桥梁结构抗力衰减分析

近年来我国进一步加大了基础设施建设, 桥涵事业得到了很大的发展, 我国大部分桥梁已经使用多年, 加上车流量和超载现象的日趋增多, 其结构性能逐渐退化, 出现各种损伤, 为保证结构物的安全性, 对桥梁结构进行损伤检测、衰减分析是非常有必要的, 不仅可以得出适用于桥梁加固的力学参考数据, 还可以通过分析、检测研究出结构抗力衰减的形式及产生的原因, 进一步深入了解其原理, 为以后优化桥梁工程设计与施工提供参考。

1 桥梁结构抗力衰减的形式

桥梁结构的建立目的在于使桥梁在设计基准期内, 完成预期的使用功能。但由于设计、施工、勘探及使用过程中多种因素影响, 桥梁不可避免出现各种不同程度的隐患、缺陷或损伤, 导致结构的安全、适用和耐久度下降。

通常来讲, 桥梁的结构衰减形式主要为两方面。

(1) 混凝土开裂:梁体混凝土开裂是一种较为普遍的现象, 混凝土开裂部位可将其分为梁顶、底板开裂、腹板开裂、齿板开裂等。按成因分为结构裂缝和非结构裂缝。结构裂缝是指混凝土所受拉应变超过极限应变而出现的开裂现象, 混凝土收缩、徐变、温差都可以引起非结构混凝土裂缝产生。

(2) 受力筋锈蚀将导致混凝土结构有效截面的骤降, 钢筋由于锈蚀引起的体积膨胀会导致混凝土开裂或表面混凝土的成块脱落, 混凝土开裂后使原有处在混凝土保护层下的钢筋暴露于空气中, 由此形成恶性循环。

2 桥梁结构抗力衰减分析

在大气环境中, 桥梁结构的材料随着时间的增长逐渐老化, 使材料的性能及强度下降, 组成结构的一些活性材料随着时间的增长会发生缓慢的化学反应, 这种反应不仅使结构材料的化学成分发生变化, 且会因为生产的新物质产生的膨胀压力使结构发生破坏。桥梁结构承受超过设计标准的车辆荷载、在不变何在作用下结构的蠕变也导致结构的累积损伤。

本文主要考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀几钢筋混凝土强度对桥梁结构抗力衰减的影响。然后监理多因素综合作用下结构抗力衰减模型。其中的重点是钢筋锈蚀, 考虑了全面锈蚀及局部锈蚀两种锈蚀模型。

假定将非平稳随机过程平稳化, 设结构抗力函数:

式中g (t) 为抗力衰减函数;R0为结构初始抗力。

国内外许多学者建议将抗力衰减函数g (t) 表示为时间的二次函数:

该函数浅显易懂, 系数可通过实验总结拟合获取, 计算简单方便, 对于一般项目计算基本可以满足精度要求。但式 (2) 未考虑钢筋锈蚀、混凝土裂缝等强度降低等因素对结构抗力下降的影响。假定钢筋锈蚀、混凝土开裂等导致结构强度降低导致抗力衰减的因素相互独立作用, 可建立多因素综合作用下结构抗力的衰减模型, 则抗力衰减函数可表示为:

将 (3) 代入 (1) 得:

式 (3) 、 (4) 中A (t) 为钢筋横截面面积随时间的变化函数;fcm (t) 、fy (t) 分别为混凝土抗压强度随时间的变化函数和钢筋抗拉强度随时间的变化函数。

抗衰减能力函数表达式 (3) 考虑了钢筋锈蚀、混凝土开裂等因素影响, 虽然基于各影响因素间相互独立作用的基本假定, 未考虑各因素间的耦合作用, 但相对于式 (1) 而言, 对于桥梁的结构抗力衰减模拟分析更为精确。

3 桥梁结构检测方法探讨

桥梁结构在使用期间由于受到各种因素的影响, 会出现各种不同形式的损伤, 对桥梁进行检测是非常必要的, 桥梁检测是对桥梁的结构物直接测试的一项科学实验工作, 包括常规检测和荷载检测, 主要任务是通过对结构物加载后的性能进行观测和对测量参数进行分析, 分析结果对结构物的工作性能及结构承载能力做出评价, 并对结构加固提供可靠的数据依据。

目前桥梁的检测办法, 首先, 对结构所出现的缺陷进行普查检测, 对存在表面裂缝、露筋几锈蚀等受损构件区域进行普查并以图表的形式进行记录;再进行现场测试混凝土构件的尺寸及建筑物轴线尺寸是否与设计图纸相符, 检查桥梁的施工质量, 然后进行仪器检测, 主要方法有:无破损检测、半破损检测及半破损与无破损的综合使用法及荷载试验。其中无破损检测、半破损检测及半破损与无破损的综合使用法为损伤检测, 荷载试验为对整个桥梁结构特性及承载能力提供评价参数的一项检测。

桥梁的损伤检测方法主要有:回弹法、钻芯法测量混凝土构件强度, 超声脉冲法、冲击波法、表面波法测定混凝土的强度、内部缺陷及混凝土的厚度和振动弹性系数, 超声法与回弹法综合使用测定混凝土强度, 射线法测定内部缺陷探伤、钢筋探测, 中子法测定混凝土含水率等。

荷载试验包括静力荷载试验和动力荷载试验, 静力荷载试验是将荷载作用于桥梁上的指定位置, 测试结构的静应变、静唯一和裂缝等, 其目的在于检验桥梁结构的质量、了解承载情况并判断结构的实际承载能力。

动力荷载试验是将动力荷载作用于桥梁上以测试引起结构参数振动的荷载数值、方向、频率、规律等荷载动力特性;测定结构的自振频率、阻尼特性、固有频率等结构动力特性;测试结构在动荷载作用下的强迫振动响应, 如振幅、动力、冲击系数、疲劳性能等。

4 结语

桥梁的结构抗力衰减形式主要有混凝土损伤开裂和钢筋锈蚀, 而影响抗力衰减因素主要有外部环境、荷载因素及自身材料、结构形式影响, 笔者在参考大量文献基础上总结了结构抗力衰减模拟函数, 并阐述了桥梁结构的检测方法及应用, 了解桥梁结构的损伤原理及检测方法, 对桥梁结构损伤的评定, 桥梁加固前结构检测数据的采集更有利。

摘要：我国大部分已投入使用桥梁由于设计、施工、承担荷载增加、环境等众多因素影响, 不少桥梁已不同程度出现抗力衰减, 与高速发展的社会不相符, 且严重影响建筑物的安全适用性, 文章通过分析了桥梁结构抗力衰减形式, 对抗力衰减模拟函数进行了分析, 阐述了一些常用的桥梁检测方法。

关键词：桥梁结构,抗力衰减,桥梁检测

参考文献

[1] 何佩军.桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术[D].天津大学硕士学位论文, 2004.

[2] 屈文俊.即有铁路混凝土桥梁的病害分析[J].桥梁建设, 1995 (4) :64～66.

[3] 金伟良, 鄂飞, 张亮.考虑混凝土碳化规律的钢筋锈蚀率预测模型[J].浙江大学学报, 2000.

[4] 王有志.桥梁的可靠性评估与加固[M].北京:中国水利水电出版社, 2002.