基于相对位移极限方程的空心板铰缝的服役寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种空心板铰缝的服役寿命预测方法，该方法考虑了混凝土及钢筋的时变性后，通过铰缝相邻板底的相对位移列出极限状态方程，确定变量的概率分布后，建立不同时间段的有限元模型，采用蒙特卡洛法进行各模型可靠度的计算，得到时变可靠度，之后确定临界可靠度指标，最终得出空心板的服役寿命。本发明运用时变可靠度来预测铰缝寿命的方法新颖有效，对空心板的维修养护起到指导作用，避免空心板因铰缝破坏而出现单板受力状况。

说明书

技术领域

本发明涉及，尤其涉及一种基于相对位移极限方程的空心板铰缝的服役寿命预测方法。

背景技术

空心板广泛应用于我国中小跨径桥梁中，原因在于该类桥施工简单，造价较低，梁高低，景观效果好。但是，早年间修建的空心板铰缝出现了破坏使得部分空心板出现了“单板受力”现象，造成了桥梁安全隐患。必要的提前维护可以使得这类情况大大减少，在空心板破坏前进行维修是较为经济的方法，那么提前预测空心板的服役寿命，无疑会对维修养护的决策提供指导，从而有利于空心板的健康，保证桥梁的安全并且节省费用。

目前针对空心板寿命预测的研究较少，本文提出了一种根据铰缝相邻板底相对位移列出极限方程的方法，通过计算空心板的时变可靠度来预测铰缝的寿命，该方法考虑了铰缝混凝土及钢筋的退化，预测结果较为准确，同时能够适用于不同形式的空心板，适用性强。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于相对位移极限方程的空心板铰缝的服役寿命预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于相对位移极限方程的空心板铰缝的服役寿命预测方法，包括以下步骤：

1)检测空心板铰缝，采集影响空心板铰缝性能的变量，所述变量包括：非时变变量：铰缝形式；以及时变变量：铰缝横向钢筋截面面积，铰缝纵向钢筋截面面积，铰缝混凝土强度；

2)根据采集的时变变量，建立时变变量的时变模型；

2.1)混凝土的时变模型如下：

混凝土的劣化主要是混凝土的碳化腐蚀，混凝土强度随着时间的变化仍然服从正态分布，但其平均值及标准差是随时间变化的，具体变化为：

σ_t＝σ_t0(0.0305t+1.2368)(2)

其中，

μ_t为t年后混凝土强度平均值；

μ_t0为混凝土28天强度平均值；

σ_t为t年后混凝土强度标准差值；

σ_t0为混凝土28天强度标准差值。

2.2)钢筋的时变模型如下：

钢筋锈蚀的过程用钢筋的锈蚀深度来表示，锈蚀深度在锈胀开裂前后的时变特性不一样，需分别考虑。

钢筋锈胀未开裂时采用以下模型计算钢筋锈胀开裂前的锈蚀深度：

δ_e1(t)＝λ_el(t-t₁)(3)

其中，

δ_e1(t)为锈胀开裂前的钢筋锈蚀深度(mm)；

λ_el为锈胀开裂前的钢筋锈蚀速度(mm/a)；

其中，t₁为钢筋开始锈蚀时间，由下式确定：

其中，

t₁为钢筋开始锈蚀时间；

c为混凝土保护层厚度；

k为混凝土碳化系数；

t为结构使用年限；

钢筋锈胀已开裂采用以下模型计算锈胀开裂后的锈蚀深度：

λ_el为锈胀开裂前的钢筋锈蚀速度；

t_cr为混凝土保护层锈胀开裂时间，t_cr＝δ_cr/λ_el；

δ_cr为锈胀开裂时的锈蚀深度，由下式决定：

其中，

d为钢筋直径(mm)；

k_crs为钢筋位置影响系数，可取1.35；

得出钢筋锈蚀深度后，可得钢筋截面损失率：

在后续步骤中，可根据截面损失率改变钢筋截面面积，从而最终体现钢筋的时变性。

3)建立考虑时变因素的极限状态方程，极限方程由铰缝的相对位移来确定，即Z(t)＝a_r-a(t)，其中a_r为临界损坏时的相对位移，a(t)为随时间变化得出的相对位移值，该值通过前文的时变模型，建立不同阶段的有限元模型，根据有限元模型得出；

通过步骤2)中的时变模型，建立不同阶段的有限元模型，根据有限元模型得出随时间变化的相对位移值；

极限状态方程为Z(t)＝a_r-a(t)，其中a_r为临界损坏时的相对位移，a(t)为随时间变化得出的相对位移值，所谓相对位移是指铰缝两边板底下挠值之差。由文献《基于相对位移法的铰缝破损程度检测》中的统计资料可以知道该值非定值，而可定为：均值为0.72，标准差为0.64的正态分布。

4)可靠度分析：

4.1)确定进行可靠度分析所需变量的概率分布，变量包括恒载，车辆荷载，钢筋截面面积，混凝土强度。各变量的概率分布可以查阅《公路工程结构可靠度设计统一标准》或自行统计试验数据得出；

4.2)建立铰缝及空心板的初始有限元模型。其中，模型初始参数采用时间为0时的各时变变量的参数值，之后利用软件根据极限方程使用蒙特卡洛法进行可靠度运算；

4.3)改变有限元模型。其中，模型参数采用原时间增加一个固定时间增量(可假设为2年)后的参数值的时变变量参数值，根据步骤4.2)方法进行该时间点下的可靠度计算；

4.4)重复步骤4.3)，直到时间到达限值后(设计基准期100年)停止计算；

4.5)根据步骤4.2)到4.4)得出的不同时间点的可靠度可连成一条随时间变化的曲线，该曲线即铰缝结构的时变可靠度曲线；

5)确定可靠度临界值(该临界值可采用规范《公路工程结构可靠度设计统一标准》二级结构延性破坏规定临界值4.2)，当时变可靠度等于该临界值时，该可靠度所对应的时间即为铰缝的寿命。

本发明产生的有益效果是：

一，综合考虑了混凝土及钢筋的抗力退化过程，该方法模拟较为准确。

二，通过建立不同的有限元模型，能够模拟不同深浅形式的铰缝，该方法适用性广。

三，计算结果对实际桥梁的维修加固具有较大的工程应用价值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，基于相对位移极限方程的空心板铰缝的服役寿命预测方法，包括以下步骤：

1)检测空心板铰缝，采集影响空心板铰缝性能的变量，所述变量包括：非时变变量：铰缝形式；以及时变变量：铰缝横向钢筋截面面积，铰缝纵向钢筋截面面积，铰缝混凝土强度；

2)根据采集的时变变量，建立时变变量的时变模型；

2.1)混凝土的时变模型如下：

混凝土的劣化主要是混凝土的碳化腐蚀，混凝土强度随着时间的变化仍然服从正态分布，但其平均值及标准差是随时间变化的，具体变化为：

σ_t＝σ_t0(0.0305t+1.2368)(9)

其中，

μ_t为t年后混凝土强度平均值；

μ_t0为混凝土28天强度平均值；

σ_t为t年后混凝土强度标准差值；

σ_t0为混凝土28天强度标准差值。

2.2)钢筋的时变模型如下：

钢筋锈蚀的过程用钢筋的锈蚀深度来表示，锈蚀深度在锈胀开裂前后的时变特性不一样，需分别考虑。

钢筋锈胀未开裂时采用以下模型计算钢筋锈胀开裂前的锈蚀深度：

δ_e1(t)＝λ_el(t-t₁)(10)

其中，

δ_e1(t)为锈胀开裂前的钢筋锈蚀深度(mm)；

λ_el为锈胀开裂前的钢筋锈蚀速度(mm/a)；

其中，t₁为钢筋开始锈蚀时间，由下式确定：

其中，

t₁为钢筋开始锈蚀时间；

c为混凝土保护层厚度；

k为混凝土碳化系数；

t为结构使用年限；

钢筋锈胀已开裂采用以下模型计算锈胀开裂后的锈蚀深度：

λ_el为锈胀开裂前的钢筋锈蚀速度；

t_cr为混凝土保护层锈胀开裂时间，t_cr＝δ_cr/λ_el；

δ_cr为锈胀开裂时的锈蚀深度，由下式决定：

其中，

d为钢筋直径(mm)；

k_crs为钢筋位置影响系数，可取1.35；

得出钢筋锈蚀深度后，可得钢筋截面损失率：

在后续步骤中，可根据截面损失率改变钢筋截面面积，从而最终体现钢筋的时变性。

3)建立考虑时变因素的极限状态方程，极限方程由铰缝的相对位移来确定，即Z(t)＝a_r-a(t)，其中a_r为临界损坏时的相对位移，a(t)为随时间变化得出的相对位移值，该值通过前文的时变模型，建立不同阶段的有限元模型，根据有限元模型得出；

通过步骤2)中的时变模型，建立不同阶段的有限元模型，根据有限元模型得出随时间变化的相对位移值；

极限状态方程为Z(t)＝a_r-a(t)，其中a_r为临界损坏时的相对位移，a(t)为随时间变化得出的相对位移值，所谓相对位移是指铰缝两边板底下挠值之差。由文献《基于相对位移法的铰缝破损程度检测》中的统计资料可以知道该值非定值，而可定为：均值为0.72，标准差为0.64的正态分布。

4)可靠度分析：

4.1)确定进行可靠度分析所需变量的概率分布，变量包括恒载，车辆荷载，钢筋截面面积，混凝土强度。各变量的概率分布可以查阅《公路工程结构可靠度设计统一标准》或自行统计试验数据得出；

4.2)建立铰缝及空心板的初始有限元模型。其中，模型初始参数采用时间为0时的各时变变量的参数值，之后利用软件根据极限方程使用蒙特卡洛法进行可靠度运算；

4.3)改变有限元模型。其中，模型参数采用原时间增加一个固定时间增量(可假设为2年)后的参数值的时变变量参数值，根据步骤4.2)方法进行该时间点下的可靠度计算；

4.4)重复步骤4.3)，直到时间到达限值后(设计基准期100年)停止计算；

4.5)根据步骤4.2)到4.4)得出的不同时间点的可靠度可连成一条随时间变化的曲线，该曲线即铰缝结构的时变可靠度曲线；

5)确定可靠度临界值(该临界值可采用规范《公路工程结构可靠度设计统一标准》二级结构延性破坏规定临界值4.2)，当时变可靠度等于该临界值时，该可靠度所对应的时间即为铰缝的寿命。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。