预应力混凝土桥梁损伤评估及仿真加固分析研究

北京交通大学硕士学位论文预应力混凝土桥梁损伤评估及仿真加固分析研究姓名：张帅申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：季文玉20090601预应力混凝土桥梁损伤评估及仿真加固分析研究作者：张帅学位授予单位：北京交通大学相似文献(6条)1.学位论文叶文亚预应力混凝土桥梁寿命期结构整体性能退化分析2007预应力混凝土桥梁，由于其具有造价低、使用寿命长、维修工作量小等优点，在世界各国的铁路、公路桥梁建造中得到广泛的应用。然而近年来预应力混凝土桥梁的病害越来越突出，高额的维修费用已引起世人的关注。桥梁结构是有一定寿命的，从施工开始一刻起，施工方法、过程以及各种与时间相关的作用对结构产生的影响不可忽略，因此实际结构的极限承载力和使用性能在寿命期内也是变化的。论文作为西部项目“桥梁工程全寿命设计理论与方法”的子课题之一，主要就预应力混凝土桥梁在寿命期内的性能演变规律进行研究，为建立桥梁全寿命设计方法提供依据。为了把握钢筋锈蚀造成的耐久性损伤对混凝土结构性能的影响，首先进行了钢筋锈蚀对周围局部混凝土影响的比较分析。论文分别采用弹性力学方法、断裂力学方法和有限元方法。考虑到预应力混凝土桥梁的受力特性，论文采用4种预压应力比较钢筋锈蚀过程中锈胀对周围混凝土应力场的影响，得到了预压应力变大有助于延缓混凝土被胀裂的结论。服役后存在耐久性损伤桥梁的承载能力下降的原因，是混凝土剥落导致粱体截面损失、钢筋锈蚀、钢筋与混凝土之间粘结应力损失。论文分别对三个因素进行了分析。对粘结应力损失导致结构承载能力进行了分析，得到随着剩余粘结应力的减少，结构极限承载能力下降且破坏形态由延性变为脆性的结论。为了分析钢筋锈蚀和混凝土剥落对整体结构的影响，选择具有代表性的3跨连续试验梁进行极限承载力的力学性能推演，计算了4种退化损伤情况，分别得到荷载-位移曲线，控制断面处混凝土单元、普通钢筋单元和预应力筋单元的荷载-应力应变曲线。验证了实际桥梁随着结构服役时间的增大，结构损伤的增大，结构整体极限承载力下降的规律。以我国公路常用预应力混凝土4跨连续梁实桥为例，考虑收缩、徐变等混凝土材料固有的时变性，以及施工方法的影响，建立精细的空间三维实体模型，通过钝化和激活单元的方法，模拟钢筋锈蚀量和混凝土剥落量模拟损伤：改变损伤的时间和损伤量，实现了桥梁寿命期因耐久性损伤而造成截面损失的模拟，分析了各跨跨中位移下挠、抗弯承载力和荷载效应的相对关系以及控制截面混凝土应力的演变过程。考虑了超载对失效截面位置的影响，进行了不同模拟方法的对比分析；得到了影响预应力混凝土桥梁寿命期力学性能的敏感因素有：桥梁结构型式、荷载类型、初始设计参数、细节构造、锈蚀开始时间、截面损失率等。2.学位论文王标才基于应力释放法的预应力空心板桥现存应力检测的模型试验研究2009预应力混凝土桥梁的现存应力是反映其技术状况的关键指标之一。由于受到钢筋预应力损失、混凝土收缩徐变、结构损伤等的影响，桥梁现存应力的预期值和实际值之间可能存在很大差异。这可能会影响桥梁的服务功能，甚至会导致安全事故。既有桥梁的现存应力检测目前仍然是一个技术难题。本文在查阅和分析了国内外有关文献资料后，采用应力释放法，对既有预应力混凝土空心板桥梁的现存预应力，开展了有限元计算分析和室内模型试验研究。主要研究工作如下：1.以一座跨径为20米的预应力混凝土空心板桥为对象，建立三维实体有限元模型，模拟混凝土应力释放法，比较分析不同尺寸的环孔、方孔和横槽在表面混凝土应力释放为零时的最小切割深度。2.针对长度为10米的预应力空心板桥，基于钢筋应力释放法，建立三维实体有限元模型进行数值计算，研究在某一钢束预应力完全损失的情况下钢筋预应力的变化，探讨并证明了这种检测方法在理论上的可行性。3.在不张拉预应力的状态下，针对2块1.5m×2.0m×0.2m的矩形钢筋混凝土板进行混凝土切割、钢筋切割试验。研究了无应力状态下影响混凝土和钢筋应力释放测试精度的多个因素，得到了一些有实用价值的结论。为有应力状态下的试验研究奠定了基础。4.针对一块长度为10m预应力混凝土空心板模型，分别进行了混凝土和钢筋的应力释放试验。研究有应力状态下，影响混凝土应力释放法和钢筋应力释放法测试精度的因素。得出了“钢筋应力释放法效果更好，其测试精度能达到90％以上”的结论。3.学位论文王英基于人工智能方法的预应力混凝土梁式桥损伤识别研究2009随着科学技术和交通事业的发展，预应力混凝土梁式桥以其施工简单、造价经济、受力合理、行车舒适等独特优势越来越广泛地被采用，这样也使得存在损伤与病害的既有预应力混凝土桥梁不断增多。为保证此类桥梁的安全运营，如何及时有效地进行损伤识别已成为桥梁工程领域的重要研究课题。本文针对预应力混凝土梁式桥存在混凝土开裂严重和预应力损失两个方面的损伤，分别建立裂缝梁单元模型和预应力损失模型，采用人工智能的方法，进行这两个方面的损伤识别研究，建立了一套预应力混凝土梁式桥的损伤识别体系。主要研究工作包括以下几个方面：总结结构裂缝的几种常用模型，并在已有研究成果基础之上，结合土木工程结构受力特点，增加节点扭矩荷载作用，采用每个节点6个自由度，运用断裂力学理论，建立三维裂缝梁单元有限元计算模型。基本思路是将带裂缝的梁单元看成3段式变刚度裂缝梁单元，其组成为：中间是无厚度的裂缝段，两边是无损梁段。裂缝段的描述采用局部柔度矩阵，这个矩阵通过应力强度因子的积分得到：无损梁段的描述与常规空间梁单元一样。然后运用传递矩阵方法，将3段不同刚度的梁段组合成裂缝梁单元，用于有限元计算。总结目前常用的三种预应力损失计算方法：时步分析法，分项总和法和预应力总损失法。提出了混凝土结构中预应力筋的实际有效预应力变化情况存在两种趋势：预应力损失与阻滞损失效应，而且预应力损失效应趋势大于阻滞损失效应趋势，并假设预应力损失效应呈指数增长，阻滞损失效应呈线性增长，在结构的整个服役期限内，表现为构件内预应力筋预应力损失增长的趋势。并据此假设条件建立包含4个参数和1个时间变量的预应力损失计算数学模型方程。概述人工神经网络和遗传算法的概念、基本工作原理及其各自特点，以及这两种人工智能方法在土木工程结构损伤识别中的应用。针对桥梁工程损伤识别这样的复杂非线性问题，将BP神经网络与遗传算法结合，利用神经网络建立的结构损伤参数与响应差的映射关系预测出与之对应的函数值，代替有限元分析结果，根据这个预测的函数值计算遗传算法适应度值，对大型桥梁结构的损伤进行参数识别，并详述GA—BP算法的实现步骤。讨论预应力混凝土梁式结构的损伤识别基本理论，主要包括构件截面的几何特性计算和损伤识别敏感因子的选取原则。采用基于人工智能方法的GA-BP算法，运用已经建立的裂缝梁单元理论和预应力混凝土损伤识别理论，对预应力T形截面简支梁桥进行混凝土裂缝的损伤识别，识别出裂缝位置和裂缝深度；对连续梁桥中跨箱梁预应力束损失进行识别，通过概略识别和精细识别两阶段识别方式，识别出单根预应力束预应力损失模型表达式的参数值，从而建立该钢束预应力损失模型方程式。4.学位论文王利恒基于线性及非线性动力特性的桥梁结构非破损检测研究2006本文首先从力学与数学的角度对多年来许多学者进行损伤检测研究的方法进行了分类与比较，在此基础上提出了本文研究工作的重点：从结构非线性动力特性的角度出发对结构的损伤检测进行试验和理论分析。本文主要的研究对象(损伤检测研究的对象)是城市钢筋混凝土桥梁及预应力混凝土桥梁结构，对于这两种工程中常用的桥梁结构采用两种途径进行了研究，数值模拟和试验：数值模拟研究针对单自由度结构和简支梁模型进行的，单自由度和简支梁的损伤主要体现在裂缝的形成与扩展方面，假定在动力荷载作用下结构的裂缝可以处于两种状态：裂缝张开状态和裂缝闭合状态。结构的开裂区域可以用非线性单元来模拟，这样的非线性单元具有这样的特点：当结构的裂缝处于张开状态下，其刚度比较小，当结构的裂缝处于闭合状态下，开裂部分结构的刚度等于结构开裂前的刚度。在此假定基础上，分别将激励频率等于结构基频的简谐形激励、激励频率等于结构基频之半的简谐形激励和锤击激励输入结构，而后比较了损伤前后结构在相同激励下的位移响应、速度响应、加速度响应、加加速度响应和位移积分响应。结果表明：结构的位移积分响应对本文假定的损伤情况最敏感。因此，就此类损伤而言，可以考虑用位移积分这一新的损伤指标对结构的损伤进行检测和分析。在数值模拟研究方面，本文就单自由度结构设计了四种恢复力与位移关系曲线，分别代表结构损伤前的状态和三种不同等级的损伤状态。将三种激励形式：激励频率等于结构基频的简谐形激励、激励频率等于结构基频之半的简谐形激励和锤击激励分别施加在这四种模型上，通过计算得到四种模型的位移响应，进而得到位移积分响应。而后，在每种激励形式下，比较了损伤前和不同损伤程度下结构的位移积分响应。结果表明：在三种激励形式下，随结构损伤程度增加，结构的位移积分响应都呈下降趋势。文中也进一步研究了位移积分与结构损伤程度之间的定量关系。在理论研究方面，主要是采用以下方法进行的：直接刚度法(DSC)和非线性动力特性法。直接刚度法是一种基于线弹性动力特性的损伤检测方法，应用这一方法对论文中的普通钢筋混凝土简支梁和无粘结预应力钢筋混凝土梁的模态试验数据进行了分析，分析结果表明，这一方法在论文中的试验条件下可以比较准确地识别出沿结构长度分布的刚度变化情况，从而可以为桥梁结构的加固提供一些有用的数据。另外一种基于结构非线性动力特性的损伤检测方法，主要是通过研究结构的频率随振幅变化的情况来探测结构的损伤。论文中具体应用了这样的方法，即分别针对普通钢筋混凝土简支梁和无粘结预应力混凝土梁在锤击激励下的跨中位移响应试验数据和简谐形激励下的跨中加速度响应试验数据结合时频分析方法进行了研究。具体研究是这样进行的：将激振力幅值由下到大增加的几个等级的共振曲线试验数据通过取峰值的方法得到结构的振幅随频率变化的关系曲线；再应用时频分析中的短时傅立叶变换法，事先选择一个时间窗口宽度，对锤击试验下跨中位移响应衰减曲线进行分析也可以得到结构的振幅随频率变化的关系曲线。调整短时傅立叶变换的时间窗口宽度，直到应用两种试验数据及相应的分析方法所得结构振幅-基频之间的关系曲线吻合得很好为止，这时的窗口宽度便是本文进行时频分析所采用的窗口宽度。应用这一窗口宽度，对逐级加载损伤条件下锤击激励跨中位移响应衰减曲线进行时频分析得到两种结构在不同损伤状态下的非线性动力特性，即结构的振幅与基频之间的关系，文中是以曲线族的形式给出的。分析这样的曲线族总结出了两种结构的非线性动力特性，在此基础上又研究了应用结构的非线性动力特性进行两种结构损伤检测的可行性。结果表明，非线性动力特性对上述两种类型的桥梁结构的损伤检测研究不太适用，但是可以用于完整性要求很高的结构的损伤检测。另外，论文中还应用了结构在锤击激励试验条件下的向上和向下位移响应最大值、向上和向下加速度响应最大值、向上和向下加加速度响应最大值作为结构损伤检测的指标，进行了损伤检测的试验研究。研究结果表明：对于普通钢筋混凝土梁而言，在本文试验条件下，锤击试验梁向下位移最大值、向上加速度最大值、加加速度向上和向下最大值随加载等级增加，整体上表现出单调地上升或下降趋势，因此可以用这三种信号的最大值来判断结构的损伤程度。向下位移最大值与加载等级之间的关系曲线接近直线，因而，在这几种最大值中用向下位移最大值来判断结构的损伤程度效果最好。锤击试验数据的傅立叶变换和时频分析表明，频率与加载等级之间呈曲线关系，而向下位移最大值与加载等级之间则接近直线关系，因此用梁向下位移最大值判断结构的损伤程度与用频率变化判断结构损伤程度的方法相比较要更加方便。而对于无粘结预应力钢筋混凝土梁而言，研究表明：结构在锤击激励下，30Hz低通滤波后跨中位移响应向上和向下最大值、跨中附近加加速度响应向上和向下最大值与结构的损伤程度表现出一定的规律性：1.用30Hz低通滤波后结构跨中位移向上和向下最大值可以发现无粘结预应力钢筋混凝土梁中的普通钢筋是否屈服，但是位移向上和向下最大值