专利名称：中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法
技术领域：
本发明涉及一种桥梁检测与评定技术，尤其是中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法。
背景技术：
随着我军使命任务的拓展，军事重装备公路机动呈现出频率增加、范围扩大的趋势，中小跨度混凝土桥梁的军事重装备通过性问题经常成为制约部队机动路径选择的瓶颈。目前，既有桥梁检测评估方法普遍存在现场检测内容多、检测评估时间长、数据处理繁琐、可操作性差等缺点，无法满足军事交通保障中重装备通过性快速检测评估的要求。以目前国内最为常用的荷载试验法为例，仅现场安装应力传感器这一项就非常繁琐耗时，再加上前期其他试验准备工作和后期试验数据的处理，荷载试验法通常需要3天甚至一周的时间才能给出评估结论。军事运输尤其是重装备运输对时效性要求极高，这就对我们提出了更高的要求，如何研发一种快速检测评估方法，实现对中小跨径混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估，进而为选择合理的抢修抢建措施提供依据，以保障军事装备尤其是重装备安全通过桥梁。
发明内容
为了克服现有桥梁检测评估方法操作繁琐、耗时过长的不足，本发明提供一种桥梁快速检测评估方法，可以快速对中小跨度公路混凝土桥梁是否满足重装备通过性要求做出准确评估。为实现本发明的目的所采用的技术方案是:( I)获取评估所需的桥梁信息查询桥梁设计资料获取桥梁信息，对于设计资料缺失严重的待评估桥梁，需要进行实施快速无损检测的步骤，以获取桥梁外观及几何尺寸、物理参数等信息，如混凝土桥梁的结构类型、截面形式、计算跨径、支座类型等，并检测混凝土性能和配筋情况。同步利用标准检测车荷载在待评估桥梁上开展现场静力荷载试验，快速实测桥梁挠度；(2)快速建立待评估桥梁的初始有限元简化模型事先利用大型结构化通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型备选库，在检测评估现场，根据设计资料或通过实施现场无损检测得到的信息，在备选库中选取与待评估桥梁最为接近的有限元模型进行参数化快速建模，建立桥梁初始有限元简化模型；(3)对桥梁有限元模型进行修正将截面抗弯刚度B作为敏感参数,在有限元简化模型上施加标准检测车荷载,进行模拟试验。将模拟试验的挠度值与标准检测车荷载现场加载的挠度实测值进行对比分析，调整配筋情况修正截面抗弯刚度B，直至两者接近一致(相对误差小于1%)，完成对有限元简化模型的修正；(4)重装备通过桥梁模拟试验利用修正后的桥梁有限元模型，根据重装备通过桥梁时荷载情况进行模拟试验，得到重装备作用下待评估桥梁的挠跨比；(5)确定桥梁通过性评估标准通过收集大量桥梁荷载试验的挠度实测数据，按照不同结构形式、不同跨径的混凝土桥梁对实测数据分类、统计分析，得到了挠跨比统计均值，记为μ C1，统计方差，记为σ ;将安全阈值记为μ s=y 0_3 O，危险阈值记为μ d=y d+3 O，根据已知标准跨径与安全阈值Us和危险阈值Ud的对应关系，通过拟合得到了跨径与安全阈值Us和跨径与危险阈值Ud的关系式及关系曲线 。在检测评估现场，利用关系式可以快速得到待评估桥梁对应的安全阈值μ s和危险阈值μ d。(6)评估桥梁通过性对比重装备作用下待评估桥梁的挠跨比fz/L与其安全阈值μ s和危险阈值μ d的大小关系，当fz/L〈y s时，认为待评估桥梁可以满足重装备通过性要求；当μ s彡fz/L<yd时，认为待评估桥梁局部强度不能满足重装备通过性要求；当fz/L ^ μ d时，认为待评估桥梁整体强度不能满足重装备通过性要求。所述步骤(I)中快速无损检测的步骤包括:桥梁外观及几何尺寸检测、混凝土性能检测和混凝土配筋情况检测。其中: (I)桥梁外观及几何尺寸检测采取目测、借助简单测量工具等手段，获取待评估中小跨径混凝土桥梁的结构形式、跨径等信息。对于桥跨截面尺寸的测量，尤其对于桥梁跨越沟壑、河流无法接触测量的情况，可借助无棱镜全站仪完成。无棱镜全站仪，是指不需要反射棱镜作为合作目标就可以进行测距的全站仪。(2)混凝土性能检测混凝土的抗压强度是其各种物理力学性能指标的综合反映，混凝土性能检测主要是针对混凝土抗压强度的检测。对混凝土抗压强度的检测可采用回弹法，回弹法是根据混凝土的表面硬度与抗压强度之间存在着特定相关性而发展起来的一种混凝土强度测试方法，可借助回弹仪完成。( 3 )混凝土配筋情况检测对混凝土配筋情况的检测采用电磁感应法，电磁感应法是利用电磁感应原理检测混凝土构件中钢筋分布情况的测试方法，可借助钢筋定位仪完成。所述步骤(I)中快速无损检测的步骤还包括挠度检测。在对桥梁进行无损检测的同时利用标准检测车荷载开展静力荷载试验，在现场静力荷载试验中必须快速准确获取桥梁关键部位的挠度变化，为修正有限元模型提供参照。对桥梁挠度的检测采用光电图像测量法，可借助光电挠度仪完成。所述步骤(4)重装备通过桥梁模拟试验是将步骤(3)中修正后的桥梁有限元模型施加重装备荷载，开展重装备过桥模拟试验，模拟重装备通过桥梁时的最不利工况，得到重装备作用下待评估桥梁的挠跨比，记为fz/L，其中fz为关键部位最大挠度，L为待评估桥梁的计算跨径。本发明的工作原理为:混凝土桥梁是按照承载能力和正常使用两种极限状态设计的，相应地，桥梁承载能力状况评估指标也就有两种:材料应力水平等承载能力极限状态指标和挠度、裂缝等正常使用极限状态指标。对于一座在役桥梁而言，挠跨比(正常使用极限状态指标)与应力水平(承载能力极限状态指标)在本质上是一致的。因此通过分析计算挠度(或挠跨比)可以准确反映桥梁工作情况，技术方案将重装备作用下待评估桥梁的挠跨比作为判断桥梁装备通过性的评估指标是可行的。与现有技术相比，本发明的有益效果是:(I)由于挠度检测相对应力检测更便于现场操作实施，因此，本发明将挠跨比作为桥梁快速检测评估指标，减少了现场检测工作内容、简化了桥梁评估工作流程，有效缩短了检测评估时间；(2)建立了中小跨度混凝土桥梁的有限元模型库，有效缩短了现场的桥梁建模时间；(3)研究提出利用小荷载静力荷载试验的挠度结果修正简化模型，利用修正后的简化模型开展模拟试验，进行桥梁的快速检测评估，在缩短检测评估时间的同时，避免了军事重装备和桥梁的使用风险；(4)首次建立中小跨度混凝土桥梁跨径与挠跨比安全阈值和跨径与挠跨比危险阈值的关系式和关系曲线，为标准和非标准跨径桥梁的快速评估提供了依据；(5)通过综合运用上述技术和方法，可在桥梁设计、养护资料严重缺失的情况下，将单座中小跨度混凝土桥梁的检测评估时间，由现行的3 7天缩短到6小时以内。
图1所示为板梁桥有限元模型示意图；图2所示为T形梁桥有限元模型示意图；图3所示为箱梁桥有限元模型示意图；图4所示为拱桥有限元模型示意图；图5所示为有限元模型修正流程图；图6所示为桥梁快速检测评估流程。
具体实施例方式以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例:中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法，其特征在于包括以下步骤:( I)获取评估所需的桥梁设计信息查询桥梁设计资料获取桥梁信息，对于设计资料缺失严重的待评估桥梁，需要进行实施快速无损检测的步骤，以获取桥梁外观及几何尺寸、物理参数等信息，如混凝土桥梁的结构类型、截面形式、计算跨径、支座类型等，并检测混凝土性能和配筋情况。同步利用标准检测车荷载在待评估桥梁上开展现场静力荷载试验，快速实测桥梁挠度；所述步骤(I)中快速无损检测的步骤包括:桥梁外观及几何尺寸检测、混凝土性能检测和混凝土配筋情况检测，具体来说:桥梁外观及几何尺寸检测是采取目测、借助简单测量工具等手段，获取待评估中小跨径混凝土桥梁的结构形式、跨径等信息。对于桥跨截面尺寸的测量，尤其对于桥梁跨越沟壑、河流无法接触测量的情况，可借助无棱镜全站仪完成。无棱镜全站仪，是指不需要反射棱镜作为合作目标就可以进行测距的全站仪。混凝土性能检测是混凝土的抗压强度是其各种物理力学性能指标的综合反映，混凝土性能检测主要是针对混凝土抗压强度的检测。对混凝土抗压强度的检测可采用回弹法，回弹法是根据混凝土的表面硬度与抗压强度之间存在着特定相关性而发展起来的一种混凝土强度测试方法，可借助回弹仪完成。混凝土配筋情况检测是对混凝土配筋情况的检测采用电磁感应法，电磁感应法是利用电磁感应原理检测混凝土构件中钢筋分布情况的测试方法，可借助钢筋定位仪完成。
所述步骤(I)中快速无损检测的步骤还包括挠度检测。所述挠度检测是在对桥梁进行无损检测的同时利用标准检测车荷载开展静力荷载试验，在现场静力荷载试验中必须快速准确获取桥梁关键部位的挠度变化，为修正有限元模型提供参照。对桥梁挠度的检测采用光电图像测量法，可借助光电挠度仪完成。(2)快速建立待评估桥梁的初始有限元简化模型一般地，为了便于设计、施工、养护，以及经济成本等原因，中小跨度混凝土桥梁通常按标准设计图设计建造，《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)也明确规定:桥涵的跨径小于或等于50米时，宜采用标准化跨径。因此，可根据交通部门颁布的标准跨径混凝土桥梁通用设计图纸进行参数化建模，利用大型通用有限元分析软件ANSYS建立中小跨径混凝土桥梁的有限元模型备选库，如图1、图2、图3、图4所示。在进行快速检测评估时，可首先将待评估桥梁与标图进行比对，确定待评估桥梁的具体结构形式等信息。而后在有限元模型备选库中找到与待评估桥梁结构形式相近的桥梁有限元模型，只需在已有模型的基础上做少量适当修改，输入现场实测得到的相关信息，就可以快速建立待评估桥梁的初始有限元简化模型。(3)对桥梁有限元模型进行修正为了减小和消除因简化给桥梁模型精确度带来的不利影响，使快速建模得到的有限元简化模型能够更好地反映桥梁实际工作性能，需要对桥梁有限元模型进行修正，即在对桥梁实施无损检测的同时现场开展小荷载静力试验，结合挠度实测值，通过调整配筋情况修正桥梁有限元简化模型的截面抗弯刚度，直至有限元模型模拟试验的挠度结果与实测值接近一致，即相对误差小于1%，完成对桥梁有限元模型的修正。修正过程如图5所示。( 4 )重装备通过桥梁模拟试验将步骤(3)中修正后的桥梁有限元模型施加重装备荷载，开展重装备过桥模拟试验，模拟重装备通过桥梁时的最不利工况，得到重装备作用下待评估桥梁的挠跨比，记为fz/L，其中fz为关键部位最大挠度，L为待评估桥梁的计算跨径。(5)确定桥梁通过性评估标准在工程应用中，通常将结构的材料性能、抗力效应和受到的荷载效应等都用正态分布或对数正态分布来假定。根据工程离散变量的统计特征，一般离散变量的变量定义域往往局限在某个特定的区间，若原变量的变异系数较大时，则分布规律实际成两端截尾的正态分布或对数正态分布。既有桥梁在设计荷载作用下其挠跨比的统计数据符合这一规律，且满足三方差定律，即最大值一般不超过统计均值加三倍方差，最小值一般不小于统计均值减三倍方差。通过得到的桥梁荷载试验的挠度实测数据，按照不同结构形式、不同跨径的混凝土桥梁对实测数据分类、统计，得到了挠跨比统计均值，记为μ O，统计方差，记为ο ;将安全阈值记为μ s= μ ^3 O，危险阈值记为μ d= μ J3 O，根据已知标准跨径与安全阈值μ s和危险阈值P d的对应关系，通过拟合得到了跨径与安全阈值μ s和跨径与危险阈值μ d的关系式及关系曲线，利用关系式可得到各种不同跨径混凝土桥梁对应的安全阈值μ s和危险阈值μ d。 (6)评估桥梁通过性当&/1〈43时，认为待评估桥梁可以满足重装备通过性要求，不需要采取加固措施；当μ s < fz/L< μ d时，认为待评估桥梁局部强度不能满足重装备通过性要求。这时可以根据具体情况进行分载或对局部进行加固以提高原桥通过能力，保障重装备安全通过；当fz/L > μ d时，认为待评估桥梁 整体强度不能满足重装备通过性要求，需对桥梁进行整体加固或设临时支墩缩小跨度，必要时可利用桥梁制式抢修抢建器材快速搭建一座适应重装备通过性要求的临时性桥梁。综上，图6所示为桥梁快速检测评估流程。应用试验例:结合河北省承德市某钢筋混凝土板桥梁等10座桥梁荷载试验，开展了快速检测评估方法与传统荷载试验方法的对比研究，两者评估结果吻合较好。该方法不仅检测评估速度快，而且具有可操作性强和自然环境适应性强等特点，解决了中小跨度混凝土桥梁制约军事装备尤其是重装备机动路径选择的瓶颈问题，具有较高的应用价值。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法，其特征在于包括以下步骤: (1)获取评估所需的桥梁信息 查询桥梁设计资料获取桥梁信息，对于设计资料缺失严重的待评估桥梁，需要进行实施快速无损检测的步骤，以获取桥梁外观及几何尺寸、物理参数等信息，如混凝土桥梁的结构类型、截面形式、计算跨径、支座类型等，并检测混凝土性能和配筋情况；同步利用标准检测车荷载在待评估桥梁上开展现场静力荷载试验，快速实测桥梁挠度； (2)快速建立待评估桥梁的初始有限元简化模型 事先利用大型结构化通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型备选库，在检测评估现场，根据设计资料或通过实施现场无损检测得到的信息，在备选库中选取与待评估桥梁最为接近的有限元模型进行参数化快速建模，建立桥梁初始有限元简化模型； (3)对桥梁有限元模型进行修正 将截面抗弯刚度B作为敏感参数,在有限元简化模型上施加标准检测车荷载，进行模拟试验；将模拟试验的挠度值与标准检测车荷载现场加载的挠度实测值进行对比分析，调整配筋情况修正截面抗弯刚度B，直至两者接近一致(相对误差小于1%)，完成对有限元简化模型的修正； (4)重装备通过桥梁模拟试验 利用修正后的桥梁有限元模型，根据重装备通过桥梁时荷载情况进行模拟试验，得到重装备作用下待评估桥梁的挠跨比，记为fz/L，其中fz为关键部位最大挠度，L为待评估桥梁的计算跨径； (5)确定桥梁通过性评估标准 通过收集大量桥梁荷载试验的挠度实测数据，按照不同结构形式、不同跨径的混凝土桥梁对实测数据分类、统计分析，得到了挠跨比统计均值，记为Utl，统计方差，记为σ ;将安全阈值记为μ s= μ ο~3 σ ,危险阈值记为μ d= μ 0+3 σ ,根据已知标准跨径与安全阈值μ s和危险阈值μ d的对应关系，通过拟合得到了跨径与安全阈值μ s和跨径与危险阈值μ d的关系式及关系曲线；在检测评估现场，利用关系式可以快速得到待评估桥梁对应的安全阈值μ s和危险阈值μ d ； (6)评估桥梁通过性 对比重装备作用下待评估桥梁的挠跨比fz/L与其安全阈值μ s和危险阈值μ d的大小关系，当fz/L〈 μ s时，认为待评估桥梁可以满足重装备通过性要求；当μ s < fz/L< μ d时，认为待评估桥梁局部强度不能满足重装备通过性要求1^时，认为待评估桥梁整体强度不能满足重装备通过性要求。
2.根据权利要求1所述的中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法，其特征在于所述步骤(2)中快速建模的步骤包括:根据步骤(I)中得到的信息，在事先建立的桥梁有限元模型备选库中选取与待评估桥梁最为接近的有限元模型，采用ANSYS参数化建模技术快速建立桥梁初始有限元简化模型。
3.根据权利要求 1所述的中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法，其特征在于所述步骤(3)修正桥梁有限元模型的步骤包括:在桥梁有限元模型上施加标准检测车荷载开展模拟试验，得到模拟试验挠度值，根据步骤(2)中得到的挠度实测值，调整有限元模型的配筋情况修正桥梁截面抗弯刚度B，直至模拟试验挠度值与挠度实测值的相对误差小于1%，即完成对桥梁有限元模型的修正。
4.根据权利要求1所述的中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法，其特征在于所述步骤(4)重装备通过桥梁模拟试验是将步骤(3)中修正后的桥梁有限元模型施加重装备荷载，开展重装备过桥模拟试验，模拟重装备通过桥梁时的最不利工况，得到重装备作用下待评估桥梁的挠跨比，记为fz/L，其中fz为关键部位最大挠度，L为待评估桥梁的计算跨径。
5.根据权利要求1所述的中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法，其特征在于所述步骤(5)确定桥梁通过性评估标准是通过对大量荷载试验实测挠跨比数据的统计分析，利用三方差定律得到了桥梁挠跨比安全阈值μ3=μ(1-3σ，危险阈值Ud= μ J3 σ，并根据已知标准跨径与安全阈值μ s和危险阈值μ d的对应关系，通过拟合得到了跨径与安全阈值Us和跨径与危险阈值μ <!的关系式及关系曲线。6.根据权利要求1所述的中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法，其特征在于所述步骤(6)评估桥梁通过性是根据重装备作用下待评估桥梁的挠跨比fz/L与其安全阈值μ s和危险阈值μ d的大小关系得出结论的，当fz/L〈y s时，认为待评估桥梁可以满足重装备通过性要求；当μ s彡fz/L<yd时，认为待评估桥梁 局部强度不能满足重装备通过性要求；当fz/L彡μ d时，认为待评估桥梁整体强度不能满足重装备通过性要求。
全文摘要
本发明涉及一种中小跨度混凝土桥梁重装备通过性的快速检测评估方法，将挠跨比作为桥梁快速检测评估指标，减少了现场检测工作内容、简化了桥梁评估工作流程，有效缩短了检测评估时间，能够快速对中小跨度公路混凝土桥梁是否满足重装备通过性要求做出准确评估。本发明可在桥梁设计、养护资料严重缺失的情况下，将单座中小跨度混凝土桥梁的检测评估时间，由现行的3～7天缩短到6小时以内。
文档编号G01M5/00GK103196642SQ20131010220
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者李海超, 常春伟, 王海良, 刘锡鑫, 张艳萍, 管晔, 王晓安 申请人:中国人民解放军军事交通学院