一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法技术

一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法，通过实测服役桥梁自重作用下受弯裂缝特征指标和混凝土材料性能无损测试，然后根据结构分析分离出应力相关裂缝宽度wc和自由变形裂缝宽度wz，并进一步将长期应力相关裂缝宽度wf从应力相关裂缝宽度wc中分离出来。本发明专利技术解决了传统的现场测试方法所得的总体结构裂缝宽度不能反映结构真实受力状态以及无法准确评估结构承载能力的技术问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工程检测
，尤其是一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法。
技术介绍
钢筋混凝土桥梁在经过若干年的服役后，受外界环境、超载因素、自然灾害等影响，不可避免的产生结构损伤，导致结构裂缝扩展、刚度下降。工程实践和设计经验表明，结构裂缝扩展是影响混凝土结构非线性响应的重要因素，其扩展深度与张开位移是评价结构安全性的重要指标，甚至在某些情况下对结构起控制作用，因此，各国混凝土桥梁设计规范和检测规范都给出了结构裂缝宽度的限值要求，但服役钢筋混凝土桥梁常常出现裂缝宽度超过规范限值的情况。由于裂缝特征值在现场易于观测得到，所以如何根据实测裂缝特征快速评估结构工作状态和承载能力一直是国内外研究的热点。现在一些研究者根据结构分析或裂缝特征统计，给出了基于结构裂缝宽度或高度快速评估结构承载能力的方法，但是在实际应用中存在以下问题：混凝土抗拉性能差，且抗拉强度离散型较大，使得钢筋混凝土梁的裂缝高度与外部作用的相关性差（PC梁裂缝高度与外部作用的相关性好）；具体表现为：钢筋混凝土桥梁在使用荷载作用下开裂后，增大较小的荷载，裂缝的高度就快速扩展，在较短的使用期内就发展到接近中和轴的位置，从而进入裂缝扩展的稳定阶段；此阶段中和轴的位置相对稳定，裂缝高度变化很小，而裂缝宽度逐渐增大。所以裂缝高度只能定性评定结构的承载能力是否满足设计或规范要求。结构裂缝宽度与外部作用的相关性好，是值得采用的指标。但是现场观测到的结构裂缝宽度受多种因素综合影响，除了受外部荷载的影响外，结构裂缝宽度的扩展还受到荷载疲劳作用、温度变化及混凝土收缩徐变等的影响，本方法将其分为应力相关裂缝宽度（荷载、疲劳作用及温度变化、收缩与徐变受到约束产生的应力）和自由变形裂缝宽度（温度变化、收缩与徐变未受到约束产生的自由变形）两部分。应力相关裂缝宽度的增大与结构刚度的劣化相关，而自由变形裂缝宽度反映了结构的长期自由变形，造成梁桥的挠度增大；但自由变形裂缝宽度与结构的刚度无关，所以现场测试所得的总体结构裂缝宽度，并不能反映结构真实的受力状态。因此，只有将应力相关裂缝宽度从总体裂缝宽度中分离出来，才能更准确的评估桥梁承载能力，而且将自由变形裂缝宽度从总体裂缝宽度中分离出来对于研究非荷载因素的影响也有重要意义。
技术实现思路
本专利技术涉及一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法，要解决传统的现场测试方法所得的总体结构裂缝宽度不能反映结构真实受力状态以及无法准确评估结构的承载能力的技术问题。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案。一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法，通过实测服役桥梁自重作用下受弯裂缝特征指标和混凝土材料性能无损测试，然后根据结构分析分离出应力相关裂缝宽度wc和自由变形裂缝宽度wz，并进一步将长期应力相关裂缝宽度wf从应力相关裂缝宽度wc中分离出来；包括步骤如下。步骤一：现场实测自重作用下钢筋混凝土梁跨中区域的梁底裂缝宽度和间距特征值，包括实测最大裂缝宽度wg，max、实测平均裂缝宽度wg，m和实测平均裂缝间距lm。步骤二：根据步骤一得到的实测平均裂缝间距lm，按公式wej=cp×σs×lm/Es得出自重下的短期最大裂缝宽度wej；其中，σs为自重作用下的钢筋应力，cp为考虑混凝土裂缝间距和裂缝宽度的离散性所引入的最大裂缝宽度与平均裂缝宽度的比值，cp=实测最大裂缝宽度wg，max/实测平均裂缝宽度wg，m，Es为钢筋弹性模量。步骤三：对实测最大裂缝宽度wg，max与自重下的短期最大裂缝宽度wej及规范规定的裂缝宽度限值[wg，max]进行比较评定；其中，[wg，max]=[wmax]-whj，[wmax]为桥梁检测规范规定的裂缝宽度限值，whj为标准活载作用下的最大裂缝宽度。步骤四：当实测最大裂缝宽度wg，max大于裂缝宽度限值[wg，max]时，根据钢筋混凝土梁实际受力情况，将钢筋混凝土梁跨中区域划分为受压区、受拉区及不受力的中性区。步骤五：对跨中区域受压区、受拉区及中性区的混凝土弹性模量进行无损检测。步骤六：根据步骤五中无损检测测得的中性区混凝土弹性模量Ec以及公式fc,r=34.74/(100/Ec-2.2)，得出混凝土抗压强度fc,r。步骤七：根据步骤五中无损检测测得的受压区混凝土弹性模量Er，得出跨中区域受压区混凝土残余应变εp。步骤八：比较受压区混凝土残余应变值εp与0.4εc,r的大小，评定钢筋混凝土梁的损伤程度界限状态，其中εc,r为混凝土的峰值应变。步骤九：当受压区混凝土残余应变εp≤0.4εc,r时，根据公式σe=MgZc/Icr得出自重作用下的跨中截面受压区混凝土弹性应力σe；其中，Icr为跨中开裂截面的惯性矩，Zc为跨中开裂截面的受压区高度，Mg为自重作用下梁桥跨中截面的受弯弯矩。步骤十：根据公式εe=σe/Er得出受压区混凝土弹性应变εe，并根据公式εc=εe+εp得到受压区混凝土总应变εc。步骤十一：得出应力相关裂缝宽度wc，包括有应力相关平均裂缝宽度wc，m和应力相关最大裂缝宽度wc，max。步骤十二：分离出自由变形裂缝宽度wz，包括有自由变形平均裂缝宽度wz，m和自由变形最大裂缝宽度wz，max。步骤十三：分离出长期应力相关裂缝宽度wf；包括有长期应力相关最大裂缝宽度wf，max和长期应力相关平均裂缝宽度wf，m。步骤十四：根据分离得到的应力相关裂缝宽度wc评估结构受力状态、结构的承载能力，根据分离得出的自由变形裂缝宽度wz分析非荷载因素的影响，并根据分离得出的长期应力相关裂缝宽度wf分析长期应力作用的影响。优选的，步骤一中实测平均裂缝间距lm的值需满足0.5lmj≤lm≤1.5lmj，其中lmj为计算平均裂缝间距，lmj=1.9c+0.08d/ρ，d为受拉区纵向受拉钢筋直径，ρ为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率。优选的，步骤三中对实测最大裂缝宽度wg，max与自重下短期最大裂缝宽度wej及规范规定的裂缝宽度限值进行比较结果还包括：当wg，max≤wej时，总体裂缝宽度满足设计要求，承载能力满足设计要求，评定结束，此时不进行应力相关裂缝宽度的分离；当wej<wg，max≤[wg，max]时，总体裂缝宽度满足规范要求，承载能力满足规范要求，评定结束，此时不进行应力相关裂缝宽度的分离。优选的，步骤五中无损检测的方法为超声波无损检测或冲击弹性波无损检测。优选的，步骤五中无损检测时，跨中区域的受压、受拉及不受力的中性区的测区数量均不少于10个。优选的，步骤五中无损检测的具体步骤为，步骤A：利用超声波或冲击弹性波P波的波速，测试出受压区、受拉区及中性区混凝土的动弹性模量Ed；步骤B：确定结构的动弹性模量与波速Vp2的关系；对于在混凝土桥梁顶板或者腹板测试的P波，其波速Vp2认为是二维弹性波，按公式Vp22=Ed/ρ(1-μ2)确定其与结构的动弹性模量间的关系；其中，ρ测试区域混凝土的密度，μ为测试区域混凝土的泊松比；步骤C：对动弹性模量Ed进行修正；按公式Ecd=(Ed-ρsEsd)/(1-ρs)对动弹性模量Ed进行修正；其中：Ecd为修正后的混凝土的动弹性模量；ρs为配筋率，根据设计值定；Esd为钢筋的动弹性模量，取206Gpa；步骤D：确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法，其特征在于，通过实测服役桥梁自重作用下受弯裂缝特征指标和混凝土材料性能无损测试，然后根据结构分析分离出应力相关裂缝宽度wc和自由变形裂缝宽度wz，并进一步将长期应力相关裂缝宽度wf从应力相关裂缝宽度wc中分离出来；包括步骤如下，步骤一：现场实测自重作用下钢筋混凝土梁跨中区域的梁底裂缝宽度和间距特征值，包括实测最大裂缝宽度wg，max、实测平均裂缝宽度wg，m和实测平均裂缝间距lm；步骤二：根据步骤一得到的实测平均裂缝间距lm，按公式wej=cp×σs×lm/Es得出自重下的短期最大裂缝宽度wej；其中，σs为自重作用下的钢筋应力，cp为考虑混凝土裂缝间距和裂缝宽度的离散性所引入的实测最大裂缝宽度与实测平均裂缝宽度的比值，cp =实测最大裂缝宽度wg，max/实测平均裂缝宽度wg，m，Es为钢筋弹性模量；步骤三：对实测最大裂缝宽度wg，max、自重下的短期最大裂缝宽度wej及规范规定的裂缝宽度限值[wg，max]进行比较评定；其中，[wg，max]= [wmax]‑ whj，[wmax]为桥梁检测规范规定的裂缝宽度限值，whj为标准活载作用下的最大裂缝宽度；步骤四：当实测最大裂缝宽度wg，max大于裂缝宽度限值[wg，max]时，根据钢筋混凝土梁实际受力情况，将钢筋混凝土梁跨中区域划分为受压区、受拉区及不受力的中性区；步骤五：对跨中区域受压区、受拉区及中性区的混凝土弹性模量进行无损检测；步骤六：根据步骤五中无损检测测得的中性区混凝土弹性模量Ec以及公式fc,r=34.74/(100/Ec‑2.2)，得出混凝土抗压强度fc,r；步骤七：根据步骤五中无损检测测得的受压区混凝土弹性模量Er，得出跨中区域受压区混凝土残余应变εp；步骤八：比较受压区混凝土残余应变值εp与0.4εc,r的大小，评定钢筋混凝土梁的损伤程度界限状态；其中，εc,r为混凝土的峰值应变；步骤九：当受压区混凝土残余应变εp≤0.4εc,r时，根据公式σe =Mg Zc /Icr得出自重作用下的跨中截面受压区混凝土弹性应力σe；其中，Icr为跨中开裂截面的惯性矩，Zc为跨中开裂截面的受压区高度；Mg为自重作用下梁桥跨中截面的受弯弯矩；步骤十：根据公式εe=σe/Er得出受压区混凝土弹性应变εe，并根据公式εc=εe+εp得到受压区混凝土总应变εc；步骤十一：得出应力相关裂缝宽度wc，包括有应力相关平均裂缝宽度wc，m 和应力相关最大裂缝宽度wc，max；步骤十二：分离出自由变形裂缝宽度wz，包括有自由变形平均裂缝宽度wz，m 和自由变形最大裂缝宽度wz，max；步骤十三：分离出长期应力相关裂缝宽度wf，包括有长期应力相关最大裂缝宽度wf，max和长期应力相关平均裂缝宽度wf，m；步骤十四：根据分离得到的应力相关裂缝宽度wc评估结构受力状态、结构的承载能力，根据分离得出的自由变形裂缝宽度wz分析非荷载因素的影响，并根据分离得出的长期应力相关裂缝宽度wf分析长期应力作用的影响。...

【技术特征摘要】
1.一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法，其特征在于，通过实测服役桥梁自重作用下受弯裂缝特征指标和混凝土材料性能无损测试，然后根据结构分析分离出应力相关裂缝宽度wc和自由变形裂缝宽度wz，并进一步将长期应力相关裂缝宽度wf从应力相关裂缝宽度wc中分离出来；包括步骤如下，步骤一：现场实测自重作用下钢筋混凝土梁跨中区域的梁底裂缝宽度和间距特征值，包括实测最大裂缝宽度wg，max、实测平均裂缝宽度wg，m和实测平均裂缝间距lm；步骤二：根据步骤一得到的实测平均裂缝间距lm，按公式wej=cp×σs×lm/Es得出自重下的短期最大裂缝宽度wej；其中，σs为自重作用下的钢筋应力，cp为考虑混凝土裂缝间距和裂缝宽度的离散性所引入的实测最大裂缝宽度与实测平均裂缝宽度的比值，cp=实测最大裂缝宽度wg，max/实测平均裂缝宽度wg，m，Es为钢筋弹性模量；步骤三：对实测最大裂缝宽度wg，max、自重下的短期最大裂缝宽度wej及规范规定的裂缝宽度限值[wg，max]进行比较评定；其中，[wg，max]=[wmax]-whj，[wmax]为桥梁检测规范规定的裂缝宽度限值，whj为标准活载作用下的最大裂缝宽度；步骤四：当实测最大裂缝宽度wg，max大于裂缝宽度限值[wg，max]时，根据钢筋混凝土梁实际受力情况，将钢筋混凝土梁跨中区域划分为受压区、受拉区及不受力的中性区；步骤五：对跨中区域受压区、受拉区及中性区的混凝土弹性模量进行无损检测；步骤六：根据步骤五中无损检测测得的中性区混凝土弹性模量Ec以及公式fc,r=34.74/(100/Ec-2.2)，得出混凝土抗压强度fc,r；步骤七：根据步骤五中无损检测测得的受压区混凝土弹性模量Er，得出跨中区域受压区混凝土残余应变εp；步骤八：比较受压区混凝土残余应变值εp与0.4εc,r的大小，评定钢筋混凝土梁的损伤程度界限状态；其中，εc,r为混凝土的峰值应变；步骤九：当受压区混凝土残余应变εp≤0.4εc,r时，根据公式σe=MgZc/Icr得出自重作用下的跨中截面受压区混凝土弹性应力σe；其中，Icr为跨中开裂截面的惯性矩，Zc为跨中开裂截面的受压区高度；Mg为自重作用下梁桥跨中截面的受弯弯矩；步骤十：根据公式εe=σe/Er得出受压区混凝土弹性应变εe，并根据公式εc=εe+εp得到受压区混凝土总应变εc；步骤十一：得出应力相关裂缝宽度wc，包括有应力相关平均裂缝宽度wc，m和应力相关最大裂缝宽度wc，max；步骤十二：分离出自由变形裂缝宽度wz，包括有自由变形平均裂缝宽度wz，m和自由变形最大裂缝宽度wz，max；步骤十三：分离出长期应力相关裂缝宽度wf，包括有长期应力相关最大裂缝宽度wf，max和长期应力相关平均裂缝宽度wf，m；步骤十四：根据分离得到的应力相关裂缝宽度wc评估结构受力状态、结构的承载能力，根据分离得出的自由变形裂缝宽度wz分析非荷载因素的影响，并根据分离得出的长期应力相关裂缝宽度wf分析长期应力作用的影响。2.根据权利要求1所述的一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法，其特征在于，步骤一中实测平均裂缝间距lm的值需满足0.5lmj≤lm≤1.5lmj，其中lmj为计算平均裂缝间距，lmj=1.9c+0.08d/ρ；其中，d为受拉区纵向受拉钢筋直径，ρ为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离。3.根据权利要求1所述的一种服役钢筋混凝土梁桥应力相关裂缝宽度的分离方法，其特征在于，步骤三中对实测最大裂缝宽度wg，max、自重下短期最大裂缝宽度wej及规范规定的裂缝宽度限值进行比较结果还包括：当wg，max≤wej时，总体裂缝宽度满足设计要求，承载能力满足设计要求，评定结束，此时不进行应力相关裂缝宽度的分离；当wej<wg，max≤[wg，max]时，总体裂缝宽度满足规范要求，承载能力满足规范要求，评定结...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟铭，叶英，
申请(专利权)人：北京市市政工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11