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基于光纤光栅传感技术的简支梁桥预应力损失分析及超载预警

时间:2016-08-21 09:56来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是铁路工程论文,本文就通过在实际桥梁结构中埋设传感器,通过理论分析,结合实际测量的桥梁参数,建立了基于实际工程的简支梁桥预应力损失计算方法。
第一章 绪 论
 
1.1 研究背景
预应力混凝土结构诞生于 19 世纪末,到 20 世纪 20 年代已经广泛应用于桥梁、建筑、水工结构等土木工程领域中。预应力引入桥梁结构,大大节省了材料用量,减轻了桥梁结构自重,有效提高了桥梁的刚度,使得桥梁具有更大的跨越能力,对于桥梁建设事业特别是大跨径桥梁的建设具有里程碑式的意义。我国预应力混凝土桥梁的应用相对较晚,预应力混凝土桥梁的大量应用是在改革开放以后,随着经济的发展,公路交通作为经济发展的先行官得到了迅速发展,成绩斐然。近 30 年来,我国已建成桥梁达 70 万座,其中 75%都为预应力结构,预应力桥梁以其独特的优势得到了广泛的应用[1]。然而,由于预应力筋和混凝土材料自身性能的变化、外部环境以及施工条件的影响,预应力损失是实际工程中不可避免的难题,预应力损失使得结构中的有效预应力低于设计的预应力,从而影响结构的使用性能。预应力损失会造成结构挠度增大,影响结构的正常使用。挠度的持续增大会引起桥梁裂缝的出现,引起钢筋的锈蚀和混凝土材料性能的劣化,造成结构耐久性降低。例如,1994 年建成的广州金沙大桥,为预应力混凝土连续刚构桥梁,主桥最大跨径 120m,六年后桥梁跨中下挠 22cm,同时桥梁腹板出现大量的斜裂缝;1993 年建成通车的湖北汉江预应力混凝土大桥,主桥最大跨径100m,2004 对该桥梁进行了检测,结果显示腹板裂缝有 50 多处,多数裂缝长度达 1m,同时跨中最大下挠达到 20.5cm;1995 年建成的黄石长江大桥,最大跨径245m,桥梁跨中下挠已近 70cm,同时伴随着出现了大量裂缝。所以如何有效评估桥梁结构的有效预应力对桥梁的健康状态评价具有重要意义[2]。从发现预应力损失现象以来,国内外工程从业人员和科研工作者对其进行了大量的研究,提出了许多预应力损失分析方法,积累了大量的经验,各国规范也都给出了预应力损失的各种计算方法,但是已有计算方法之间差异较大,认同度不一,目前没有一种理论计算方法能够精确地计算出工程结构的实际预应力损失。
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1.2 研究现状
自从认识到预应力损失对桥梁结构的影响以来,国内外工程从业人员和学者对预应力损失进行了大量的研究[16-20],在预应力损失预测计算方面取得了一定的成果,但是目前没有一种方法能够准确的测量桥梁的预应力损失,大多数的预应力损失计算方法都是近似预测结构构件中的有效预应力,目前国内外有关预应力损失的分析方法主要有[21-28]:(1)静力测试方法,该方法主要是通过测试预应力筋的应力大小来预测预应力的损失;(2)动力测试方法,该方法是基于结构动力特性和结构预应力大小之间的关系,通过测试桥梁动力特性的变化实现预应力损失的检测;(3)基于光纤光栅传感原理的预应力检测技术;(4)基于磁力偏振场原理的测试技术;(5)应力释放技术;(6)超声波技术;下面对国内外有关预应力损失研究作具体的介绍。
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第二章 简支梁桥预应力损失理论分析
 
2.1 简支梁变形几何分析
利用等效思想,将简支箱梁在自重荷载和预应力长期荷载作用下的变形等效为弹性杆件在两端支撑条件下的变形,桥梁结构自重简化为均布荷载 q ,包括一期二期恒载;预应力对结构的作用简化为弯矩 M ,计算简图如图 2.1 所示。取跨中截面的微段进行变形几何分析,所取微段及其变形前后如图 2.2 a、b 和 c 所示。
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2.2 简支梁受力分析
求得挠曲线微分方程后,考虑简支梁的受力特点,将简支梁的受力简化为自重荷载和预应力两种长期荷载作用,求解在这种受力形态之下简支梁的挠曲线方程,进而求得简支梁计算截面(这里为跨中截面)的挠度表达式。这里,简支梁截面底板从支点到跨中逐渐变薄,主要是考虑截面的抗剪要求,但是对于截面抗弯刚度 EI 而言,我们近似认为 EI 为常数,求得单一长期荷载作用下简支梁跨中挠度后,接下来我们求解预应力简支梁在预应力和自重荷载作用下预应力损失计算公式。从公式(2.13)我们可以看出,在预应力作用下,简支梁跨中挠度随着预应力引起弯矩的变化而变化,也就是说,预应力损失后,预应力引起的桥梁弯矩就会发生变化,那么桥梁跨中挠度就会随之产生变化。这里,预应力损失由很多因素引起,包括混凝土的弹性压缩;预应力筋与管道之间的摩擦;锚具变形、钢筋回缩;钢筋松弛;混凝土的收缩徐变、施工条件、环境温度湿度等。所有这些因素都会造成预应力的损失,从而影响式(2.13)中弯矩的变化,所以预应力引起桥梁挠度的变化也是由诸多因素造成的,基于这样的分析,预应力简支梁挠度的变化反映了桥梁综合因素(包括桥梁自身性能的变化和环境因素的影响)对桥梁变形的影响。利用叠加原理,我们可以求得在自重和预应力两种长期荷载作用下混凝土跨中挠度的表达式,其计算简图如图 2.5 所示。
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第三章 光纤光栅传感技术及远程数据传输系统.....23
3.1 光纤光栅传感技术简介.......... 23
3.1.1 光纤光栅传感技术........23
3.1.2 光纤光栅测量原理........23
3.2 光纤光栅测量仪器...........24
3.3 远程数据实时传输系统.......... 29
3.3.1 数据采集.........29
3.3.2 远程数据传输........ 31
3.4 本章小结........... 34
第四章 基于实际工程的简支梁预应力损失分析.....35
4.1 工程概况........... 35
4.2 基于本文方法的桥梁预应力损失分析.........36
4.3 基于我国桥涵设计规范的预应力损失分析........ 41
4.4 基于美国桥梁规范的预应力损失分析.........45
4.5 各计算方法的比较...........47
4.6 本章小结........... 48
第五章 基于预应力损失的桥梁超载预警......... 49
5.1 概述....49
5.2 桥梁超载预警...........49
5.3 本章小结........... 54
 
第五章 基于预应力损失的桥梁超载预警
 
5.1 概述
随着经济的发展,大型交通运输日益增多,超载超限车辆所占比重也越来越大,对桥梁的承载能力提出了更高的要求,同时,因超载车辆引起的桥梁损伤和桥梁垮塌事故频发[58-60]。超载车辆对桥梁的影响不容忽视,轻则造成桥梁的损伤,重则造成桥梁坍塌,引起毁灭性的破坏,威胁生命安全,造成巨大的经济损失[61]。如何防止此类事故的发生,除了加强对超载车辆的查处力度、加强超载车辆的监管外,建立有效的桥梁超载预警方法、实现桥梁健康状态实时监测,对于预防桥梁超载具有重要意义。目前关于超载对桥梁结构的影响主要集中在超载后桥梁的疲劳性能、损伤评估、寿命预测、承载能力分析以及加固等方面[62-64],本章基于桥梁实测应变响应,以一座预应力简支梁为例,提出了一种基于实测应变和有效预应力的桥梁超载预警方法。在前文预应力损失计算的基础上,建立桥梁结构有限元模型,对预应力简支梁进行理论承载力分析,得到桥梁结构不同截面的应变限值,并以此为判定依据,将实际应变传感器测量的桥梁结构应变与理论限值进行比较,实现桥梁结构的超载预警。超载预警流程图如图 5.1 所示。
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结论
 
本文依托吉林省交通厅科技项目“国道 102 线安龙泉互通立交桥健康监测技术研究”,以安龙泉互通立交桥 E 匝道预应力简支梁桥为研究对象,基于光纤光栅传感技术,在预应力简支梁跨中位置安装静力水准仪,在跨中箱梁底板位置埋设光纤光栅应变传感器,并对桥梁在不同状态下的跨中应变波长数据和竖向挠度波长数据进行了长达 5 年的监测,取得了大量实测应变数据和挠度数据;考虑预应力和桥梁自重长期作用,对桥梁结构进行了变形几何分析和受力分析,建立了简支梁桥跨中截面应变、挠度和荷载之间的关系。以此为基础,得到了预应力简支梁预应力损失计算公式,基于实测数据,计算了该桥梁的预应力损失,并与相关规范的计算结果进行了比较,验证了该方法的有效性。同时,在预应力损失分析基础上,对桥梁结构的承载能力进行了计算,建立了桥梁超载预警方法。本文的主要研究结论有:
1、基于纯弯曲理论,考虑预应力和桥梁自重长期作用,将预应力简化为对结构的弯矩,对简支梁跨中截面进行了几何分析和受力分析,建立了桥梁跨中应变、跨中挠度和预应力弯矩之间的关系,进而得到了预应力简支梁跨中截面预应力损失计算公式,为预应力损失分析提供了理论支撑;
2、试验结果表明,实际工程所用传感器具有一定的测量精度,可以应用于桥梁结构健康监测;基于 GPRS 模块的数据无线传输系统能够很好地完成监测数据的远程传输;
3、基于长期实测应变数据和挠度数据,利用本文建立的预应力损失计算公式得到该桥梁成桥四年后的预应力损失为 14.6%,我国公路桥规计算得到的预应力损失为 17.3%,美国规范计算的预应力损失为 13.5%,三者计算结果接近,表明了本文建立的预应力损失计算公式具有一定的可靠性和准确性;同时,本文建立的预应力损失计算方法可进行大范围预应力简支梁预应力损失分析;并可实现对简支梁桥预应力损失的长期监测和桥梁健康状态的评估.
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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