既有预应力混凝土梁桥剩余承载力评估方法研究

摘要

随着使用时间的延长，既有预应力混凝土桥梁在各种因素作用下会逐渐老化，如何对既有桥梁的承载力进行快速、准确的评估，为桥梁的加固、改造提供依据，是当前学术界和工程界十分关注的问题。本文以《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)为主要依据，分别对承载能力极限状态下和正常使用极限状态下预应力混凝土梁桥剩余承载力评估方法进行了系统研究，主要结论与成果如下：
　　 (1)混凝土结构损伤和预应力损失是导致预应力混凝土梁桥承载力衰变的主要因为。本文较为系统地论述了混凝土碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、碱-集料反应、冻融破坏、混凝土开裂等的机理和对承载力的影响，并介绍了既有结构预应力损失的检测方法、有效预应力与剩余承载力之间的关系及基于振动测试的承载力评估方法。
　　 (2)将预应力混凝土桥梁结构抗力作为随机过程，并假定其截口随机变量服从对数正态分布，其均值和标准差由泰勒级数和误差传递公式得出，从而建立起既有预应力混凝土桥梁抗力随机过程计算模型。
　　 (3)将结构几何参数作为随机变量，将材料性能参数如混凝土强度、普通钢筋和预应力筋的强度及钢筋与混凝土之间的协同工作系数作为随机过程，参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，推导出了承载能力极限状态下的既有预应力混凝土T型梁桥时变抗弯承载力和时变抗剪承载力计算模型。
　　 (4)既有桥梁所承受的荷载主要为桥梁自身恒载、汽车荷载和人群荷载，由于施工误差、使用过程中磨损的影响，一般将恒载作为正态分布随机变量处理；汽车荷载随时间、空间的变异性很大，一般采用随机过程进行模拟。本文详细分析了汽车荷载及其最大值概率分布，在此基础上建立了汽车荷载效应时变模型；采用平稳二项随机过程对人群荷载进行分析，得到了评估基准期内既有桥梁人群荷载效应概率模型。
　　 (5)由于抗力的衰减和目标使用期的变化，对既有预应力桥梁进行评估时，必须考虑目标可靠指标的时变性，本文推导出了抗力和荷载均为正态分布情况下的时变可靠指标计算方法。在已知既有结构抗力、恒载及活载的时变概率模型的基础上，建立了既有预应力混凝土桥梁承载能力极限状态下的可靠性评估模型，并利用该评估模型对某服役30年的预应力混凝土T型梁桥剩余承载力和寿命进行了预测，取得了较好效果。
　　 (6)正常使用极限状态下预应力混凝土桥梁承载力评估的关键是得到结构有效预应力，本文根据动力测试理论，采用非线性有限元法分析预应力混凝土结构的固有频率，用支持向量机对有效预应力与固有频率之间的映射关系进行仿真模拟，得到有效预应力的支持向量机表达式。将既有预应力桥梁动载试验所得频率样本输入到训练好的支持向量机中，识别出实际预应力混凝土结构梁的有效预应力，并将其代入抗裂承载力计算公式，从而实现对预应力混凝土桥梁抗裂承载力的评估。本文提出的基于支持向量机回归和有限元模态分析的预应力梁桥抗裂承载力评估方法，为结构动力评估提供了一个新途径。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

1 绪论

1.1 引言

1.2 研究的背景及意义

1.3 既有桥梁评估方法

1.3.1 基于实桥调查的经验方法

1.3.2 专家系统评估方法

1.3.3 基于设计规范法

1.3.4 静载试验法

1.3.5 模糊综合法

1.3.6 基于可靠度理论的评估方法

1.3.7 动力评估法

1.4 既有预应力桥梁评估研究现状与问题

1.4.1 既有预应力桥梁评估研究现状

1.4.2 既有预应力桥梁评估中存在的问题

1.5 本文的研究思路和主要内容

2 桥梁承载力演变规律与影响因素分析

2.1 桥梁承载力演变规律

2.1.1 桥梁承载力的演变

2.1.2 预应力梁桥承载力影响因素

2.2 混凝土碳化

2.2.1 碳化深度预测模型

2.2.2 应力状态下碳化深度预测

2.2.3 碳化对结构性能影响

2.3 氯离子侵蚀

2.4 普通钢筋及预应力筋的锈蚀

2.4.1 钢筋锈蚀机理

2.4.2 钢筋锈蚀相关计算模型

2.4.3 钢筋锈蚀对承载力的影响

2.5 碱-集料反应

2.6 冻融破坏

2.7 预应力混凝土开裂

2.7.1 预应力混凝土常见裂缝产生原因及类型

2.7.2 预应力混凝土裂缝危害

2.7.3 裂缝与承载力评估

2.8 预应力损失对承载力影响

2.8.1 有效预应力测定方法

2.8.2 有效预应力与剩余承载力

2.9 本章小结

3 既有预应力桥梁抗力概率模型与荷载概率模型

3.1 既有预应力桥梁抗力模型

3.1.1 既有结构抗力的不定性

3.1.2 既有预应力梁桥结构抗力概率模型

3.1.3 预应力混凝土T梁桥抗力概率模型

3.1.4 既有预应力梁桥抗力衰减简化概率模型

3.2 既有预应力桥梁荷载模型

3.2.1 桥梁活荷载常用随机过程模型

3.2.2 既有桥梁恒载效应模型

3.2.3 汽车荷载效应模型

3.2.4 人群荷载效应概率模型

3.3 本章小结

4 承载能力极限状态下既有预应力梁桥承载力评估

4.1 既有结构可靠度理论

4.1.1 时变可靠度计算模型

4.1.2 时变可靠度定义

4.1.3 时变可靠度简化求解方法

4.2 考虑抗力时变的目标可靠指标

4.3 既有预应力桥梁可靠性评估

4.4 算例分析

4.5 本章小结

5 正常使用极限状态下既有预应力梁桥抗裂承载力评估

5.1 正常使用极限状态下预应力梁的抗裂承载力

5.2 支持向量机的基本原理与应用

5.2.1 VC维和SRM

5.2.2 用于分类的支持向量机

5.2.3 用于回归的支持向量机

5.3 基于有限元的预应力梁模态分析

5.4 基于支持向量机的有效预应力识别

5.4.1 LS-SVM回归分析

5.4.2 BP人工神经网络回归分析

5.4.3 对比分析

5.5 抗裂承载力评估

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及研究成果