基于裂缝开展高度的梁桥损伤评估预警方法及预警系统

摘要

本发明公开了一种基于裂缝开展高度的梁桥损伤评估预警方法及预警系统。所公开的预警方法是当待监测梁桥主梁上的裂缝开展至该主梁跨中截面的危险裂缝高度范围时进行预警；其中的主梁跨中截面的危险裂缝高度范围以该主梁的抗力设计值和抗力标准值为依据，从该主梁跨中截面的弯矩-裂缝高度图中确定；所述的弯矩-裂缝高度图是通过对桥梁截面进行截面非线性全过程分析而得到的。所公开的预警系统包括涂覆于梁桥各主梁跨中截面危险裂缝高度范围的导电涂膜和数据处理与预警装置，所述数据处理与预警装置包括数据采集器、微处理器和GMS短信模块。当待监测梁桥主梁上的裂缝开展至该主梁跨中截面的危险裂缝高度范围时，系统通过短信的形式进行预警。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及基于裂缝开展高度的梁桥损伤评估预警方法及预警系统。

背景技术

桥梁工程投资规模大，服役期长，是交通线的关键节点。由于质量缺陷、荷载效应、环境侵蚀、材料老化、自然灾害和人为灾害等不利因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤累积、抗力衰减和功能退化，从而使桥梁的安全性、适用性与耐久性下降，造成频繁养护维修，极端情况下可能引发灾难性事故。

为确保大型桥梁建造与运营全过程的安全性，加强桥梁健康状况的监测和评估，实施全寿命周期的主动监控与养护管理，受到桥梁工作者与全社会的广泛关注，目前大型桥梁结构健康监测系统已得到广泛应用，在大型桥梁健康监测系统中主要通过对桥梁控制截面应力、桥梁振动特性以及结构整体位移等进行实时、在线、连续监测，对监测数据进行分析和处理，达到结构损伤识别和状态评估的目的，并对结构损伤发出及时预警。

但是对于常规中、小跨径的梁桥由于经费和人员所限，大多没有安全监测及预警系统。目前中小型桥梁常规的检查措施基本上以定期人工检测为主，这种被动的检测方法仅能对明显的桥梁问题做出判断，很难确定桥梁整体健康状态及损伤发展情况，并且不具有实时性和连续性，更不能对桥梁损伤进行预警。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于裂缝开展高度的梁桥损伤评估预警方法。

为此，本发明提供的基于裂缝开展高度的梁桥损伤评估预警方法是当待监测梁桥主梁上的裂缝开展至该主梁跨中截面的危险裂缝高度范围时进行预警；

所述主梁跨中截面的危险裂缝高度范围确定如下：

以该主梁的抗力设计值R_d和抗力标准值R_k为依据，从该主梁跨中截面的弯矩-裂缝高度图中读取该主梁跨中截面的危险裂缝高度范围[h_d,h_k]，h_d为抗力设计值R_d对应的裂缝高度，h_k为抗力标准值R_k对应的裂缝高度；

所述主梁跨中截面的弯矩-裂缝高度图按下述方法作取：

设该主梁跨中截面为A截面：

步骤1，根据桥梁设计参数建立桥梁的A截面分析模型，并进行截面非线性全过程分析，得到各级荷载下的A截面的弯矩、曲率和形心应变；

步骤2，分别求取每级荷载下A截面中的裂缝高度，其中一级荷载下A截面中的裂缝高度为y′_cr，且：

y'_cr＝(ε_c-γf_tk/E_c)/φ+y_c  （式1）

（式1）中：ε_c为该级荷载下A截面的形心应变；γ为受拉区混凝土塑性影响系数；f_tk为桥梁所用混凝土轴心抗拉标准值；E_c为桥梁所用混凝土弹性模量；φ为该级荷载下A截面的曲率；y_c为开裂前A截面的形心轴距离梁底面的垂直距离；

之后，得到每级荷载下的A截面中的裂缝高度；

从而，结合步骤1中的相应荷载下的A截面的弯矩可得到每级荷载下A截面的弯矩-裂缝高度；

步骤3，以各级荷载下的弯矩-裂缝高度作图，得到该横截面的弯矩-裂缝高度图。

上述步骤1中在进行截面非线性全过程分析时，逐级施加荷载为；其中，荷载时A截面的曲率=荷载时A截面的曲率+0.005倍的A截面的极限曲率，荷载时A截面的曲率为A截面的极限曲率。

本发明的另一目的是提供一种实现上述预警方法的预警系统，包括涂覆于梁桥各主梁跨中截面危险裂缝高度范围的导电涂膜和数据处理与预警装置，所述数据处理与预警装置包括数据采集器、微处理器和GMS短信模块。

所述导电涂膜顺桥向的长度为1米。

本发明提出的方法是通过监测主梁裂缝开展高度，来预警桥梁损伤，监测内容直观、检测结果准确，可以在无人值守的情况下连续、实时监控，确保能及时发现桥梁结构损伤及时预警，防止恶性事故发生。

附图说明

图1为（式1）的的推导过程参考示意图；

图2为实施例1的梁桥的中梁跨中截面弯矩-裂缝高度关系图；

图3为实施例1的梁桥的边梁跨中截面弯矩-裂缝高度关系图。

具体实施方式

混凝土桥梁中最常见的病害之一就是裂缝。基于（1）混凝土结构的破坏过程实质上就是裂缝产生、扩展和失稳的过程；和，（2）按照设计规范进行结构设计时，主要是从挠度、应力、裂缝宽度这三方面进行验算的；可见裂缝和结构的承载能力之间具有对应关系。

在荷载试验法中，将挠度、应力、裂缝状况作为桥梁承载能力评定的几个主要指标，因此可以选择裂缝作为截面承载能力的间接反映指标。

并且在桥梁外观检查中，裂缝总是作为重点关注对象，裂缝是一个主要的检查指标，所以许多学者已经运用多种方法对裂缝的开展状况和结构的承载能力之间的关系做过研究。但养护规范及评定标准只是给出了裂缝宽度的限值，而对开裂高度、开裂位置、开裂范围等详细信息未加明确说明。

裂缝参数有如下几种：（1）最大高度、平均高度、累计高度；（2）最大宽度、平均宽度、累计宽度；（3）最大/最小间距、平均间距；（4）开裂范围。其中裂缝宽度和间距参数影响因素众多，很难建立理论模型，且与荷载/承载能力不是单调函数关系，故难以利用；开裂范围削弱了关键截面的影响，不予利用。这样，还剩下三个与裂缝高度相关的参数。裂缝最大高度忠实记录了结构曾经受到的最大弯矩，是反映荷载/承载能力的最佳参数。

有文献记载根据简化方法，推导截面在承载能力极限状态下的裂缝高度。由于非线性材料本构、混凝土开裂的影响，简化方法精度十分有限；更重要的是，简化方法不能给出对评估至关重要的裂缝高度与承载能力（弯矩）的全过程关系曲线。

桥梁技术状况调查和荷载试验评估中均没有充分利用桥梁检测成果。如果能深入挖掘将一般检测和定期检查得到的裂缝信息应用到桥梁承载能力评定中，这不仅能够提高评定效果，而且也符合我国现行规范的整体评定体系，并没有增加太多额外的工作量，能适应任务繁重的桥梁养护工作。

本发明基于裂缝高度值对桥梁承载能力评定的可靠性和重要性，提出一种基于裂缝开展高度的梁桥损伤评估预警方法，该方法是确定待监测梁桥各主梁跨中截面的危险裂缝高度范围，当待监测梁桥主梁上的裂缝开展至该主梁跨中截面的危险裂缝高度范围时进行预警；主梁跨中截面的危险裂缝高度范围确定是以该主梁的抗力设计值R_d和抗力标准值R_k为依据，从该主梁跨中截面的弯矩-裂缝高度图中读取该主梁跨中截面的危险裂缝高度范围[h_d,h_k]，h_d为抗力设计值R_d对应的裂缝高度，h_k为抗力标准值R_k对应的裂缝高度；当桥梁发生损坏时必然会伴随着主梁开裂，经过研究表明装配式RC简支T梁，装配式PSC简支T梁、PSC连续T梁、PSC连续箱梁桥弯矩与裂缝开展高度有明确的函数关系，通过大量研究得到交通运输部通用图覆盖范围桥梁的弯矩与裂缝高度关系图,表明桥梁主裂缝高度与其所承受弯矩具有线性关系，理论证明可以通过监测桥梁裂缝开展高度来进行损伤评估并对桥梁损伤进行预警。根据弯矩-裂缝高度关系图，[R_d，R_k]对弯矩应超出承载能力允许的区间，裂缝缓慢延伸至极限高度，同时预应力钢筋开始屈服，因此监测抗力设计值R_d所对应的裂缝高度位置是否开裂就可以确定桥梁是否处于危险状态，是否需要进行危险预警；

其中主梁跨中截面（A截面）的弯矩-裂缝高度图按下述方法作取：

步骤1，根据桥梁图纸上的设计参数建立桥梁的A截面分析模型，并进行截面非线性全过程分析，得到各级荷载下的A截面的弯矩、曲率和形心应变；在建立桥梁的A截面分析模型时采用的本构关系为《混凝土结构设计规范GB50010—2010[S]》中的实际本构，即反映桥梁材料真实情况的本构，以保证整个方法原理推导过程中采用的计算裂缝参数与实测裂缝参数相对应；进而保证：采用本发明的方法对桥梁的承载能力进行评定时，实测裂缝参数与方法原理推导过程中的计算裂缝参数对比时采用材料的实际本构；需要进一步限定的是，该步骤1中在进行截面非线性全过程分析时，逐级施加荷载为f₁,f₂,f₃,...,f_a,...,f_A；其中f₁=0，荷载f_a+1时A截面的曲率=荷载f_a时A截面的曲率+0.005倍的A截面的极限曲率，荷载f_A时A截面的曲率为A截面的极限曲率。

步骤2，分别求取每级荷载下A截面中的裂缝高度，其中某一级荷载下（如荷载f_a下）A截面中的裂缝高度为y′_cr，且：

y'_cr＝(ε_c-γf_tk/E_c)/φ+y_c   （式1）

（式1）中：

ε_c为该级荷载下A截面的形心应变；

γ为受拉区混凝土塑性影响系数；

f_tk为混凝土轴心抗拉标准值，根据桥梁所用的混凝土强度等级确定；

E_c为混凝土弹性模量，根据该桥梁所用的混凝土强度等级确定；

φ为该级荷载下A截面的曲率；

y_c为开裂前A截面的形心轴距离梁底面的垂直距离；

之后，得到每级荷载下的A截面中的裂缝高度，从而得到每级荷载下的弯矩-裂缝高度；

步骤3，以各级荷载下的弯矩-裂缝高度作图，得到相应的实测裂缝所在横桥向截面的弯矩-裂缝高度图，

上述步骤1至步骤3可借用截面非线性全过程分析软件实现。

以下是发明人给出的关于（式1）的推导过程：

参考图1，在梁桥的某一主梁跨中截面中，设：

该主梁开裂前，跨中截面的形心轴距离梁底面的距离为y_c，

跨中截面的中性轴距离梁底面的距离为y_n；

该主梁开裂前形心轴与中性轴重合，即y_c=y_n；

在某级开裂荷载作用下：

裂缝高度为y′_cr；

中性轴从距离梁底面y_n的位置移至距离梁底面y′_n的位置；

裂缝最高点距离形心轴±Δ'_cr的距离，即y'_cr=y_c±Δ'_cr；

根据平截面假定有：ε_y＝ε_c-φ(y-y_c)，y表示跨中截面上的某一高度，ε_y表示跨中截面高度y处的应变，

故：y＝(ε_c-ε_y)/φ+y_c   （式11）

根据几何关系和材料力学，对裂缝的开裂高度有：y＝y'_cr，ε_y＝γf_tk/E_c，代入（式11）可得：

y'_cr＝(ε_c-γf_tk/E_c)/φ+y_c

从而得到对应的弯矩-裂缝高度。该推导过程可以用截面非线性全过程分析软件实现。

需要说明的是，本发明中的实测裂缝高度和裂缝高度为裂缝自梁截面底部向上延伸的垂直距离。

现有技术公开过导电涂膜用于混凝土裂缝检测的装置，包括导电涂膜，导线、接线盒、信息发射器、接收器等。本申请是对梁桥主梁裂缝进行检测。本发明的预警系统针对运营中的旧危桥以及经过加固改造后的桥梁，通过对桥梁裂缝高度进行监测，根据裂缝高度发展情况进行损伤预警，防止发生恶性事故。

本发明通过对交通运输部同有图覆盖范围所有的装配式RC简支T梁，装配式PSC简支T梁、连续T梁、连续箱梁等桥型，进行截面非线性全过程分析，总结分析结果得到其弯矩-裂缝高度的全过程曲线，建立各桥型各跨境的裂缝特征库。根据该曲线可以通过裂缝开展高度可以快速评估桥梁损伤程度。

本发明的预警系统包括涂覆于梁桥各主梁跨中截面危险裂缝高度范围的导电涂膜和数据处理与预警装置，所述数据处理与预警装置包括数据采集器、微处理器和GMS短信模块。导电涂膜顺桥向的涂覆长度为1米。将导电涂膜涂刷在预监测部位后,通过电缆将其两端与数据采集器相连接，数据采集器同时连接至微处理器，微处理器与GMS短信模块相连接。当桥梁检测部位受拉时，导电涂膜随混凝土表面一起发生变形，电阻也随之变大，当结构开裂时导电涂膜电阻增大至无穷，此时处理器控制短信模块发送报警短信，管理员控制封闭交通对桥梁进行进一步监测或加固。

导电涂膜可选用添加型碳系双组分改性聚酯导电涂料，固化干燥后形成的弹性导电膜(涂层)，其导电依靠的是膜内导电颗粒相互接触所形成的通路，当导电涂膜受到拉伸时，导电颗粒间接触面减小，某些导电颗粒间距将大于一定的“阈值”，从而形成断路—电阻突然变为无穷大。

具体布设该预警系统时，首先根据桥型、主梁形式确定该桥抗力设计值R_d和抗力标准值R_k（具体可以通过结构有限元分析软件可以得到），从该主梁跨中截面的弯矩-裂缝高度图中读取该主梁跨中截面的危险裂缝高度范围[h_d,h_k]，h_d为抗力设计值R_d对应的裂缝高度，h_k为抗力标准值R_k对应的裂缝高度，将[h_d,h_k]作为裂缝高度报警阈值。确定该桥裂缝高度报警阈值后，在主梁跨中报警阈值高度处粘贴导电涂膜。将导电涂膜涂装到结构表面时，先将结构进行表面清洁，清除油污、浮灰；再将两块薄铜片作为导电膜对称电极黏贴在设计位置；然后将导电涂料与固化剂等按照适当比例混合均匀，采用涂刷或者喷涂的方式在构件表面进行均匀涂装，厚度控制在1mm左右，高度为h_k-h_d，长度根据主裂缝位置确定，一般为顺桥向1米，要求覆盖主梁跨中区域最高的几条主裂缝；待涂层固化后形成导电涂层即可进行裂缝监测。两边通过导线连接至数据采集器，由一端连续输入电信号，另一端接收。数据采集器与微处理器连接。

实施例1：

该实施例的梁桥为：309国道某大桥，于1975年通车，桥梁总长160米，上部结构为8×20米钢筋混凝土简支T型梁，每孔有5片T型梁组成，标准跨径20米，计算跨径19.60米，主梁全长20米。

经过外观检查，发现其主梁病害主要表现为：主梁腹板混凝土开裂，且全桥各梁裂缝分布近似，距梁端1/4跨径区以斜裂缝为主，1/4到3/8跨径区段以网状裂缝为主，跨中区以竖向裂缝为主，分布密度大，普遍延伸至1/2梁高，跨中裂缝延伸至腹板上缘其中最高3条裂缝平均高1.1米。

该桥中梁的弯矩-裂缝高度关系图如图2所示，边梁跨中截面的弯矩-裂缝高度关系图如图3所示。

其中弯矩与开裂高度具有明确的函数关系，以图2为例，图中曲线大致分为5段:

①截面开了后,开裂高度迅速增加至0.8m左右,弯矩从366kN·m增加至750kN·m；

②裂缝缓慢延伸至1.0m左右，此时弯矩接近1700kN·m；

③弯矩继续增大到极限弯矩，而裂缝高度几乎不变；

④钢筋屈服，裂缝二次迅速开展至1.33m，而弯矩几乎不变；

⑤钢筋强化，裂缝高度几乎不变，弯矩略有增加。根据裂缝特征曲线虽然不能准确评估结构的承载能力，但是可以做出准确的倒塌预警。

对应弯矩——裂缝高度曲线得到结论：该桥承载能力已接近抗力设计值Rd，且普通钢筋已经接近屈服状态处于第③阶段后期，需要进行维修加固，在加固后进行裂缝高度监测，否则可能发生恶性事故。在该桥第一、三、五孔跨中截面进行裂缝高度监测，分别在R_d对应位置即梁高1.15米处粘贴导电涂层，导电涂层，安装检测系统。在该桥运营过程中实时监控裂缝开展高度，如发现其裂缝扩展至1.15米，该桥进入阶段④在弯矩几乎不变的情况下钢筋已经开始屈服，监测系统将会给桥梁管理人员发送警报短信，要求及时限制交通，对该桥做进一步的检测试验。