基于阶梯刚度模式的PC梁开裂后挠度分析方法

预应力混凝土梁桥的开裂使得结构安全性、适用性和耐久性降低,对于可靠性降低的桥梁有必要对其承载能力进行评定。主梁开裂会导致结构刚度降低,增加主梁下挠风险。同时,主梁下挠进一步加剧裂缝的产生和发展,降低主梁刚度,二者相互影响,形成恶性循环。在进行开裂后的主梁结构力学性能计算时,不可避免地会遇到开裂后主梁刚度的计算问题。计算主梁开裂后刚度时,目前常见的做法是将原结构构件的刚度按一定规则进行折减,并且整个构件采用统一的开裂后刚度值。这种做法往往与结构的实际刚度偏差较大,且结构在荷载作用下的效应误差亦较大。通过对开裂后主梁的裂缝特征参数进行统计,按照一定规则,将开裂后的主梁划分为若干个开裂区段,采用阶梯刚度简化计算方法分别求出每个开裂区段的有效刚度,形成阶梯刚度模式。阶梯刚度建立后,采用挠度分段积分的方法求出阶梯刚度下的荷载挠度。通过开裂后的PC梁加载试验,对阶梯刚度和阶梯刚度下的挠度计算结果进行了验证。结果表明:采用基于裂缝特征统计参数的阶梯刚度模式,更接近结构开裂后刚度的实际情况;基于阶梯刚度的挠度计算结果与试验挠度值吻合较好;与规范规定的开裂后主梁挠度计算方法相比,在未过分增加计算工作量的前提下,本方法的精度更高,更接近实际情况。     

预应力混凝土箱梁损伤后剩余承载力计算及变化规律研究

目前对在役桥梁进行技术状况评定时,往往需采用荷载试验的方法来反映桥梁结构实际损伤所产生的性能退化。然而,荷载试验方法存在费用高、耗时长等问题,进行荷载试验代价巨大,且对于存在损伤的结构具有一定的风险。因此,基于对一新建跨径30 m预制预应力混凝土箱梁进行的足尺模型试验结果,构造定义了2种不同的刚度损伤折减系数,结合规范给出的开裂构件抗弯刚度计算公式,提出基于刚度损伤折减系数计算构件实际剩余承载力的计算公式。结果表明：2种方法定义得到的抗弯刚度折减系数的变化趋势基本一致,箱梁在出现损伤后的刚度折减效应明显,从箱梁出现开裂损伤到承载能力极限状态刚度折减约40%,相邻两截面的刚度折减可近似呈线性分布;基于刚度损伤折减系数计算的剩余承载力与试验值的偏差都在5%以下;结合刚度折减系数沿箱梁纵向的分布规律,可计算得出在跨中截面出现损伤后,沿箱梁纵向各截面实际剩余承载力的分布规律。提出的基于刚度损伤折减系数计算实际剩余承载力的方法,可通过结构外观检查结果实现对带有损伤的预应力混凝土箱梁实际剩余承载力的准确计算,该方法简便可行、费用低廉,同时也可为出现损伤的在役桥梁技术状况评定及剩余承载力计算提供一定的借鉴。     

腹板斜向开裂混凝土梁桥的剪切刚度评估方法

为研究腹板斜裂缝对混凝土梁桥剪切刚度退化的影响,提出一种基于桁架模型和实际斜裂缝状况的剪切刚度评估方法。根据变角桁架模型推导箍筋屈服时混凝土梁的极限剪切刚度,并通过剪切刚度退化因子极限值建立极限剪切刚度和弹性剪切刚度的定量关系;建立一般开裂程度下的剪切刚度线性退化模型,当斜裂缝开裂等级从1级升至5级时,开裂后剪切刚度由弹性剪切刚度线性降低至极限剪切刚度;提出斜裂缝开裂程度5级评定标准,建立实用的带斜裂缝混凝土梁桥剪切刚度评估方法。采用该方法对某斜向开裂预应力混凝土箱梁桥进行了斜裂缝分级评定与剪切刚度评估,结果表明,该方法能够较好地评价带斜裂缝桥梁的剪切刚度及下挠。     

装配式PC箱梁刚度退化及识别的足尺试验

为了明确装配式预应力混凝土（PC）梁刚度在损伤状态下的退化规律，针对3片30 m预应力混凝土箱梁开展了足尺模型试验研究。首先，建立了损伤梁的结构静动刚度识别模型，基于跨中挠度提出了结构等代静刚度计算式，基于自振频率提出了结构等代动刚度的计算式；其次，对足尺箱梁进行了多工况的静力逐级加载和动力交替试验，分析了箱梁裂缝、挠度、频率等特征参数随荷载的演化规律，研究了损伤状态对箱梁特征参数的影响；再次，通过有限元模型修正给出了箱梁动刚度衰减系数，研究了结构静动刚度随损伤状态的衰减规律，分析了静动刚度差异的原因；最后，建立了结构静动刚度衰减系数和裂缝特征参数之间的经验回归式，并与现有研究成果进行了对比。结果表明：初始损伤状况对箱梁受荷后的裂缝统计分布特征参数有一定影响；箱梁开裂后在相同荷载下的结构等代静、动刚度衰减程度并不相同，其中最终的静刚度衰减系数为0.30，最终的动刚度衰减系数为0.80；足尺梁与室内缩尺模型梁的静刚度衰减系数并不相同。所提出的静、动刚度衰减公式较为简洁，可用于实际损伤箱梁的结构性能评估。     

基于荷载试验的斜拉桥加固结构承载能力评估

利用荷载试验方法对某协作体系混凝土斜拉桥箱梁局部腹板加固后的结构承载能力进行评估。首先,建立加固部位局部有限元模型;基于荷载试验应变数据,评估加固部位的损伤程度,通过截面折减模拟损伤影响,建立考虑局部损伤后的整体单主梁模型;最后,结合试验数据及理论对比分析,评估加固后局部和整体结构的工作性能。试验与理论分析表明,为考虑损伤影响,加固部位原A型腹板厚度应乘以折减系数0.7。加固后,桥梁各控制截面强度和结构总体刚度均满足规范要求,桥梁承载能力满足正常使用荷载的通行要求。     

预应力混凝土连续箱梁开裂后的刚度退化模型

为了研究预应力混凝土连续箱梁开裂后的刚度退化规律,基于CB壳单元,采用层状模型模拟预应力混凝土结构;考虑加载和卸载效应及材料和几何双重非线性效应,有效地模拟了三跨连续斜交箱梁的开裂、屈服和失效全过程。基于非线性有限元分析,提出了一种预应力混凝土箱梁开裂后的刚度退化模型,由该模型计算了预应力混凝土箱梁开裂后的刚度折减量。结果表明:CB壳单元模型对于预应力混凝土箱梁的非线性分析有良好的适应性,对箱梁开裂后的使用性能评估有实际应用价值。     

灌缝-锚钢加固箱梁抗弯疲劳性能试验研究

为研究某PC斜拉桥大面积断索后主梁复合受扭开裂加固的疲劳性能及长期加固效果,对节段模型梁进行灌缝-锚钢加固后的疲劳性能展开试验研究,探索混凝土箱梁加固段和未加固段在重复荷载作用下的应变、裂缝及挠度发展规律,最后基于疲劳试验结果提出灌缝-锚钢加固钢筋混凝土箱梁在重复荷载作用下的疲劳刚度分段计算公式。结果表明:加固模型梁在240万次重复荷载作用下刚度下降16.8%,试验全过程挠度呈线弹性变化且无新裂缝产生;此次试验加固段的受弯疲劳性能优于未损伤未加固段;依据试验得出的疲劳刚度分段公式计算结果与试验值吻合良好。     

钢板条-UHPC组合桥面结构静力及疲劳试验

应用UHPC加固正交异性钢桥面时，由于钢面板存在贯穿型裂缝导致UHPC底面抗裂无法满足要求，提出一种新型钢板条-UHPC组合桥面结构。对12个正弯矩作用下钢板条-UHPC组合桥面构件进行静力参数试验，讨论构件的破坏模式及裂缝的发展与分布；对4个构件进行抗弯疲劳试验，研究构件在不同荷载幅作用下的刚度衰减、裂缝扩展、剩余强度，并提出适用于该类构件的S-N曲线。研究结果表明：带钢板条构件裂缝宽度达到0.05 mm时，具备超过20.1~28.0 MPa的名义开裂强度，相比无钢板条构件的7.2~9.7 MPa，对UHPC的抗裂性能强化作用明显；提高钢板条宽度对于UHPC的开裂抑制作用明显，可有效降低平均裂缝间距而延缓裂缝宽度的持续扩展；提高钢板条宽度与UHPC层厚均可大幅提高组合桥面构件的刚度，使得构件在弹性极限后进入更高的强化阶段；钢板条-钢面板连接方式对于构件的破坏模式和裂缝发展无影响；荷载比S≤0.43时，构件在1 000万次疲劳作用后，刚度未现折减，裂缝宽度仅0.03 mm，可认为当S<0.43时，构件具备无限疲劳寿命；S≥0.76时，构件早期存在极高的损伤积累，当刚度开始衰减后，短期内即会达到疲劳寿命极限；对于S为0.43~0.76的构件，UHPC裂缝扩展缓慢，开裂后在短期内不会出现明显刚度衰减，剩余疲劳寿命较高；直接采用目前的疲劳寿命评估方法对4个构件的进行评估，结果差别较大；结合试验结果，提出了针对钢板条-UHPC组合构件的S-N曲线，可为类似结构的疲劳寿命评估提供参考。     

考虑防火涂料的PC箱梁时空温度场及刚度退化试验研究

为了明确涂有防火涂料的预应力混凝土（PC）箱梁火灾温度场及火灾后的刚度退化性能,针对3片有、无膨胀型防火涂料的PC简支箱梁开展了火灾模型试验研究。基于预应力混凝土梁受火性状推导了刚度衰变率与挠度衰变率关系方程,通过分析混凝土箱梁截面时空温度场分布状态,基于分区域理论提出了一种PC箱梁受火损伤后初始截面等效刚度简化计算方法,并基于自振频率推导了受火梁动刚度计算公式;对模型梁进行了火灾后的静力逐级加载和动力性能试验,分析了受火梁挠度、频率等静、动力参数的变化规律,研究了受火损伤状态对箱梁静、动力特征参数的影响;基于理论计算和试验数据对比分析了受火梁静、动力刚度在不同损伤状态下的退化规律。研究结果表明：膨胀型防火涂料的使用显著降低了预应力混凝土箱梁的高温敏感性,混凝土温升速率明显下降,大幅降低了混凝土结构温度,有效减少了混凝土结构开裂和爆裂现象;受火试验梁的截面静刚度随荷载增加而逐渐减小,且初始损伤越大,进入弹塑性阶段发展越快,越早达到结构极限承载力;初始损伤状态对结构截面静刚度的影响大于对结构动刚度的影响,且截面静刚度衰减速率比动刚度衰减速率更快。提出的受火梁静、动刚度及固有频率的简化计算方法可为火损箱梁的结构静、动力性能初评估提供理论依据。     

强受扭损伤箱梁加固后的压弯性能研究

为研究某特大跨双索面混凝土斜拉桥因火灾致强受扭损伤的混凝土箱梁能否修复使用,对强受扭损伤加固后主梁的压弯刚度、扭转刚度及抗弯极限承载力开展了模型试验研究,评估灌浆-锚钢加固对主梁的压弯刚度及扭转刚度的影响。依据常用规范公式对箱梁抗弯极限承载力及正常使用极限状态下的变形、裂缝特征进行验算,评估规范中相应计算公式的适用性,并对加固箱梁在压弯荷载作用下的破坏形态进行对比分析。结果表明:灌浆-锚钢加固能有效地提高弯扭剪复合受力下箱梁的压弯刚度及扭转刚度;在压弯荷载作用下,加固梁的最终破坏形态为箱梁底板拉裂至钢筋屈服破坏,顶板混凝土没有被压溃,腹板锚贴钢板基本无损坏,但顶板锚贴钢板与混凝土界面发生了剥离现象,钢绞线未被拉断;GB50010—2010、JTG D62—2012、ACI318M-05规范均能较为准确地计算箱梁的抗弯极限承载力,ACI318M-05规范计算试验梁在正常使用极限状态下的跨中挠度值与实测值较为接近,基本能反映预应力混凝土箱梁正常使用极限状态下的变形性能;GB50010—2010规范计算试验梁的最大裂缝宽度和裂缝间距与实测值均较为接近,基本能反映预应力混凝土大比例缩尺箱梁的裂缝特性。     

RC系杆拱开裂刚度计算方法研究

针对目前存在的在役钢筋混凝土系杆拱桥跨中开裂和下挠的现象,基于主要受力裂缝的外观统计和理论方法,建立结构受力模型,进行有限元模拟。本文以一座在役的钢筋混凝土系杆拱桥为例探讨了3种开裂刚度的计算方法,并进行分析比较,从而实现对在役钢筋混凝土系杆拱开裂损伤后在其使用过程中的受力性能评价。     

竖向预应力对箱梁腹板力学行为影响研究

为了探究配置竖向预应力筋的箱梁腹板开裂荷载的影响及开裂前后力学行为的变化,文章选择较小剪跨比λ=1.15的双悬臂计算模型,模型顶部充分施加纵向预应力,悬臂端分级施加集中荷载,直至腹板出现腹剪裂缝并展开,采用ANSYS建立实体模型,以不张拉竖向预应力、张拉120k N竖向预应力为例,进行结构仿真计算,分析竖向预应力张拉与否对腹板开裂及裂缝开展形态,开裂荷载、开裂前后结构应力、刚度的影响,并对腹板开裂前后竖向预应力筋应力重分配进行了数值分析,得出配置竖向预应力可以显著提高腹板抗裂性,影响裂缝发生及开展形态、提高腹板开裂后结构刚度。文章研究结论对箱梁腹板竖向预应力理论研究及设计具有指导意义。     

预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳寿命评估方法研究

基于疲劳损伤累积理论,提出一种预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳寿命评估方法。首先,分析预应力混凝土箱梁桥腹板受力特性,建立腹板与顶板早期开裂及腹板疲劳破坏准则;然后,通过箱梁桥局部平面有限元模型计算横向效应下混凝土及箍筋应力,基于混凝土S-N曲线分析混凝土疲劳开裂,引入裂缝影响系数对箍筋应力进行修正,基于全桥杆系有限元模型及变角度桁架模型计算仅考虑面内剪力作用下箍筋应力,两者叠加得到空间效应下箍筋应力历程,以雨流计数法获取箍筋应力谱,并基于疲劳损伤累积理论对箍筋进行疲劳寿命评估;最后,对一实例分析,同时分析箱梁横向效应、裂缝深度等对箍筋应力及疲劳寿命的影响。结果表明:当裂缝深度达到腹板保护层厚度时,箱梁横向效应对桥梁腹板寿命影响较大,可使其发生疲劳破坏。     

基于静力模型修正的装配式T梁桥荷载横向分布计算

为了准确计算装配式T梁桥发生损伤情况下的荷载横向分布状况,并准确评估桥梁损伤情况,在铰接板(梁)法的基础上,提出了一种基于模型修正理论的桥梁荷载横向分布计算方法。首先建立了一个同时考虑主梁和铰缝损伤的简化模型。以主梁刚度K_k和铰缝刚度K_q作为待修正参数,定义相应的刚度折减系数η_k和η_q,再以结构静力响应构造目标函数,并通过L-M法和G-N法相结合的方法对目标函数进行优化,得到桥梁损伤状况下的刚度折减系数。根据修正后的刚度参数,计算出考虑主梁和铰缝损伤的荷载横向分布系数。以一座在役15 a的装配式T梁桥为算例验证了所提出方法的准确性。算例以出现破损的3片主梁和2道铰缝的刚度为修正参数,以主梁计算挠度与实测挠度的残差为目标函数,通过不断修正损伤模型刚度参数来反映桥梁构件的实际服役状态。计算结果表明:此方法能够快捷地识别出结构损伤对主梁和铰缝刚度的影响程度;模型修正后的主梁挠度及荷载横向分布计算值均与实测值吻合良好,而在模型未修正前的计算值与实测值差异较大;本研究方法能够较好地适用于装配式铰接T梁桥及板桥损伤后的刚度参数识别和荷载横向分布计算,而初始未考虑损伤的计算模型已经不再适用于该类桥的荷载效应计算。     

PC连续箱梁施工阶段裂缝检测及成因分析

某软土地区城际铁路PC连续箱梁在支架现浇施工过程中顶板、腹板出现开裂病害,为评估裂缝对箱梁受力性能和工作性能的影响,采用三维激光扫描仪对箱梁顶板和底板线形进行扫描,对裂缝分布情况,裂缝长度、宽度和深度等形态进行检测,分析了裂缝产生的主要原因。建立三维空间有限元模型,分析施工支架变形和箱梁分层浇筑在施工过程中对PC连续箱梁的应力和线形影响。结果表明:第3跨、第4跨变形过大,第4跨最大变形达2.31cm;4号墩顶负弯矩区产生拉应力,最大应力值达6.02MPa。通过对箱梁应力分布和裂缝形态分析得出,箱梁负弯矩区施工期间开裂的主要原因是由于支架刚度不足,在支架刚度不足条件下,箱梁分层浇筑会加剧箱梁开裂。     

预应力混凝土连续梁式桥的维修加固技术

东明黄河大桥由于跨中下挠和箱梁腹板裂缝的原因,已危及到桥梁的安全运营。为了满足设计荷载,对箱梁采用了粘贴钢板、加厚腹板、粘贴碳纤维、增设横隔板和增加体外预应力等措施进行了加固。通过加固后的荷载试验表明,承载能力和刚度已基本达到原设计要求。     

预应力混凝土简支箱梁开裂后静力性能试验研究

以某A类预应力混凝土预制简支小箱梁为对象,通过重物堆载法的分级加载试验,研究探讨了预应力混凝土简支箱梁开裂后的静力性能。结果表明:开裂后的预应力混凝土箱梁尽管在设计荷载下仍处于线弹性工作状态,但其工作状况特征符合B类预应力混凝土构件。在各级荷载作用下,箱梁开裂区域相同部位钢筋与混凝土变形并不协调,正截面符合平截面假定,横截面剪力滞效应明显,且裂缝扩展较显著。同时,桥面铺装层与箱梁共同作用完好,其组合作用可按考虑桥面铺装层完全参与作用计算分析。     

鹤大高速红岭高架桥病害分析及加固设计研究

鹤大高速红岭高架桥为5跨预应力混凝土连续刚构箱梁桥,经过多年运营,检测发现该桥右幅出现了主梁跨中下挠、腹板斜裂缝、顶板纵向裂缝等病害。为了解病害原因及结构受力状态,对病害原因进行分析,并进行荷载试验,在此基础上进行维修加固设计研究。结果表明:弯剪作用引起腹板斜向开裂,横向弯矩过大引起顶板开裂,预应力径向作用过大造成底板开裂。该桥上部结构校验系数大部分大于或接近于1.0,正截面抗拉强度不满足设计荷载要求;采取顶板加厚、腹板加厚、底板增设横梁以及张拉体外预应力加固设计。数值模拟分析显示加固后箱梁顶、底板最大压应力有效降低,安全储备增加,主应力得到明显改善。加固后第3跨L/4、L/2、3L/4截面分别上挠14.34,0.34,12.61 mm,结构受力满足现行规范要求。     

节段胶拼箱梁静载试验研究

针对某铁路桥为非标准轨距、非标准活载的节段胶拼预应力混凝土箱梁的结构特点,开展了静载试验以验证节段梁在试验荷载作用下的力学性能,检验梁体的性能指标。试验结果表明：梁体在最大控制荷载作用下,未发现受力裂缝;实测箱梁在静活载作用下最大挠跨比为1/3613;梁底实测最大压应力减小值小于理论计算值,说明节段胶拼不会成为结构的薄弱部位,结构抗裂性、梁体刚度和箱梁底部应力与设计期望值相符,且结构设计具有一定的安全度。本试验方法通过现场荷载试验数据验证理论模型,具有结果准确、效率高的特点,为类似节段预制胶拼箱梁设计和施工提供实践经验。     

钢筋混凝土连续宽箱梁受力性能试验

为研究连续箱梁混凝土开裂后的内力重分布和翼缘有效分布宽度的变化规律,制作了钢筋混凝土(RC)连续宽箱梁模型,并对加载至混凝土开裂这一过程进行了试验,研究了均布荷载作用下连续箱梁各控制截面应力及应变分布规律、翼缘有效分布宽度、挠度和抗裂性能变化情况。基于换算截面法,运用变分原理对开裂混凝土连续箱梁的剪力滞效应进行了分析,并与规范方法和试验结果进行了对比。考虑弹性支座的影响,对连续箱梁的内力重分布与变形进行了分析,分析结果与试验结果吻合较好。