桥梁结构安全的评定方法与检测技术

EvaluationMethods&TestingTechnologiesforSafetyEvaluationofExistingBridges周毅(Y.E.Zhou,PhD,PE)美国优斯公司(URSCorporation)桥梁评定检测与加固业务经理在役桥梁结构安全的评定方法与检测技术第四届全国公路科技创新高层论坛•北京•2019什么是桥梁结构安全评定?结构安全的衡量及可靠性指数的概念结构设计可靠性与评定可靠性的区别提高结构评定可靠性的方法–动态秤重,荷载测试,无损检测技术…等等动态秤重技术的应用–准确测量荷载的变化用于结构疲劳和强度评定的荷载测试和有限元分析方法磁通漏磁检测系统(MFL)–用于评定置于混凝土结构及缆索中钢筋或钢绞线状况的无损检测技术总结与结论发言概要什么是结构安全评定?R的影响因素杆件几何尺寸材料性能施工质量支撑情况结构系统缀余度随时间的恶化Q的影响因素卡车的重量,分布及变化其他同时作用的荷载(DL,T,W…)荷载↔应力的对应关系支撑情况随时间的变化在一个指定时间t,检查:结构强度R(t)≥荷载效应Q(t)R=杆件/节点的承载能力(M,V,P…)Q=对应的荷载效应(M,V,P…)结构安全性的衡量安全程度=R-Q(随即变量)R,σR,Q,σQ=设计/评定准则中的控制参数R,QpRQ结构强度(R)荷载效应(Q)Q≥R破坏σQσQσRσR结构可靠性指数ββ=R-Q/σR-Q=可靠性指数pf=P[(R-Q)0]=破坏的概率βPf1.01.59x10-12.02.3x10-22.56.2x10-33.01.3x10-33.52.33x10-44.03.17x10-5正态分布R-QpR-Qpf0βσR-Q破坏安全•σR-QσR-Q设计与评定的区别–不定性/随机性设计–不定性较高评定–指定的时间和地点,不定性较低R,QpRQ结构强度(R)荷载效应(Q)评定设计结构评定σ↓,β↑设计与评定的区别–随时间的变化性设计–随时间的变化性通常不予考虑评定–荷载与结构强度都随时间变化RQR,Qp结构强度(R)荷载效应(Q)QQ(t)R(t)R结构评定R-Q(t)↓,β↓设计评定提高结构评定可靠性指数β的方法以获取现场数据来减少不定性/随机性:车重荷载谱–动态秤重(WIM)荷载与应力的对应关系–荷载测试/有限元分析主要承重杆件的自身状况–无损检测(NDT/E)R的影响因素杆件几何尺寸材料性能施工质量支撑情况结构系统缀余度随时间的恶化Q的影响因素卡车的重量,分布及变化其他同时作用的荷载(DL,T,W…)荷载↔应力的对应关系支撑情况随时间的变化提高结构评定可靠性–情况1可靠性指数:β=R-Q/σR-Q情况1:如果R-QDes不变,σR-Q↓,β↑R-QpR-QDespf0βσR-Q破坏安全•评定设计提高结构评定可靠性的关键:降低方差σR-Q提高结构评定可靠性–情况2情况2:如果R-QEva(t)R-QDes,σR-Q↓,β↑R-QpR-QDespf0βσR-Q破坏安全•R-QEva(t)设计评定可靠性指数:β=R-Q/σR-Q提高结构评定可靠性的关键:降低方差σR-Q荷载及其变化–动态秤重(WIM)荷载与应力的对应关系–疲劳及强度评定的荷载测试/有限元分析关键承重杆件和材料的状况–无损检测(NDT/E)评定准则–以可靠性为基础提高结构评定可靠性的方法用动态秤重确定卡车荷载谱桥梁疲劳寿命评估常幅荷载与变幅荷栽的区别利用应力幅谱和S-N曲线常幅疲劳极限与应力谱中最大应力幅之比较疲劳评估的关键:准确评估疲劳细节的局部应力变化ClevelandCentralViaduct铆接钢桁桥,建于1959年理论计算得出疲劳寿命不足在杆件中部测轴向应力,端部测由弯矩引起的次应力用应变片量测桁架杆件应力幅控制疲劳细节:铆接-CategoryD无线遥控日常交通引起的应力反应雨流记数法STRESSRANGEHISTOGRAMMemberSU104-105,OneWeekSmin=1.0ksi,Ntot=15,894,Sre=2.245ksi02,0004,0006,0008,0000.250.751.251.752.252.753.253.754.254.755.25StressRange(ksi)No.ofCycles应力幅谱铆接细节:Cat.D,CAFL=7.0ksi现场测试结果:Sr,max=4.5ksi等效常幅应力幅(RMC):Sre=[(ni/N)Sri3]1/3结论:本桥杆件的疲劳寿命为无限(腐蚀区除外)疲劳寿命评定检算组合荷载下的强度要求:φsφcφRηIΣ(γiQi)–R=杆件强度Qi=荷载效应–φs=系统赘余度系数γi=荷载系数–φc=状况系数ηI=运营重要性系数–φ=阻力系数随设计/评定的方法而变–允许应力法(ASD/ASR)–极限强度法(LFD/LFR)–荷载阻力系数法(LRFD/LRFR)检算所有破坏模式(拉,压,剪,等)桥梁强度评定桥梁结构中的荷载分布十分复杂设计规范中的荷载分布公式够精确吗?简化的公式对新桥设计来说可以接受,但对在役桥梁评定不够精确.用荷载测试/有限元分析确定荷载应力关系强度评定的关键:准确的荷载与应力对应关系关键杆件和材料的状况决定结构强度施工质量是实现设计意图的关键结构状况通常随时间而恶化无损检测(NDT/E)是检查不可见结构构件的重要工具,例如混凝土结构和缆索中的钢绞线或钢筋.桥梁状态的评定用于混凝土梁的磁通漏磁系统–MFLDevelopedbyProfessorAlGhorbanpoorofUniversityofWisconsinatMilwaukee(UWM)MFL用于混凝土桥面板和后张拉索SensorBox3459ConcreteSurfacePEDuctMFL用于混凝土梁体外后张拉索MFLSignals–FlawIndicationAt914cmMFL用于混凝土梁体外后张拉索MFLSignals–flawindicationfrom183to366cmMFL用于混凝土梁体外后张拉索北京顺义普通钢筋混凝土梁MFL检测4.0-1.02.550024681012141618202224262830323436384042444648Ch3Ch4Ch5Ch9ftVoltCh1Ch2Ch6Ch7Ch8Ch104.0-1.02.54.0-1.02.54.0-1.02.54.0-1.02.54.0-1.02.54.0-1.02.54.0-1.02.54.0-1.02.54.0-1.02.5北京顺义2号梁MFL检测结果北京顺义2号梁打开验证4.0-2.00.050024681012141618202224262830323436384042444648Ch3Ch4Ch5Ch9ftVoltCh1Ch2Ch6Ch7Ch8Ch104.0-2.00.04.0-2.00.04.0-2.00.04.0-2.00.04.0-2.00.04.0-2.00.04.0-2.00.04.0-2.00.04.0-2.00.0北京顺义4号梁MFL检测结果北京顺义4号梁打开验证北京顺义预应力混凝土箱梁桥MFL检测顺义箱梁桥:一片梁有纵裂纹和漏水迹象顺义箱梁桥–MFL检测钢筋/索锈蚀2.0-3.00.020012345678910111213141516171819Ch3Ch4Ch5Ch9ftVoltCh1Ch2Ch6Ch7Ch8Ch102.0-3.00.02.0-3.00.02.0-3.00.02.0-3.00.02.0-3.00.02.0-3.00.02.0-3.00.02.0-3.00.02.0-3.00.0顺义箱梁桥MFL检测结果–无裂纹梁3.0-2.00.020012345678910111213141516171819Ch3Ch4Ch5Ch9ftVoltCh1Ch2Ch6Ch7Ch8Ch103.0-2.00.03.0-2.00.03.0-2.00.03.0-2.00.03.0-2.00.03.0-2.00.03.0-2.00.03.0-2.00.03.0-2.00.0顺义箱梁桥MFL检测结果–裂梁重庆交通大学实验室MFL验证–六种试件重庆交大MFL检测结果–木板中的钢索0.0-0.6100123456789Ch3Ch4Ch5Ch9ftVoltCh1Ch2Ch6Ch7Ch8Ch100.0-0.60.0-0.60.0-0.60.0-0.60.0-0.60.0-0.60.0-0.60.0-0.60.0-0.6MovementoftheStrandDuetoMagnets’ForceFlawLocations0.1-0.10.0100123456789Ch3Ch4Ch5Ch9ftVoltCh1Ch2Ch6Ch7Ch8Ch100.1-0.10.00.1-0.10.00.1-0.10.00.1-0.10.00.1-0.10.00.1-0.10.00.1-0.10.00.1-0.10.00.1-0.10.0FlawLocations重庆交大MFL检测结果–套管中的钢索0.6-1.00.0100123456789Ch3Ch4Ch5Ch9ftVoltCh1Ch2Ch6Ch7Ch8Ch100.6-1.00.00.6-1.00.00.6-1.00.00.6-1.00.00.6-1.00.00.6-1.00.00.6-1.00.00.6-1.00.00.6-1.00.0FlawLocationsStirrups重庆交大MFL检测结果–混凝土中的钢索重庆交大MFL检测–钢索/筋上人造缺陷MFL在桥梁缆索检测上的应用示意图美国桥梁评定规范–目前美国桥梁评定规范–将来现场数据是准确评定在役桥梁结构的关键数据越具体,方差越小,从而可靠性指数越高提高结构评定可靠性的方法:–利用动态秤重(WIM)建立车辆荷载谱–利用荷载测试/有限元分析建立结构中荷载与应力的对应关系(疲劳和强度评定)–利用无损检测确定关键承重杆件和材料的状况(NDT/E)需要建立以可靠性为基础的桥梁评定规范总结与结论一个实际可行的方法示意●实际桥梁的强度(R)与荷载效果(Q)的统计分布很难确定●估计它们的端值及其发生的概率更实际可行●利用先进的分析/测试方法和手段来实现准确评估●以(Rmin–Qmax)及相应的概率值作为安全评定的基础“瘦身法”R,QpRQ结构强度(R)荷载效应(Q)评定设计QminQmaxRmaxRminTheEndQ/AContactEdZhou,URSCorporation-Marylanded_zhouurscorpFORMOREINFORMATION