專利名稱：中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橋梁檢測與評定技術(shù)，尤其是中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法。
背景技術(shù)：
隨著我軍使命任務的拓展，軍事重裝備公路機動呈現(xiàn)出頻率增加、范圍擴大的趨勢，中小跨度混凝土橋梁的軍事重裝備通過性問題經(jīng)常成為制約部隊機動路徑選擇的瓶頸。目前，既有橋梁檢測評估方法普遍存在現(xiàn)場檢測內(nèi)容多、檢測評估時間長、數(shù)據(jù)處理繁瑣、可操作性差等缺點，無法滿足軍事交通保障中重裝備通過性快速檢測評估的要求。以目前國內(nèi)最為常用的荷載試驗法為例，僅現(xiàn)場安裝應力傳感器這一項就非常繁瑣耗時，再加上前期其他試驗準備工作和后期試驗數(shù)據(jù)的處理，荷載試驗法通常需要3天甚至一周的時間才能給出評估結(jié)論。軍事運輸尤其是重裝備運輸對時效性要求極高，這就對我們提出了更高的要求，如何研發(fā)一種快速檢測評估方法，實現(xiàn)對中小跨徑混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估，進而為選擇合理的搶修搶建措施提供依據(jù)，以保障軍事裝備尤其是重裝備安全通過橋梁。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有橋梁檢測評估方法操作繁瑣、耗時過長的不足，本發(fā)明提供一種橋梁快速檢測評估方法，可以快速對中小跨度公路混凝土橋梁是否滿足重裝備通過性要求做出準確評估。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是:( I)獲取評估所需的橋梁信息查詢橋梁設計資料獲取橋梁信息，對于設計資料缺失嚴重的待評估橋梁，需要進行實施快速無損檢測的步驟，以獲取橋梁外觀及幾何尺寸、物理參數(shù)等信息，如混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)類型、截面形式、計算跨徑、支座類型等，并檢測混凝土性能和配筋情況。同步利用標準檢測車荷載在待評估橋梁上開展現(xiàn)場靜力荷載試驗，快速實測橋梁撓度；(2)快速建立待評估橋梁的初始有限元簡化模型事先利用大型結(jié)構(gòu)化通用有限元軟件ANSYS建立橋梁有限元模型備選庫，在檢測評估現(xiàn)場，根據(jù)設計資料或通過實施現(xiàn)場無損檢測得到的信息，在備選庫中選取與待評估橋梁最為接近的有限元模型進行參數(shù)化快速建模，建立橋梁初始有限元簡化模型；(3)對橋梁有限元模型進行修正將截面抗彎剛度B作為敏感參數(shù),在有限元簡化模型上施加標準檢測車荷載,進行模擬試驗。將模擬試驗的撓度值與標準檢測車荷載現(xiàn)場加載的撓度實測值進行對比分析，調(diào)整配筋情況修正截面抗彎剛度B，直至兩者接近一致(相對誤差小于1%)，完成對有限元簡化模型的修正；(4)重裝備通過橋梁模擬試驗利用修正后的橋梁有限元模型，根據(jù)重裝備通過橋梁時荷載情況進行模擬試驗，得到重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比；(5)確定橋梁通過性評估標準通過收集大量橋梁荷載試驗的撓度實測數(shù)據(jù)，按照不同結(jié)構(gòu)形式、不同跨徑的混凝土橋梁對實測數(shù)據(jù)分類、統(tǒng)計分析，得到了撓跨比統(tǒng)計均值，記為μ C1，統(tǒng)計方差，記為σ ;將安全閾值記為μ s=y 0_3 O，危險閾值記為μ d=y d+3 O，根據(jù)已知標準跨徑與安全閾值Us和危險閾值Ud的對應關(guān)系，通過擬合得到了跨徑與安全閾值Us和跨徑與危險閾值Ud的關(guān)系式及關(guān)系曲線 。在檢測評估現(xiàn)場，利用關(guān)系式可以快速得到待評估橋梁對應的安全閾值μ s和危險閾值μ d。(6)評估橋梁通過性對比重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比fz/L與其安全閾值μ s和危險閾值μ d的大小關(guān)系，當fz/L〈y s時，認為待評估橋梁可以滿足重裝備通過性要求；當μ s彡fz/L<yd時，認為待評估橋梁局部強度不能滿足重裝備通過性要求；當fz/L ^ μ d時，認為待評估橋梁整體強度不能滿足重裝備通過性要求。所述步驟(I)中快速無損檢測的步驟包括:橋梁外觀及幾何尺寸檢測、混凝土性能檢測和混凝土配筋情況檢測。其中: (I)橋梁外觀及幾何尺寸檢測采取目測、借助簡單測量工具等手段，獲取待評估中小跨徑混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)形式、跨徑等信息。對于橋跨截面尺寸的測量，尤其對于橋梁跨越溝壑、河流無法接觸測量的情況，可借助無棱鏡全站儀完成。無棱鏡全站儀，是指不需要反射棱鏡作為合作目標就可以進行測距的全站儀。(2)混凝土性能檢測混凝土的抗壓強度是其各種物理力學性能指標的綜合反映，混凝土性能檢測主要是針對混凝土抗壓強度的檢測。對混凝土抗壓強度的檢測可采用回彈法，回彈法是根據(jù)混凝土的表面硬度與抗壓強度之間存在著特定相關(guān)性而發(fā)展起來的一種混凝土強度測試方法，可借助回彈儀完成。( 3 )混凝土配筋情況檢測對混凝土配筋情況的檢測采用電磁感應法，電磁感應法是利用電磁感應原理檢測混凝土構(gòu)件中鋼筋分布情況的測試方法，可借助鋼筋定位儀完成。所述步驟(I)中快速無損檢測的步驟還包括撓度檢測。在對橋梁進行無損檢測的同時利用標準檢測車荷載開展靜力荷載試驗，在現(xiàn)場靜力荷載試驗中必須快速準確獲取橋梁關(guān)鍵部位的撓度變化，為修正有限元模型提供參照。對橋梁撓度的檢測采用光電圖像測量法，可借助光電撓度儀完成。所述步驟(4)重裝備通過橋梁模擬試驗是將步驟(3)中修正后的橋梁有限元模型施加重裝備荷載，開展重裝備過橋模擬試驗，模擬重裝備通過橋梁時的最不利工況，得到重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比，記為fz/L，其中fz為關(guān)鍵部位最大撓度，L為待評估橋梁的計算跨徑。本發(fā)明的工作原理為:混凝土橋梁是按照承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)設計的，相應地，橋梁承載能力狀況評估指標也就有兩種:材料應力水平等承載能力極限狀態(tài)指標和撓度、裂縫等正常使用極限狀態(tài)指標。對于一座在役橋梁而言，撓跨比(正常使用極限狀態(tài)指標)與應力水平(承載能力極限狀態(tài)指標)在本質(zhì)上是一致的。因此通過分析計算撓度(或撓跨比)可以準確反映橋梁工作情況，技術(shù)方案將重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比作為判斷橋梁裝備通過性的評估指標是可行的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:(I)由于撓度檢測相對應力檢測更便于現(xiàn)場操作實施，因此，本發(fā)明將撓跨比作為橋梁快速檢測評估指標，減少了現(xiàn)場檢測工作內(nèi)容、簡化了橋梁評估工作流程，有效縮短了檢測評估時間；(2)建立了中小跨度混凝土橋梁的有限元模型庫，有效縮短了現(xiàn)場的橋梁建模時間；(3)研究提出利用小荷載靜力荷載試驗的撓度結(jié)果修正簡化模型，利用修正后的簡化模型開展模擬試驗，進行橋梁的快速檢測評估，在縮短檢測評估時間的同時，避免了軍事重裝備和橋梁的使用風險；(4)首次建立中小跨度混凝土橋梁跨徑與撓跨比安全閾值和跨徑與撓跨比危險閾值的關(guān)系式和關(guān)系曲線，為標準和非標準跨徑橋梁的快速評估提供了依據(jù)；(5)通過綜合運用上述技術(shù)和方法，可在橋梁設計、養(yǎng)護資料嚴重缺失的情況下，將單座中小跨度混凝土橋梁的檢測評估時間，由現(xiàn)行的3 7天縮短到6小時以內(nèi)。


圖1所示為板梁橋有限元模型示意圖；圖2所示為T形梁橋有限元模型示意圖；圖3所示為箱梁橋有限元模型示意圖；圖4所示為拱橋有限元模型示意圖；圖5所示為有限元模型修正流程圖；圖6所示為橋梁快速檢測評估流程。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實施例:中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法，其特征在于包括以下步驟:( I)獲取評估所需的橋梁設計信息查詢橋梁設計資料獲取橋梁信息，對于設計資料缺失嚴重的待評估橋梁，需要進行實施快速無損檢測的步驟，以獲取橋梁外觀及幾何尺寸、物理參數(shù)等信息，如混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)類型、截面形式、計算跨徑、支座類型等，并檢測混凝土性能和配筋情況。同步利用標準檢測車荷載在待評估橋梁上開展現(xiàn)場靜力荷載試驗，快速實測橋梁撓度；所述步驟(I)中快速無損檢測的步驟包括:橋梁外觀及幾何尺寸檢測、混凝土性能檢測和混凝土配筋情況檢測，具體來說:橋梁外觀及幾何尺寸檢測是采取目測、借助簡單測量工具等手段，獲取待評估中小跨徑混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)形式、跨徑等信息。對于橋跨截面尺寸的測量，尤其對于橋梁跨越溝壑、河流無法接觸測量的情況，可借助無棱鏡全站儀完成。無棱鏡全站儀，是指不需要反射棱鏡作為合作目標就可以進行測距的全站儀?；炷列阅軝z測是混凝土的抗壓強度是其各種物理力學性能指標的綜合反映，混凝土性能檢測主要是針對混凝土抗壓強度的檢測。對混凝土抗壓強度的檢測可采用回彈法，回彈法是根據(jù)混凝土的表面硬度與抗壓強度之間存在著特定相關(guān)性而發(fā)展起來的一種混凝土強度測試方法，可借助回彈儀完成。混凝土配筋情況檢測是對混凝土配筋情況的檢測采用電磁感應法，電磁感應法是利用電磁感應原理檢測混凝土構(gòu)件中鋼筋分布情況的測試方法，可借助鋼筋定位儀完成。
所述步驟(I)中快速無損檢測的步驟還包括撓度檢測。所述撓度檢測是在對橋梁進行無損檢測的同時利用標準檢測車荷載開展靜力荷載試驗，在現(xiàn)場靜力荷載試驗中必須快速準確獲取橋梁關(guān)鍵部位的撓度變化，為修正有限元模型提供參照。對橋梁撓度的檢測采用光電圖像測量法，可借助光電撓度儀完成。(2)快速建立待評估橋梁的初始有限元簡化模型一般地，為了便于設計、施工、養(yǎng)護，以及經(jīng)濟成本等原因，中小跨度混凝土橋梁通常按標準設計圖設計建造，《公路工程技術(shù)標準》(JTG B01-2003)也明確規(guī)定:橋涵的跨徑小于或等于50米時，宜采用標準化跨徑。因此，可根據(jù)交通部門頒布的標準跨徑混凝土橋梁通用設計圖紙進行參數(shù)化建模，利用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立中小跨徑混凝土橋梁的有限元模型備選庫，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。在進行快速檢測評估時，可首先將待評估橋梁與標圖進行比對，確定待評估橋梁的具體結(jié)構(gòu)形式等信息。而后在有限元模型備選庫中找到與待評估橋梁結(jié)構(gòu)形式相近的橋梁有限元模型，只需在已有模型的基礎(chǔ)上做少量適當修改，輸入現(xiàn)場實測得到的相關(guān)信息，就可以快速建立待評估橋梁的初始有限元簡化模型。(3)對橋梁有限元模型進行修正為了減小和消除因簡化給橋梁模型精確度帶來的不利影響，使快速建模得到的有限元簡化模型能夠更好地反映橋梁實際工作性能，需要對橋梁有限元模型進行修正，即在對橋梁實施無損檢測的同時現(xiàn)場開展小荷載靜力試驗，結(jié)合撓度實測值，通過調(diào)整配筋情況修正橋梁有限元簡化模型的截面抗彎剛度，直至有限元模型模擬試驗的撓度結(jié)果與實測值接近一致，即相對誤差小于1%，完成對橋梁有限元模型的修正。修正過程如圖5所示。( 4 )重裝備通過橋梁模擬試驗將步驟(3)中修正后的橋梁有限元模型施加重裝備荷載，開展重裝備過橋模擬試驗，模擬重裝備通過橋梁時的最不利工況，得到重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比，記為fz/L，其中fz為關(guān)鍵部位最大撓度，L為待評估橋梁的計算跨徑。(5)確定橋梁通過性評估標準在工程應用中，通常將結(jié)構(gòu)的材料性能、抗力效應和受到的荷載效應等都用正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布來假定。根據(jù)工程離散變量的統(tǒng)計特征，一般離散變量的變量定義域往往局限在某個特定的區(qū)間，若原變量的變異系數(shù)較大時，則分布規(guī)律實際成兩端截尾的正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。既有橋梁在設計荷載作用下其撓跨比的統(tǒng)計數(shù)據(jù)符合這一規(guī)律，且滿足三方差定律，即最大值一般不超過統(tǒng)計均值加三倍方差，最小值一般不小于統(tǒng)計均值減三倍方差。通過得到的橋梁荷載試驗的撓度實測數(shù)據(jù)，按照不同結(jié)構(gòu)形式、不同跨徑的混凝土橋梁對實測數(shù)據(jù)分類、統(tǒng)計，得到了撓跨比統(tǒng)計均值，記為μ O，統(tǒng)計方差，記為ο ;將安全閾值記為μ s= μ ^3 O，危險閾值記為μ d= μ J3 O，根據(jù)已知標準跨徑與安全閾值μ s和危險閾值P d的對應關(guān)系，通過擬合得到了跨徑與安全閾值μ s和跨徑與危險閾值μ d的關(guān)系式及關(guān)系曲線，利用關(guān)系式可得到各種不同跨徑混凝土橋梁對應的安全閾值μ s和危險閾值μ d。 (6)評估橋梁通過性當&/1〈43時，認為待評估橋梁可以滿足重裝備通過性要求，不需要采取加固措施；當μ s < fz/L< μ d時，認為待評估橋梁局部強度不能滿足重裝備通過性要求。這時可以根據(jù)具體情況進行分載或?qū)植窟M行加固以提高原橋通過能力，保障重裝備安全通過；當fz/L > μ d時，認為待評估橋梁 整體強度不能滿足重裝備通過性要求，需對橋梁進行整體加固或設臨時支墩縮小跨度，必要時可利用橋梁制式搶修搶建器材快速搭建一座適應重裝備通過性要求的臨時性橋梁。綜上，圖6所示為橋梁快速檢測評估流程。應用試驗例:結(jié)合河北省承德市某鋼筋混凝土板橋梁等10座橋梁荷載試驗，開展了快速檢測評估方法與傳統(tǒng)荷載試驗方法的對比研究，兩者評估結(jié)果吻合較好。該方法不僅檢測評估速度快，而且具有可操作性強和自然環(huán)境適應性強等特點，解決了中小跨度混凝土橋梁制約軍事裝備尤其是重裝備機動路徑選擇的瓶頸問題，具有較高的應用價值。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出的是，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法，其特征在于包括以下步驟: (1)獲取評估所需的橋梁信息 查詢橋梁設計資料獲取橋梁信息，對于設計資料缺失嚴重的待評估橋梁，需要進行實施快速無損檢測的步驟，以獲取橋梁外觀及幾何尺寸、物理參數(shù)等信息，如混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)類型、截面形式、計算跨徑、支座類型等，并檢測混凝土性能和配筋情況；同步利用標準檢測車荷載在待評估橋梁上開展現(xiàn)場靜力荷載試驗，快速實測橋梁撓度； (2)快速建立待評估橋梁的初始有限元簡化模型 事先利用大型結(jié)構(gòu)化通用有限元軟件ANSYS建立橋梁有限元模型備選庫，在檢測評估現(xiàn)場，根據(jù)設計資料或通過實施現(xiàn)場無損檢測得到的信息，在備選庫中選取與待評估橋梁最為接近的有限元模型進行參數(shù)化快速建模，建立橋梁初始有限元簡化模型； (3)對橋梁有限元模型進行修正 將截面抗彎剛度B作為敏感參數(shù),在有限元簡化模型上施加標準檢測車荷載，進行模擬試驗；將模擬試驗的撓度值與標準檢測車荷載現(xiàn)場加載的撓度實測值進行對比分析，調(diào)整配筋情況修正截面抗彎剛度B，直至兩者接近一致(相對誤差小于1%)，完成對有限元簡化模型的修正； (4)重裝備通過橋梁模擬試驗 利用修正后的橋梁有限元模型，根據(jù)重裝備通過橋梁時荷載情況進行模擬試驗，得到重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比，記為fz/L，其中fz為關(guān)鍵部位最大撓度，L為待評估橋梁的計算跨徑； (5)確定橋梁通過性評估標準 通過收集大量橋梁荷載試驗的撓度實測數(shù)據(jù)，按照不同結(jié)構(gòu)形式、不同跨徑的混凝土橋梁對實測數(shù)據(jù)分類、統(tǒng)計分析，得到了撓跨比統(tǒng)計均值，記為Utl，統(tǒng)計方差，記為σ ;將安全閾值記為μ s= μ ο~3 σ ,危險閾值記為μ d= μ 0+3 σ ,根據(jù)已知標準跨徑與安全閾值μ s和危險閾值μ d的對應關(guān)系，通過擬合得到了跨徑與安全閾值μ s和跨徑與危險閾值μ d的關(guān)系式及關(guān)系曲線；在檢測評估現(xiàn)場，利用關(guān)系式可以快速得到待評估橋梁對應的安全閾值μ s和危險閾值μ d ； (6)評估橋梁通過性 對比重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比fz/L與其安全閾值μ s和危險閾值μ d的大小關(guān)系，當fz/L〈 μ s時，認為待評估橋梁可以滿足重裝備通過性要求；當μ s < fz/L< μ d時，認為待評估橋梁局部強度不能滿足重裝備通過性要求1^時，認為待評估橋梁整體強度不能滿足重裝備通過性要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法，其特征在于所述步驟(2)中快速建模的步驟包括:根據(jù)步驟(I)中得到的信息，在事先建立的橋梁有限元模型備選庫中選取與待評估橋梁最為接近的有限元模型，采用ANSYS參數(shù)化建模技術(shù)快速建立橋梁初始有限元簡化模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法，其特征在于所述步驟(3)修正橋梁有限元模型的步驟包括:在橋梁有限元模型上施加標準檢測車荷載開展模擬試驗，得到模擬試驗撓度值，根據(jù)步驟(2)中得到的撓度實測值，調(diào)整有限元模型的配筋情況修正橋梁截面抗彎剛度B，直至模擬試驗撓度值與撓度實測值的相對誤差小于1%，即完成對橋梁有限元模型的修正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法，其特征在于所述步驟(4)重裝備通過橋梁模擬試驗是將步驟(3)中修正后的橋梁有限元模型施加重裝備荷載，開展重裝備過橋模擬試驗，模擬重裝備通過橋梁時的最不利工況，得到重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比，記為fz/L，其中fz為關(guān)鍵部位最大撓度，L為待評估橋梁的計算跨徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法，其特征在于所述步驟(5)確定橋梁通過性評估標準是通過對大量荷載試驗實測撓跨比數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，利用三方差定律得到了橋梁撓跨比安全閾值μ3=μ(1-3σ，危險閾值Ud= μ J3 σ，并根據(jù)已知標準跨徑與安全閾值μ s和危險閾值μ d的對應關(guān)系，通過擬合得到了跨徑與安全閾值Us和跨徑與危險閾值μ <!的關(guān)系式及關(guān)系曲線。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法，其特征在于所述步驟(6)評估橋梁通過性是根據(jù)重裝備作用下待評估橋梁的撓跨比fz/L與其安全閾值μ s和危險閾值μ d的大小關(guān)系得出結(jié)論的，當fz/L〈y s時，認為待評估橋梁可以滿足重裝備通過性要求；當μ s彡fz/L<yd時，認為待評估橋梁 局部強度不能滿足重裝備通過性要求；當fz/L彡μ d時，認為待評估橋梁整體強度不能滿足重裝備通過性要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中小跨度混凝土橋梁重裝備通過性的快速檢測評估方法，將撓跨比作為橋梁快速檢測評估指標，減少了現(xiàn)場檢測工作內(nèi)容、簡化了橋梁評估工作流程，有效縮短了檢測評估時間，能夠快速對中小跨度公路混凝土橋梁是否滿足重裝備通過性要求做出準確評估。本發(fā)明可在橋梁設計、養(yǎng)護資料嚴重缺失的情況下，將單座中小跨度混凝土橋梁的檢測評估時間，由現(xiàn)行的3～7天縮短到6小時以內(nèi)。
文檔編號G01M5/00GK103196642SQ20131010220
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者李海超, 常春偉, 王海良, 劉錫鑫, 張艷萍, 管曄, 王曉安 申請人:中國人民解放軍軍事交通學院