蝕后構(gòu)件裂縫寬度，
[0036] 峽J鋼筋位置系數(shù)；當ksimin取0.75, Ws取0.25mm，Wb取3.5mm，如勺取值0.046;
[0037] 或（6)
[00；3 引 式（7)
[0039] 式(6)中:屯1為第i根鋼筋平均截面損失率；
[0040] Csi為第i根受拉鋼筋截面面積減少系數(shù)；
[0041] 式(7)中：di為第i根鋼筋的鋼筋直徑；
[0042] Sei(t)為第i根鋼筋的誘蝕深度；
[0043] rui為第i根鋼筋平均截面損失率；
[0044] 對于壓壓壓(CCC)節(jié)點和壓壓拉(CCT)節(jié)點，當需要長期服役的混凝±結(jié)構(gòu)利用拉 桿模型和壓桿模型計算時，壓壓壓(CCC)節(jié)點區(qū)混凝±強度有效系數(shù)Pn取0.8;當需要長期 服役的混凝±結(jié)構(gòu)利用拉桿模型和壓桿模型計算時，其中CCT節(jié)點區(qū)混凝±強度有效系數(shù) 取 0.6;
[0045] 對于瓶形壓桿，當出現(xiàn)鋼筋誘蝕后，壓桿的有效強度系數(shù)?。?br>[0046]
式巧)
[0047] 式(8)中，F(xiàn)ns '為壓桿極限承載力；
[004引f C '為混凝±軸屯、抗壓強度值；
[0049] A。為受壓混凝±截面面積；
[0050] kd為誘蝕鋼筋協(xié)同工作系數(shù)，kd的取值，當實測的鋼筋誘蝕后屈服強度與未誘蝕的 沒有太大影響，取kd = 1.0;當鋼筋發(fā)生誘蝕時，按公式巧)取值；
[0051 ] A ' S為受壓鋼筋截面面積，f S '受壓鋼筋的抗壓強度值；
[0052] ^為考慮鋼筋誘蝕后承載力折減系數(shù)，巧的取值，當配置橫向豎向鋼筋網(wǎng)格時 巧二1-2戶；當配置斜向鋼筋網(wǎng)格時夢= 1-0.5戶，P為鋼筋誘蝕率;0'為壓桿強度有效系數(shù)，根 據(jù)壓桿不同的類型和不同的配筋形式確定取值；
[0053] 對于瓶形壓桿中0'取值，當配置橫向豎向鋼筋網(wǎng)格時，0'=0.8;當配置斜向鋼筋 網(wǎng)格，45° 時，0'=〇.95。
[0054] 步驟S4中，按照應(yīng)力比等于1，分別按照拉桿強度控制、壓桿強度控制及節(jié)點強度 控制計算最大承載力，取最小值作為復雜區(qū)域的最終承載力值;其中對支座節(jié)點強度控制 按照Mo虹-Cou 1 omb理論雙軸強度控制：
[0化5] 戎（9)
[0056] 式(9)中：fi，f2分別為節(jié)點區(qū)域的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力;ft為鋼筋和混凝±共同提 供的抗拉強度;f。'為混凝±圓柱體抗壓強度，代表了混凝±在'2方向上的抗壓強度。
[0057] 步驟S5中分析既有結(jié)構(gòu)的傳力機理，確定合理的加固傳力模型，并不斷調(diào)整加固 拉桿、壓桿及節(jié)點位置，使加固量最小，而承載力最大。
[005引本發(fā)明方法相對于現(xiàn)有方法的有益效果是：
[0059] 本方法不僅解決了截面法計算混凝±復雜區(qū)域不適用、有限元法計算復雜、配筋 困難的問題，而且還考慮了既有混凝±橋梁的材料的劣化的影響，能更加精確的估算舊橋 復雜區(qū)域的承載力。
【附圖說明】
[0060] 圖1是運種既有混凝±橋梁復雜區(qū)域(復雜區(qū)域)的承載力評估與加固計算方法的 流程圖；
[0061 ]圖2是花瓶墳的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0062] 圖3是圖2的側(cè)視圖；
[0063] 圖4是花瓶墳的典型拉桿模型
[0064] 圖5是花瓶墳的典型壓桿模型；
[0065] 圖6花瓶墳的有限元分析圖。
【具體實施方式】
[0066] 某大橋的花瓶墳承受著集中力作用，是典型的復雜區(qū)域。經(jīng)過多年的使用后，墳頂 出現(xiàn)豎向裂縫，需要進行承載力評估和加固。花瓶墳的尺寸如圖2所示。
[0067] 步驟1:荷載與邊界條件的確定；
[0068] 根據(jù)橋梁的設(shè)計計算報告，在不同組合下，支座的最大支反力達到11273kN，一個 墳上布置左右各一個支座，則每個支座的支反力為:11273/2 = 5636.5kN;
[0069] 花瓶墳的頂面寬度為7m，根據(jù)圣維南原理，在距離加載點7m處，其應(yīng)力將變?yōu)榫?勻，從復雜區(qū)域變?yōu)锽區(qū)。而在本橋中，距頂面7m處，橋墳仍然處于變截面，屬于幾何構(gòu)造上 不連續(xù)，仍然處于復雜區(qū)域，因此，本橋墳進行承載力分析時，認為橋墳起弧點處應(yīng)力已經(jīng) 變得均勻。
[0070] 步驟2:構(gòu)建拉桿模型和壓桿模型；
[0071] 如圖2所示，建立的拉桿模型和壓桿模型，建立的拉桿模型和壓桿模型中壓桿的位 置位于距頂面化/3處。
[0072] 步驟3:檢查拉桿模型和壓桿模型是否合理；
[0073] 如圖3所示，有限元模型分析，查看花瓶墳的應(yīng)力分布是否和拉桿模型和壓桿模型 中的拉桿和壓桿的位置重合。分析表明，圖2的拉桿模型和壓桿模型是合理的。
[0074] 步驟4:根據(jù)外觀檢測，分別確定鋼筋誘蝕、混凝±碳化深度及裂縫開裂情況，并對 相應(yīng)的拉桿、壓桿及節(jié)點的強度承載力進行評估。其中混凝±碳化引起的混凝±有效強度 可W依據(jù)《回彈法檢測混凝±抗壓強度技術(shù)規(guī)程KJGJ/T23-2011)的專用測強曲線進行修 正。
[0075] 經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)鋼筋誘蝕，拉桿的鋼筋面積不作折減，粘結(jié)性能也不作折減。壓桿 的有效強度系數(shù)取0.8，則壓桿的強度為：fee = 0.850sf。'=0.85 X0.8X0.79 X30 = 16.116MPa。節(jié)點有效強度取0.6，則可得到節(jié)點處混凝±有效強度:fCe = 0.850nfC' = 0.85 X0.6X0.79X30 = 12.087MPa〇
[0076] 拉桿控制承載力按照式10進行：
[0077]
式（10)
[0078] 式10中：fy為鋼筋抗拉強度設(shè)計值，T為拉桿軸向拉力的設(shè)計值，As為全部受拉鋼筋 的截面面積；
[0079] 壓桿控制承載力驗算按照式11進行：
[0080]
式（U)
[0081] 式11中：Oc為混凝±的應(yīng)力，Ac為受壓混凝±截面面積，F(xiàn)c為混凝±的強度值，t為 混凝±厚度，b為混凝±寬度，f。'為混凝±圓柱體抗壓強度；
[0082] 節(jié)點控制驗算采用Mo虹-Coulomb理論來確定拉桿模型和壓桿模型的承載力：
[0083]
式（12)
[0084] 式12中：fi，f2分別為節(jié)點區(qū)域的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力；ft為鋼筋和混凝±共同提 供的抗拉強度;f。'為混凝±圓柱體抗壓強度，代表了混凝±在'2方向上的抗壓強度。
[0085] 分別經(jīng)壓桿、拉桿及節(jié)點強度控制計算可知，該花瓶墳的承載力為拉桿控制，需要 拉桿面積為：14796. Imm2，而原來配筋只有8295mm2。
[0086] 步驟5:確定加固傳力路徑，計算加固量；
[0087] 由于花瓶墳是拉桿的承載力不足，而節(jié)點和壓桿的強度具有足夠的儲備，所W加 固仍然采用與承載力評估相同的計算模型。經(jīng)計算，所需鋼筋面積為：14796.1-8295 = 6501.Imm^D
[0088] 從圖4中可W看出，支座處的支反力引起了橋墳的頂部產(chǎn)生了橫橋向的拉應(yīng)力，其 最大數(shù)值與現(xiàn)有結(jié)果比較接近，運說明本發(fā)明方法建立的承載力評估方法具有良好的精 度。
【主權(quán)項】
1. 一種既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法，其特征在于，包括以 下步驟： 51、 確定復雜區(qū)域的荷載及邊界條件； 52、 建立該復雜區(qū)域的拉桿及壓桿模型； 53、 對復雜區(qū)域進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，確定拉桿、壓桿及節(jié)點有效強度的折減系數(shù)， 并修正已經(jīng)建立的拉桿模型和壓桿模型； 54、 按照拉桿強度控制、壓桿強度控制及節(jié)點強度控制的原則，計算得到最小的承載力 值，該值就是舊橋的承載力值； 55、 根據(jù)承載力評估結(jié)果，確定加固傳力模型，不斷調(diào)整加固的拉桿、壓桿及節(jié)點位置； 或不斷增加拉桿、壓桿的加固量，直至滿足使用要求。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法，其特 征在于，步驟S1中，從既有結(jié)構(gòu)中抽象隔離出復雜區(qū)域，所述復雜區(qū)域包括:連續(xù)梁中間支 座、集中力、梁端、預應(yīng)力錨固端、框架轉(zhuǎn)角、牛腿、花瓶墩、斜拉索索塔錨固區(qū)及預應(yīng)力齒 板，然后確定這些復雜區(qū)域的荷載值，并簡化邊界條件。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法，其特 征在于，步驟S2中： 對于常見的復雜區(qū)域，如連續(xù)梁中間支座、集中力、梁端、預應(yīng)力錨固端、框架轉(zhuǎn)角、牛 腿、花瓶墩、斜拉索索塔錨固區(qū)及預應(yīng)力齒板，直接建立拉桿模型和壓桿模型； 對于異形復雜區(qū)域，先采用有限元分析軟件進行拓撲分析，優(yōu)化目標為拉桿模型和壓 桿模型應(yīng)變能最小、拉壓桿位置和主拉、主壓應(yīng)力跡線合力重合;見式(1):式⑴： 式(1)中，^為桿件所受軸力大小，h為桿件的長度，心為桿件的截面面積，Ei為桿件的彈 性模量大小，Π為桿件所受承載力大小。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法，其特 征在于，步驟S3中對既有結(jié)構(gòu)進行檢測包括:確定混凝土碳化、鋼筋銹蝕、裂縫開裂的寬度、 長度、深度及方向，然后考慮上述病害的影響，對拉桿、壓桿及節(jié)點的有效強度進行折減。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法，其特 征在于，步驟S3中鋼筋銹蝕引起的拉桿強度折減考慮鋼筋表面出現(xiàn)銹蝕引起局部應(yīng)力集 中，鋼筋的力學性能將會發(fā)生退化，銹蝕鋼筋的屈服強度、抗拉強度和鋼筋銹蝕程度之間的 關(guān)系t吳型：式(2)和式(3)中：f ys，f bs分別為按銹蝕后實際_枳得出的屈服強度和抗拉強度； fy〇，分別為銹蝕前的屈服強度和抗拉強度； ns為平均截面損失率，既預應(yīng)力筋銹蝕前后質(zhì)量差與銹蝕前質(zhì)量之比； 同時考慮鋼筋銹蝕引起其自身截面損失和粘結(jié)性能退化，鋼筋的面積可以表達為：式:(4) 式(4)中:Ay,s為縱向受拉鋼筋等效截面面積； AS1為第i根受拉鋼筋截面面積設(shè)計值； ksl為第i根受拉鋼筋協(xié)同工作系數(shù)，主要考慮粘結(jié)性能退化的影響； 為第i根受拉鋼筋截面面積減少系數(shù)；式（5) 式(5)中:ksl為第i根受拉鋼筋協(xié)調(diào)工作系數(shù)， ω為構(gòu)件銹脹裂縫寬度， ω s為鋼筋銹蝕前構(gòu)件裂縫寬度， ω b為鋼筋銹蝕后構(gòu)件裂縫寬度， β為鋼筋位置系數(shù)；當ksimin取0.75，ω 3取〇. 25mm，ω改3.5mm，β的取值0.046;* 式（7) 式（6) 式(6)中:risl為第i根鋼筋平均截面損失率； 為第i根受拉鋼筋截面面積減少系數(shù)； 式(7)中:cU為第i根鋼筋的鋼筋直徑； Mt)為第i根鋼筋的銹蝕深度； nsl為第i根鋼筋平均截面損失率； 對于壓壓壓(CCC)節(jié)點和壓壓拉(CCT)節(jié)點，當需要長期服役的混凝土結(jié)構(gòu)利用拉桿模 型和壓桿模型計算時，壓壓壓(CCC)節(jié)點區(qū)混凝土強度有效系數(shù)&取0.8;當需要長期服役 的混凝土結(jié)構(gòu)利用拉桿模型和壓桿模型計算時，其中CCT節(jié)點區(qū)混凝土強度有效系數(shù)取 0.6； 對于瓶形壓桿，當出現(xiàn)鋼筋銹蝕后，壓桿的有效強度系數(shù)?。菏剑?:) 式(8)中，F(xiàn)ns'為壓桿極限承載力； fc '為混凝土軸心抗壓強度值； Ac為受壓混凝土截面面積； kd為銹蝕鋼筋協(xié)同工作系數(shù)，kd的取值，當實測的鋼筋銹蝕后屈服強度與未銹蝕的沒有 太大影響，取kd = 1.0;當鋼筋發(fā)生銹蝕時，按公式(5)取值； A ' 8為受壓鋼筋截面面積，fs '受壓鋼筋的抗壓強度值； P為考慮鋼筋銹蝕后承載力折減系數(shù)的取值，當配置橫向豎向鋼筋網(wǎng)格時 於=1-初;當配置斜向鋼筋網(wǎng)格時供= 1-0.5/7，Ρ為鋼筋銹蝕率;β'為壓桿強度有效系數(shù)，根 據(jù)壓桿不同的類型和不同的配筋形式確定取值； 對于瓶形壓桿中β'取值，當配置橫向豎向鋼筋網(wǎng)格時，β'=0.8;當配置斜向鋼筋網(wǎng)格， 45° 時，β'=0·95。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法，其特 征在于，步驟S4中，按照應(yīng)力比等于1，分別按照拉桿強度控制、壓桿強度控制及節(jié)點強度控 制計算最大承載力，取最小值作為復雜區(qū)域的最終承載力值;其中對支座節(jié)點強度控制按 照Mohr-Coulomb理論雙軸強度控制：式（9) 式(9)中山力分別為節(jié)點區(qū)域的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力;ft為鋼筋和混凝土共同提供的 抗拉強度;fc '為混凝土圓柱體抗壓強度，代表了混凝土在f2方向上的抗壓強度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述既有混凝土橋梁復雜區(qū)域的承載力評估與加固計算方法，其特 征在于，步驟S5中分析既有結(jié)構(gòu)的傳力機理，確定合理的加固傳力模型，并不斷調(diào)整加固拉 桿、壓桿及節(jié)點位置，使加固量最小，而承載力最大。
【文檔編號】G06F17/50GK105956256SQ201610273459
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】袁愛民, 陸榮偉, 徐冬輝
【申請人】河海大學