專利名稱：混凝土橋梁收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交通運(yùn)輸業(yè)橋涵工程領(lǐng)域，特別是涉及一種考慮時(shí)變性和不確定性的混凝土橋梁收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁以其跨越能力強(qiáng)、施工技術(shù)成熟、行車舒適、工程造價(jià)低、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在橋梁工程領(lǐng)域具有廣闊的工程應(yīng)用前景。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)已建橋梁中，混凝土橋梁在所有橋型中所占的比例最大其中歐洲和美國(guó)的混凝土橋梁占所建橋梁的70%以上；我國(guó)比例更大，混凝土橋梁占90%以上。隨著混凝土橋梁設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的不斷成熟，高性能高強(qiáng)混凝土材料的不斷進(jìn)步，混凝土橋梁由簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)、小跨徑連續(xù)結(jié)構(gòu)、逐漸發(fā)展到大跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，而且不同橋型的跨徑也在不斷刷新。在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁飛速發(fā)展的同時(shí)，其建成的大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)也逐漸出現(xiàn)了不同程度的病害。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋主要采用箱形結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)營(yíng)數(shù)年后，70%以上的大跨徑連續(xù)箱梁橋都出現(xiàn)了不同程度的病害，其中主梁跨中下?lián)吓c箱梁1/4L左右腹板開(kāi)裂尤為突出，成為制約大跨徑混凝土橋梁進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題。如，1994年建成的廣東南海金沙大橋?yàn)榇罂鐝筋A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，6年后跨中下?lián)线_(dá)22cm，箱梁腹板出現(xiàn)大量斜裂縫；1995年建成的黃石長(zhǎng)江大橋?yàn)樘卮罂鐝筋A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨中下?lián)犀F(xiàn)已達(dá)70cm，箱梁也出現(xiàn)大量裂縫。許多連橋梁經(jīng)過(guò)加固處理后，跨中下?lián)吓c箱梁腹板開(kāi)裂仍不能得到很好控制，橋梁結(jié)構(gòu)安全受到嚴(yán)重威脅，在社會(huì)上造成了不良影響，給國(guó)家?guī)?lái)了巨大經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分析這些病害問(wèn)題后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致箱梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)跨中下?lián)吓c腹板開(kāi)裂病害的主要原因有①混凝土收縮徐變大。高強(qiáng)混凝土收縮徐變機(jī)理認(rèn)識(shí)不充分，目前橋梁結(jié)構(gòu)的各種收縮徐變計(jì)算方法，計(jì)算得到的跨中下?lián)现迪嗖钸_(dá)30%以上，理論計(jì)算與橋梁實(shí)際受力狀態(tài)存在明顯差異。②大跨混凝土橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失大?；炷潦湛s徐變和鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失在總損失中占到30%以上，是混凝土橋梁長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失的主要影響因素，決定橋梁結(jié)構(gòu)的有效預(yù)應(yīng)力，但目前相關(guān)的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果差別較大，是影響橋梁結(jié)構(gòu)跨中下?lián)吓c腹板開(kāi)裂病害的主要因素之一。針對(duì)以上問(wèn)題，目前混凝土橋梁控制跨中下?lián)吓c腹板開(kāi)裂病害的主要方法有① 增加梁體預(yù)拱度，改變預(yù)應(yīng)力筋的布置方式。②上部結(jié)構(gòu)部分采用鋼箱梁或部分采用鋼腹板提高腹板抗剪能力。③對(duì)既有跨中下?lián)吓c箱梁開(kāi)裂的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。這些技術(shù)在一定程度上減緩了跨中下?lián)吓c箱梁開(kāi)裂病害，但這些技術(shù)均不是針對(duì)混凝土橋梁收縮徐變和預(yù)應(yīng)力損失等主要病害原因而提出的解決方法，因而為能從根本上解決混凝土橋梁的病害問(wèn)題，進(jìn)一步完善和改進(jìn)收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失分析理論及計(jì)算方法是目前迫切需要解決的問(wèn)題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種混凝土橋梁收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法，利用按齡期調(diào)整的有效模量法考慮其時(shí)變性，利用拉丁超立方抽樣法考慮其不確定性，達(dá)到兩種方法計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮時(shí)變性和不確定性的目的。該方法在設(shè)計(jì)時(shí)能夠多重考慮橋梁結(jié)構(gòu)的不利受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果保證率更高、結(jié)構(gòu)安全性更好。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是混凝土橋梁收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法，包括混凝土橋梁收縮徐變計(jì)算方法是根據(jù)拉丁超立方抽樣隨機(jī)有限元法得到不確定性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果，根據(jù)統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果得到混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)的集合區(qū)間， 然后根據(jù)混凝土收縮徐變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、按齡期調(diào)整的有效模量函數(shù)、集合區(qū)間和疊加原理獲得混凝土橋梁收縮徐變計(jì)算公式，形成一種考慮時(shí)變性和不確定性的混凝土橋梁收縮徐變分析方法，并在有限元分析軟件中實(shí)現(xiàn)該收縮徐變計(jì)算方法。混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法是根據(jù)拉丁超立方抽樣隨機(jī)有限元法得到不確定性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合混凝土收縮徐變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、按齡期調(diào)整的有效模量函數(shù)和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得到混凝土收縮應(yīng)變、徐變系數(shù)和鋼筋應(yīng)力松弛等綜合作用引起的預(yù)應(yīng)力損失集合區(qū)間，根據(jù)集合區(qū)間獲得混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式， 形成考慮收縮徐變和應(yīng)力松弛的混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法。所述的計(jì)算方法，混凝土橋梁收縮徐變計(jì)算方法中，不確定性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果、收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)的集合區(qū)間是按照下述方法得到的A)引入不確定性參數(shù)仍、約、約、φ4、外分別表示名義徐變系數(shù)、名義收縮系數(shù)的不確定性、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)。m、環(huán)境相對(duì)濕度RH和預(yù)應(yīng)力荷載影響因素的作用；B)得到各不確定性參數(shù)約基于標(biāo)準(zhǔn)值的置信界限為l-α的置信區(qū)間
權(quán)利要求
1.混凝土橋梁收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法，其特征在于混凝土橋梁收縮徐變計(jì)算方法是根據(jù)拉丁超立方抽樣隨機(jī)有限元法得到不確定性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果，根據(jù)統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果得到混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)的集合區(qū)間，然后根據(jù)混凝土收縮徐變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、按齡期調(diào)整的有效模量函數(shù)、集合區(qū)間和疊加原理獲得混凝土橋梁收縮徐變計(jì)算公式，形成一種考慮時(shí)變性和不確定性的混凝土橋梁收縮徐變分析方法，并在有限元分析軟件中實(shí)現(xiàn)該收縮徐變計(jì)算方法；混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法是根據(jù)拉丁超立方抽樣隨機(jī)有限元法得到不確定性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合混凝土收縮徐變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、按齡期調(diào)整的有效模量函數(shù)和預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得到混凝土收縮應(yīng)變、徐變系數(shù)和鋼筋應(yīng)力松弛綜合作用引起的預(yù)應(yīng)力損失集合區(qū)間，根據(jù)集合區(qū)間獲得混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式，形成考慮收縮徐變和應(yīng)力松弛的混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于，混凝土橋梁收縮徐變的計(jì)算方法中， 不確定性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果、收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)的集合區(qū)間是按照下述方法得到的A)引入不確定性參數(shù)仍、約、約、外、外分別表示名義徐變系數(shù)、名義收縮系數(shù)的不確定性、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)。m、環(huán)境相對(duì)濕度RH和預(yù)應(yīng)力荷載影響因素的作用；B)得到各不確定性參數(shù)約基于標(biāo)準(zhǔn)值的置信界限為l-α的置信區(qū)間 - σ _ σ W-IΜ、a,I^r +^Ζα,2 = Ψ,Ψ(1)V yln^ln )式(1)中，α取值0.05，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，η為樣本數(shù)，ζα/2為正態(tài)分布置信界限值，2為約的置信區(qū)間下界，歹為仍的置信區(qū)間上界，i取值1、2···5 ；C)根據(jù)不確定性參數(shù)約的置信區(qū)間，將區(qū)間進(jìn)行η等分，得到η+1個(gè)邊界點(diǎn)和η個(gè)子區(qū)間，然后根據(jù)式(1)對(duì)實(shí)際橋梁的各不確定性參數(shù)約進(jìn)行取樣；對(duì)名義徐變系數(shù)、名義收縮系數(shù)的不確定性參數(shù)夠、終，在每個(gè)子區(qū)間通過(guò)拉丁超立方抽樣法隨機(jī)抽取一個(gè)樣本，然后對(duì)所有樣本隨機(jī)排列統(tǒng)計(jì)評(píng)估；D)根據(jù)公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合步驟C的統(tǒng)計(jì)評(píng)估的結(jié)果，得到收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)集合區(qū)間'^cs(tJs) = fPlfPs^csO -PAt-K)sMhfcm)-(fhPim-1,0、\φ & φ,φ(2)φ( , 0) = φιφ5φ0· Pc(t-t0)LΦο =^RH-PMcJ-P(tO)式⑵中，ε。s(1為混凝土名義收縮系數(shù)，￡。s(t，ts)為收縮開(kāi)始齡期為ts、計(jì)算齡期為 t的收縮應(yīng)變，3s(t_ts)為收縮隨時(shí)間發(fā)展的系數(shù)，β 為收縮與年平均濕度相關(guān)的系數(shù)， ~(約/,J為收縮與混凝土抗壓強(qiáng)度相關(guān)的系數(shù)，并且、(Ψ Jcm) = [160 + 101 (9 —警)]· 10—6(2a)β s。為依水泥種類而定的系數(shù)，Φ。為混凝土名義徐變系數(shù)，Φ (t,t0)為加載齡期為tQ、 計(jì)算齡期為t的徐變系數(shù)，β。α_、)為加載后隨時(shí)間發(fā)展的系數(shù)，Φκη為徐變與年平均濕度相關(guān)的系數(shù)，A(約為徐變與混凝土抗壓強(qiáng)度相關(guān)的系數(shù)，并且
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計(jì)算方法，其特征在于，得到混凝土橋梁收縮徐變計(jì)算公式的方法為A)對(duì)加載齡期為、且應(yīng)力連續(xù)變化的混凝土結(jié)構(gòu)，任意時(shí)刻t的混凝土收縮徐變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的計(jì)算方法，其特征在于有限元分析軟件中實(shí)現(xiàn)該收縮徐變的計(jì)算方法是通過(guò)APDL語(yǔ)言進(jìn)行處理的，其處理步驟包括首先在ANSYS程序計(jì)算前處理模塊中嵌入混凝土彈性模量隨齡期調(diào)整的時(shí)隨變化函數(shù)，即對(duì)按齡期調(diào)整的有效模量進(jìn)行時(shí)變性分析；然后在ANSYS程序計(jì)算后處理模塊中，利用APDL語(yǔ)言編制PDS模塊實(shí)現(xiàn)不確定性統(tǒng)計(jì)分析流程，賦予隨機(jī)變量分布函數(shù)類型，通過(guò)隨機(jī)變量參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法分析參數(shù)置區(qū)間，對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行收縮徐變不確定性分析t
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法中， 得到不確定性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果，以及混凝土收縮應(yīng)變、徐變系數(shù)和鋼筋應(yīng)力松弛相互作用引起的預(yù)應(yīng)力損失集合區(qū)間的方法為A)引入不確定性參數(shù)XpXyXyXpX5分別代表混凝土橋梁徐變系數(shù)、收縮應(yīng)變的不確定性系數(shù)、混凝土觀天立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)。m、環(huán)境相對(duì)濕度RH和鋼筋應(yīng)力松弛的不確定性的影響；B)得到各不確定性參數(shù)Xi基于標(biāo)準(zhǔn)值的置信界限為l-α的置信區(qū)間
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計(jì)算方法，其特征在于，得到預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式的方法為 A)混凝土應(yīng)力平衡方程為
全文摘要
本發(fā)明提供了一種混凝土橋梁收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法。本發(fā)明利用按齡期調(diào)整的有效模量法(簡(jiǎn)稱AEMM法)分析混凝土的時(shí)變性，運(yùn)用準(zhǔn)確、快速抽樣的拉丁超立方抽樣隨機(jī)有限元法(簡(jiǎn)稱LHS法)分析混凝土的不確定性，獲得同時(shí)考慮時(shí)變性和不確定性的混凝土橋梁收縮徐變分析方法；根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋和混凝土應(yīng)力平衡方程及變形協(xié)同條件，基于AEMM法和LHS法，推導(dǎo)同時(shí)考慮收縮徐變時(shí)變性和不確定性、及其與鋼筋應(yīng)力松弛相互作用的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式，形成考慮收縮徐變和應(yīng)力松弛的混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法。本發(fā)明計(jì)算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值域區(qū)間，在設(shè)計(jì)時(shí)能夠多重考慮橋梁結(jié)構(gòu)的不利受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果保證率更高、結(jié)構(gòu)安全性更好。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102323976SQ20111017200
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者劉沐宇, 盧志芳, 高宗余 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)