混凝土桥梁有效预应力检测及 安全评价
长安大学 贺拴海
存在问题：下挠、开裂、各种病害 解决问题：1、有效预应力是多少？ 2、满足使用要求吗？ 3、桥梁安全吗？
79.2
3F2
3F3
3F4
29.9
3F5
3F6
39.8
3F7
20.2
3F8
6F10 6F9
混凝土桥梁结构中实际的永存预应力本身是未知的 在设计时是靠理论公式估算各项预应力损失而得到其计算值六项损失： 预应力筋与管道壁间摩擦引起的应力损失 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失 先张法构件预应力筋与台座间的温差引起的应力损失 混凝土弹性压缩引起的应力损失 钢筋松弛引起的应力损失 混凝土收缩和徐变引起的应力损失
若计算值与实际值之间偏差较大，则会影响到结构的使用性能 和寿命，严重时还会导致安全事故。即使计算值较精确(其实 目前很难达到),由于结构性能的变化，实际的永存预应力值 与理论值亦有较大差异，对在役预应力混凝土桥梁结构永存预 应力的检测及其评价，预应力混凝土桥梁的安全评价进行研究
1、现有方法 国内外对于有效预应力检测理论的关注程度非 常高，涉及基于动力特征、基于静力特征及开 裂弯矩法等三个方面，而其中基于预应力梁动 力特征的理论和试验研究成为研究热点： 形心直线布束的简支梁室内模型试验研究 (1994年M.Saiidi 等) N( EI ) e =(1+1.752 n
fe
) EI g
A.Dallasta等
n 4 4 N N [( E ) I ( E )I y ] c c y 4 Ac Ay mL
首次开裂弯矩法M cr1 y0 1 epn yn N p1 [ f r ]/[ ] I0 An In
二次开裂弯矩法N p2 M cr 2 y0 1 epn yn /[ ] I0 An In
2、有效预应力测试 对在建桥梁可以用振弦式传感器、光纤光栅 传感技术、特别是加拿大公司生产的应变式 传感器对其预应力进行检测对 在 役 桥 梁 基于梁体力学性能的检测 基于应力释放的检测 基于横张增量法的检测
直线配束 曲线配束
频率力关系
预应力混凝土简支梁有效刚度比与力的关系预应力束设置方式 直线配束
有效刚度比1 k1 (1
Be / B2e N ) h Afcu
曲线配束
≤0.30时：
1 k2 (
0.30时：
N N 2 ) k3 ( ) Afcu Afcu N k 4 k5 ( ) Afcu
(1)基于动力参数的有效预应力预测方法预应力混凝土梁 测试基频 测
量测结构尺寸 计算基频 计 或 B
计算 Be 否 外观调查 梁是否开裂
是 结 束 退出评估
计算 ( 测 / 计 )或 =Be/B 否
判断 1 是 由有效刚度比 推求有效预应力 N 评估预应力混凝土梁
给出了适用条件
(2)基于静力参数的有效预应力预测方法预应力混凝土梁 坚向加载测试 量测结构尺寸
w测 或 c测 或 s测计算 Be
计算 B 或 w计 或 c计 或 s计
计 否
算
外观调查 梁是否开裂 是 结 束 退出评估
判断 1 是 由有效刚度比 推求有效预应力 N 评估预应力混凝土梁
给出了适用条件
(3)基于应力释放的预应力测评
总 体 流 程
混凝土应力释放技术芯 孔 形 状 及 深 度 研 究
不同孔芯直径下的圆形孔芯 表面轴向应变随深度变化 基于应力释放的预应力衰减程度测评研究
不同形状芯孔混凝土表面 轴向应变随深度变化曲线
梁体应力释放技术
1 0.8
应力释放比β
0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0 15 30 45 60 75 90 105 120
回归曲线 1#片 2#片 3#片 4#片
时间(分钟)
混凝土应力释放技术受干扰因素多，实测离散性大。
普通钢筋应力释放技术 裸露普通钢筋应力释放试验
无初应变试件
有初应变切割
应变(μ ε )
-30 10 20 30 40 016:39:01 16:39:50 16:42:32应变(上)
16:43:07 16:44:18 16:44:51
钢筋应变随时间变化规律16:44:55 16:48:44 16:51:59轴向应变
-20
-10
优选试验方法应变(下)
16:57:03 16:59:59 17:03:19 17:06:12
温度(℃) 20.0
14.016:28:00 16:28:26 16:30:51 16:32:17 16:33:57 16:34:21 16:35:47 16:38:17 16:41:56 16:44:49 16:46:19 16:50:08 16:53:20温度(℃)
15.0
16.0
17.0
18.0
19.0
时间
钢筋温度随时间
时间
-5
10
15
20
25
30
应变(μ ε )
-15 0 5
10:41:04 10:44:32 10:45:10 10:45:26 10:45:55 10:46:18 10:46:30 10:46:42 10:46:55 10:47:08 10:47:31 10:47:57 10:48:30 10:50:56 10:52:50 10:54:27 10:56:00 10:57:56 10:59:10 11:04:23 11:10:48
-10
实体梁普通钢筋应力释放试验
应变(上)
钢筋应变随时间变化
应变(下) 轴向应变10:19:10 10:20:57 10:21:48 10:22:22 10:25:10 10:26:49 10:28:13 10:29:53 10:31:40 10:33:52 10:36:09 10:37:55 10:38:35
时间温度(℃) 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0
温度随时间变化
温度(℃)
时间
设备及操作 手持式砂轮机作为普通钢筋应力释放法的推荐设备。 (1)凿除钢筋保护层，暴露长度以不小于20厘米 (2)解除钢筋与混凝土的粘结，沿钢筋径向两边打 磨，对称粘贴两钢筋应变片，蜡封保护 (3)用小型切割设备释放普通钢筋应力，边切割边 喷水冷却 (4)割断普通钢筋后，分时间段监控测量释放应变， 首次量测应控制在切割完成后2分钟内采集数据 (5)修补
基于钢筋释放应力的有效预应力合效应分析截面应力状态
( y) y
5 yi ( yi ) yi ( yi )
i 1
5
5
5
5 yi2 ( yi ) 2
5
i 1 5
i 1
( y )i 1 i
5
i 1
5h
a yii 1
i 1 5
5
Npe ( y)b( y)dy0
Npee ( y)b( y)( yx y)dy0
h
-
空心板截面箱形截面 外围轮廓
外围轮廓挖空部分
挖空部分
形截面
开始
输入测点信息 线性回归系数计算 得到截面应力状态
输入截面信息 沿截面高度方向等分10000份
各等分点处应力和宽度计算 合力及合力偏心距计算 结束
用截面应力释放值分析软件(StrAN V1.0),登记号为： 2007SR17518,进行计算
输入基本数据 求结构总刚度矩阵主元素序号的指示矩阵IM(L3)和最大带宽MB
有 限 钢 筋 释 放 应 力 预 测 有 效 预 应 力 预 测 方 法
生成总刚度矩阵KM(IM(L3)) 主系数强化处理及引入边界条件 总刚的三角化分解过程 是 否
生成荷载列阵P≤P0?
否计算影响线，给节点加竖向单位力 PM(3*LP(P)-1))=-1 否 输入温度荷载 计算温度内力 并叠加进荷载列阵 P≤P0+R0+F0+Q0? 是 输入分布荷载 计算分布荷载内力 并叠加进荷载列阵 P≤P0+R0+F0? 是 输入集中力荷载 计算集中力产生的内力 并计入荷载列阵
回代求解方程得到位移 由节点位移求杆端力并且叠加进杆端力数组QM中 否 是
P≤P0?输出节点的位移 输出杆端力 否 存贮影响数组 否 输出内力影响线 HZ=0? 是Y 结束
Z0≤0?
是
(4)基于横张增量法的预应力测评 预应力钢索张力测试仪(型号：LCZL-50)
支块
钳式抓拔器
预应力束筋分隔器
静力检测法 对两端张拉钢绞线的跨中横向施加作用力，测试 其横向变位值，从而推算钢束中张力T1(T2) δ2 δ1 压力传感器 支承点 支承点 钢绞线 压力传感器
F1(F )
有效工作长度L1 模拟剥离长度L2
F 1 (F )
横向力(KN)
0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0 20 40
y = -1E-05x2 + 0.0057x + 0.1168 2 R = 0.9974
60
80
100 120 140 160 180 200 220纵向力(KN)
5mm 纵向力横向力(KN)
多项式 (5mm 纵向力)
20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0 20 40 60 80
y = 0.0828x + 1.17 R2 = 0.9992
F K100 120 140 160 180 200 220纵向力(KN)
T F0
20mm 纵向力
线性 (20mm 纵向力)
动力检测法
工况一
张力频谱图
工况二
动力检测法计算公式锚固长 工作长
L 1.0m
l 0.7 ml 0.5ml 0.7 m
F F
0.4ml 2 f120.4ml 2 f12
Ae
0.004 Bml 2 f12
2 EIl2
Ae
0.004 Bml 2 f12
2 EIl22 1
F
0.4ml 2 f12 Ae0.004 Bml 2 f12
( A1 4B1ml f 16C1m l f ) 2 2 4 4 1
2 EIl2
L 1.0m
l 0.5m F
0.4ml 2 f12 Ae0.004 Bml 2 f12
( A1 4B1ml f 16C1m l f ) 2 2 1 2 4 4 1
2 EIl2
计算结果相对误差在3%以内
3、复杂预应力体系有效预应力模拟及预测应力沿程界限波动率
波动束、平缓束 拟摩阻损失函数 管道综合影响系数 名义损失参数 等差分布模式 等比分布模式 混合分布模式
1、测试钢束分类 定义
pe max pe min con
钢束应力界限波动率
(10.0,15.0)
波动束(VT) 平缓束(MT)
(0,10.0]
钢束有效预应力检测
2、预测分析
目标钢束分类判别
内层间接预测钢束
表层直接测试钢束
模块一波动束 应力沿程 极限衰减率 β 平缓束 截面内应力预测模型
测值分析
定位三个测点
钢束有效预应力测试值
单测点(控制截面)
钢束有效预应力预测值
提取钢束样本 钢束i测值(i=1…n) 钢束测值信息库
测值数j=3 是 钢束纵向沿程三测点应力 X i,j ζ 测i,j (j=1~3)
否
钢束单点应力ζ
测i,j
(j=1)
预 测 模 型
测值衰减系数 γ i =ζ 测i,j/ζ 理i,j
《桥规》建立的 预应力损失理论
从属模式判别
模块二
拟摩阻损失函数
0.95≤ γ i 1.0
0.85≤ γ i 0.95
γ i0.85
分布模拟
求解钢束拟摩阻损失参数
分布模式一(等差)
分布模式二(等比)
分布模式三(混合)
波动束模拟方法
平缓束模拟方法一
平缓束模拟方法二
平缓束模拟方法三
钢束i有效预应力沿程分布规律
模型三预测式 con la测 l 2 ( , k ) ln[ ] A con 1= kx la测 l 2理 ( , k ) k ln[ con ] A con k1 kx
求解△μ ,△k
由式(4.5.9)得到间接预测 钢束预应力损失预测值 ζl预
'
拟摩阻损失算法 2 1R直线
3
4
… i-1
i
i+1
p
K段抛物线 圆曲线
l1
l2
l3 lf
li
lp
1
1,2
2
2,3
3
3,4
4
i-1
i
i,i+1
i+1
ppe σ
σ
co
n
l1
l2
l3 lf
li
lp
l 2 ( x) 0 m 1 ( x) 2( l x) S j m , m 1 l2 j 1 ( x) 2(l x) S f p , p 1 l2 l 2 ( x) 0
(m p)j m 1
2l Sj
p
j , j 1
2(lf l j ) S p , p 1 (m p)j 1
p
(m p, x lf ) (m p, x lf )
编制了《预应力钢束拟摩阻损失等效参数求解程序》 (PresPS V1.0),软件登记号为：2007SR17517,以 30m预应力混凝土T梁为例，进行了验证。
4、 桥梁安全评价基于有效预应力储备度的分级体系桥梁环境类型 标度描述 衰减程度 无 低度 Ⅰ类和Ⅱ类 工作状态预警 安全 安全 应对措施 常规养护 常规养护 通过预应力度衰减 率及名义裂缝宽度 两指标进一步确定 分析使用应力强度， 采取技术改造措施 Ⅲ类和Ⅳ类 工作状态预警 安全 界限 应对措施 常规养护 通过预应力度衰 减率进一步确定 分析使用应力强 度，采取技术改 造措施
r , ES Ⅰ r Ⅱ, Ⅰ
r Ⅲ , Ⅱ r EX , Ⅲ
中度
界限
危险
严重
危险
