超载与氯盐环境对中小跨径混凝土梁式桥运营性能的影响研究

摘要

随着国民经济的快速发展，公路桥梁交通量日益增大，量大面广的中小跨径混凝土梁式桥在日常运营中常常持续处于超载状态。车辆超载容易导致这些桥梁出现不同程度的损伤；同时，运营期间处于氯盐环境中的混凝土桥梁常出现钢筋锈蚀、混凝土截面剥落等问题，进一步加速了桥梁结构整体承载性能的退化。 本文基于G104浙江绍兴路段钟家湾立交桥WIM高速动态称重系统对过桥车辆状况进行了统计，对比分析超载车辆作用下的中小跨径梁式桥荷载效应；然后，基于混凝土疲劳损伤理论，开展超载车辆荷载作用与疲劳损伤演化的当量关系以及桥梁使用寿命预测的研究；接着，开展氯盐环境下混凝土受力构件劣化试验研究，通过数值模拟对超载与氯盐环境耦合作用下的中小跨径预应力混凝土梁式桥疲劳损伤分析；最后，基于WIM系统实测过桥车辆参数，考虑氯盐环境影响因素，构建了基于桥梁实测响应与随机车流过桥理论计算结果作为比值的“动态校验系数”作为阈值的中小跨径预应力混凝土梁式桥安全运营监测系统。具体研究内容如下： （1）基于埋设在G104浙江绍兴路段钟家湾立交桥WIM系统采集的10个月车辆信息，对车辆类型、总重、轴重与轴距等信息统计分析，得知本桥通行车辆以小型客车为主，车辆荷载以多峰分布为主，所有轴型车辆均出现了不同程度的超载情况。通过对当前车辆交通荷载作用下的引桥（预应力混凝土简支空心板结构）跨中弯矩效应和支点剪力效应分析，发现超载运输容易导致小跨径桥梁内力超限。 （2）以 G104浙江绍兴路段钟家湾立交桥主桥（三跨预应力混凝土连续箱梁）为对象，采用数值分析方法对多轴车辆作用下的荷载效应分析，提出了多轴车辆荷载效应的简化分析方法。通过分析不同轴型超载车辆引起的疲劳损伤值发现，车辆荷载与疲劳损伤之间呈现指数函数的增长形式，以此建立了车辆荷载作用下的疲劳损伤当量换算方法。 （3）针对浙江省沿海地域环境现状，开展了混凝土试件抗氯离子侵蚀性能试验，试验分析显示应力影响系数随压应力水平的增加而增加，在此基础上拟合得到应力影响系数的表达式。 （4）从材料性能退化和截面退化两方面模拟桥梁运营期间内的结构性能退化全过程，计算混凝土结构中钢筋腐蚀各阶段内的不同车辆超载程度下引起的结构疲劳损伤值，发现在初锈阶段，预应力钢筋的截面面积和力学性能逐渐退化，相较于未锈蚀阶段疲劳损伤值有所提高；当达到锈胀开裂后，混凝土保护层逐步脱落，疲劳损伤值发展速率远远大于前两阶段。综合氯盐环境影响和超载作用下，分析得到桥梁疲劳损伤值呈现两参数的指数函数增长规律，其中指数参数bf值的三阶段变化反映了预应力钢筋锈蚀对结构性能的影响。 （5）基于随机过桥车辆采集的 WIM系统，氯盐环境、温度指标，随机车流过桥时桥梁结构响应建立了可适用于中小跨径预应力混凝土梁式桥的安全运营监测系统，提出了基于随机车流“动态校验系数”作为桥梁安全运营分级预警的阈值，对于有效监测氯盐环境中、中小跨径预应力混凝土梁式桥超载车辆过桥的安全运营状态，可有效弥补地方公路管养单位的技术力量不足，提升对桥梁的科学管理能力。

目录

声明

第一章 概述

1.1 研究背景

1.2国内外研究概况

1.3 论文研究工作

第二章 基于WIM实测数据的公路车辆荷载模型研究

2.1 引言

2.2 WIM设置概况

2.3 实际运营车辆荷载特征分析

2.4 中小跨径简支梁桥车辆荷载效应分析

2.5 公路桥梁车辆等效荷载模型

2.6 本章小结

第三章 超载对公路中小跨径混凝土梁式桥性能影响分析

3.1 引言

3.2 预应力混凝土梁式桥车辆荷载作用数值模拟

3.3 基于影响线加载的多轴车辆荷载效应分析方法

3.4 预应力混凝土梁式桥疲劳损伤的当量关系分析

3.5 超载作用下预应力混凝土梁式桥使用寿命预测分析

3.6 本章小结

第四章 氯盐环境下混凝土受力构件力学性能劣化试验研究

4.1 引言

4.2 氯离子侵蚀机理

4.3 试件设计

4.4 试验过程

4.5 试验数据汇总

4.6 试验数据比较

4.7 应力水平对扩散系数的影响

4.8 不同应力影响系数模型的比较分析

4.9 本章小结

第五章 超载与氯盐环境下中小跨径混凝土梁式桥损伤规律

5.1 引言

5.2 氯盐环境下预应力混凝土梁式桥性能退化过程

5.3 超载与氯盐环境下预应力混凝土梁式桥损伤规律

5.4 本章小结

第六章 公路预应力混凝土梁式桥安全运营的监管方法

6.1 引言

6.2 预应力混凝土梁式桥安全运营监测系统

6.3 预应力混凝土梁式桥安全运营管理系统[129]

6.4 工程应用：钟家湾立交桥安全运营监测系统[129][130]

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 结论

7.2本文主要创新点

7.3 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢