一种翼缘板抗倾覆性能评估方法及系统与流程

1.本发明涉及混凝土梁足尺模型试验加固领域，特别是涉及一种翼缘板抗倾覆性能评估方法及系统。


背景技术：

2.混凝土t梁是国内外铁路、公路、市政道路中广泛应用的简支梁结构形式，这种结构形式可发挥混凝土良好的材料性能和梁结构形式的受力性能，是一种技术经济性良好的结构形式。我国铁路桥梁以预应力混凝土梁桥为主，结构形式受力明确，构造简单，可为列车运营提供足够的刚度和稳定性。预应力混凝土t梁具有承载力高、材料用量少、自重小、稳定性好以及施工架设方便等优点，是桥梁建设中典型的梁结构形式，在铁路桥梁中有着广泛的应用。
3.铁路桥梁混凝土t梁结构在t梁横向梁端设置了竖向挡砟墙可将道砟固定在钢轨下方一定范围内，可使列车平稳长久运行。铁路运营中由于列车和桥梁、轨道之间的相互作用而产生周期性振动和噪声，因此，当铁路桥梁经过村庄和城市等居民较多地段时需设置防噪声装置。混凝土t梁在梁体翼缘板外侧设置声屏障装置，通过支架和预埋t钢将结构自重、行人、风压等荷载传递至挡砟墙和翼缘板。简支t梁声屏障在铁路运营过程中承受风荷载、列车气动力等活载作用，沿海地区声屏障需考虑台风荷载作用。声屏障简支t梁承担该荷载的翼缘板为薄板结构，其结构受力方式与理论计算形式差别较大。挡砟墙根部为直角形应力集中区，且该处翼缘为薄板结构，导致结构在承受荷载作用后过早出现裂缝，钢筋未能发挥其抗拉性能，结构的耐久性和极限承载能力降低。因此，有必要对混凝土t梁翼缘板结构的抗倾覆能力进行评估，保障混凝土桥梁结构安全使用。
4.另一方面，随着混凝土梁结构建设的范围越来越广泛，且运营使用时间不断增加，部分桥梁出现劣化和病害，因此需针对混凝土t梁翼缘板抗倾覆性能进行评估分析，确保梁结构的运营安全性。
5.铁路运营中已出现由于翼缘板结构与挡砟墙交接处开裂和各种荷载作用引起的挡砟墙整体掉落的情况，造成了线路中断等事故。铁路线路与公路线路交汇处多采用桥梁结构进行跨越，挡砟墙掉落有极大概率造成人身和财产事故。但是，目前尚无针对混凝土t梁翼缘板结构进行状态评估的方法，缺少混凝土t梁翼缘板结构的翼缘板结构抗倾覆试验与分析方法，亟需针对混凝土t梁翼缘板结构进行试验评估和计算分析，以保障混凝土t梁翼缘板结构的运营安全性，规避桥梁翼缘板结构出现的重大安全事故。
6.为解决上述问题现需一种翼缘板抗倾覆性能评估方法。


技术实现要素：

7.本发明是为了解决现有技术中目前尚无针对混凝土t梁翼缘板结构进行状态评估的方法，缺少混凝土t梁翼缘板结构的翼缘板结构抗倾覆试验与分析方法，亟需针对混凝土t梁翼缘板结构进行试验评估和计算分析，以保障混凝土t梁翼缘板结构的运营安全性，规
避桥梁翼缘板结构出现的重大安全事故的问题，提供了一种翼缘板抗倾覆性能评估方法，解决了上述问题。
8.本发明提供了一种翼缘板抗倾覆性能评估方法，包括以下步骤：
9.s1、对待测试翼缘板进行结构状态评估，确定当前翼缘板是否需要进行抗倾覆试验，是则进行步骤s2，否则输出翼缘板结构状态；
10.s2、根据原翼缘板结构构建翼缘板抗倾覆性能评估系统；
11.s3、对翼缘板抗倾覆性能评估系统进行加载试验，并记录试验承载力作为评估参数；
12.s4、选取承受荷载最大截面为第一检算截面，选取截面尺寸最小截面为第二检算截面，选取截面有显著变化和产生应力集中截面为第三检算截面；
13.s5、按照各检算截面的纵向单位截面分别计算承载力m；
14.s6、将计算承载力mc与试验承载力m
t
比较，取较小值作为结构承载力m；
15.s7、按照梁体结构设计规范中承受的各项自重、风荷载等计算翼缘板各关键截面处的内力值作为设计荷载内力m
d；
16.s8、将分析得出的结构承载力与设计荷载内力进行相除，得到检算截面安全系数，公式如下：
[0017][0018]
其中，n为安全系数；mi为i截面承载力；m
di
为i截面设计荷载内力；
[0019]
s9、依据得出的安全系数对应的的抗倾覆评价等级，得出翼缘板结构抗倾覆状态。
[0020]
第一检算截面中取计算承载力和试验承载力中的较小值作为本截面承载力，承载力与设计荷载的比值为第一检算截面安全系数；
[0021]
第二检算截面中取计算承载力和试验承载力中的较小值作为本截面承载力，承载力与设计荷载的比值为第二检算截面安全系数；
[0022]
第三检算截面中取计算承载力和试验承载力中的较小值作为本截面承载力，承载力与设计荷载的比值为第三检算截面安全系数；(4)比较第一、第二、第三检算截面的安全系数，取其中最小值为结构安全系数。
[0023]
本发明所述的一种翼缘板抗倾覆性能评估方法，作为优选方式，步骤s1的结构状态评估具体包括：对待测试翼缘板分别进行外观检查、裂缝检测和钢筋保护层厚度测试；
[0024]
外观检查的具体评估方法如下公式：
[0025][0026]
其中，r1为外观检查的伤损系数，t1为挡砟墙倾斜角度，t2为重点检查区域损伤面积，m1为挡砟墙倾斜极限值，m2为重点检查区域总面积；
[0027]
裂缝检测的具体评估方法具体如下公式：
[0028]
[0029]
其中，r2为裂缝检测的伤损系数，h1为重点检查区域裂缝纵向长度，h2为重点检查区域裂缝宽度，k1为翼缘板检查区域纵向总长度，k2为t梁翼缘板结构裂缝宽度限值；
[0030]
钢筋保护层厚度测试的具体评估方法如下公式：
[0031][0032]
其中，r3为钢筋保护层厚度测试的伤损系数，f1为重点检查区域翼缘板上层横向钢筋保护层厚度测试值，f2为重点检查区域翼缘板上层横向钢筋保护层厚度设计值，p为重点检查区域翼缘板上层横向钢筋保护层厚度超厚限值；
[0033]
计算混凝土t梁翼缘板结构的状态结果r，公式如下：
[0034][0035]
其中，pi为检测系统的动态加权权数，通过动态加权显示连接构造关键指标对结构状态的影响；ri为各检测系统的损伤系数；
[0036]
根据混凝土t梁翼缘板结构的状态结果r得出当前翼缘板是否需要进行抗倾覆试验的结论。
[0037]
本发明所述的一种翼缘板抗倾覆性能评估方法，作为优选方式，步骤s5具体包括:
[0038]
s51、根据应变平截面假定，计算相应应力，公式如下：
[0039]
σc＝εcec[0040]
σs＝ε
ses
[0041]
其中，σc为混凝土应力；εc为混凝土应变；ec为混凝土弹模；σs为钢筋应力；εs为钢筋应变；es为钢筋弹模；
[0042]
s52、截面根据各处受力计算钢筋和混凝土在截面中的受力，
[0043]
fc＝σ
cac
[0044]fs
＝σ
sas
[0045]
其中，fc为混凝土受力；ac为混凝土面积；fs为钢筋受力；fs为钢筋面积；
[0046]
s53、根据平衡方程得到混凝土和钢筋的受力和力臂h，其中平衡方程为：
[0047]
fc+fs＝0；
[0048]
s54、假定截面达到极限情况，计算截面计算承载力，公式如下：
[0049]
mc＝f
sh[0050]
其中，mc为截面计算承载力，h为作用力臂。
[0051]
本发明所述的一种翼缘板抗倾覆性能评估方法，作为优选方式，步骤s3具体包括：
[0052]
将翼缘板抗倾覆性能评估系统通过固定装置固定在试验台座上，对翼缘板抗倾覆性能评估系统进行加载试验；
[0053]
加载试验加载过程为5个循环加载过程，第1个循环加载过程为初始加载循环，用以确定模型试件开裂荷载；
[0054]
第2、3、4循环加载过程最大值为设计荷载组合工况中最大值，用以评价结构状态稳定性；
[0055]
第5循环加载过程将试件加载至最终破坏状态，并将最大荷载值为结构的试验承载力。
[0056]
本发明提供的一种翼缘板抗倾覆性能评估系统，包括挡砟墙、两翼缘板结构、支架、附属结构和锚栓，两翼缘板结构设置在附属结构两侧，锚栓竖向设置穿过附属结构用于附属结构固定，档砟墙竖向设置在翼缘板结构外侧边部，支架设置在档砟墙外侧，翼缘板结构和支架的钢筋配置、外形尺寸、材料与待检测翼缘板一致，挡砟墙纵向长度、翼缘板结构的纵向长度、支架的纵向长度、附属结构的纵向长度均为预埋件1倍纵向长度和2倍竖向高度的长度之和。
[0057]
本发明所述的一种翼缘板抗倾覆性能评估方法，作为优选方式，加载试验还对位移值、钢筋应变、混凝土应变、裂缝跨度进行检测。
[0058]
本发明所述的一种翼缘板抗倾覆性能评估方法，作为优选方式，第一为档砟墙内表面平面，第二检算截面为翼缘板连接处竖向平面，第三检算截面为档砟墙根部水平截面。
[0059]
本发明有益效果如下：
[0060]
(1)采用本方法可掌握混凝土t梁翼缘板的抗倾覆性能，保证结构运营中的安全性，对抗倾覆状态较差的及时进行加固，规避安全事故；
[0061]
(2)可考虑不同荷载组合工况下的设计荷载、开裂荷载和极限荷载三个因素进行荷载等级划分；
[0062]
(3)充分考虑倾覆可能产生原因以此选取最合适的检算截面，使本方法具有较强的可靠性。
附图说明
[0063]
图1为一种翼缘板抗倾覆性能评估方法示意图。
具体实施方式
[0064]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0065]
实施例1
[0066]
如图1所示，一种翼缘板抗倾覆性能评估方法，包括以下步骤：
[0067]
s1、对待测试翼缘板进行结构状态评估，确定当前翼缘板是否需要进行抗倾覆试验，是则进行步骤s2，否则输出翼缘板结构状态；
[0068]
s2、根据原翼缘板结构构建翼缘板抗倾覆性能评估系统；
[0069]
s3、对翼缘板抗倾覆性能评估系统进行加载试验，并记录试验承载力作为评估参数；
[0070]
s4、选取承受荷载最大截面为第一检算截面，选取截面尺寸最小截面为第二检算截面，选取截面有显著变化和产生应力集中截面为第三检算截面；
[0071]
s5、按照各检算截面的纵向单位截面分别计算承载力m；
[0072]
s6、将计算承载力mc与试验承载力m
t
比较，取较小值作为结构承载力m；
[0073]
s7、按照梁体结构设计规范中承受的各项自重、风荷载等计算翼缘板各关键截面处的内力值作为设计荷载内力md；
[0074]
s8、将分析得出的结构承载力与设计荷载内力进行相除，得到检算截面安全系数，公式如下：
[0075][0076]
其中，n为安全系数；mi为i截面承载力；m
di
为i截面设计荷载内力；
[0077]
s9、依据得出的安全系数对应的的抗倾覆评价等级，得出翼缘板结构抗倾覆状态。
[0078]
混凝土t梁翼缘板抗倾覆状态评价表如下：
[0079][0080]
针对模型试件的纵向长度计算挡砟墙自重、人行道板重量、人行道支架、声屏障重量、人行道活载、气动力、电缆槽重量、风荷载等作用，根据t梁所应用环境选取相应设计荷载计算方法，计算得出t梁翼缘板横向倾覆荷载。将设计荷载分别移至检算截面得到设计荷载。
[0081]
外观检查是通过肉眼观察混凝土t梁翼缘板结构的外观状态，检查挡砟墙是否明显倾斜、挡砟墙外观是否有明显破损；裂缝检测是观察和检测混凝土t梁翼缘板的裂缝状态和裂缝宽度，重点检查挡砟墙与翼缘板交接位置处的裂缝状态；钢筋保护层厚度测试是测试混凝土t梁翼缘板钢筋的保护层厚度，其中翼缘板上层横向钢筋的保护层厚度是测试重点。
[0082]
在倾斜度测试、裂缝宽度测试和钢筋保护层厚度测试需用专业测试仪器进行测定。
[0083]
外观检查、裂缝检测和钢筋保护层厚度后综合评估混凝土t梁翼缘板结构的状态，确定结构是否需要开展抗倾覆试验。
[0084]
步骤s1的结构状态评估具体包括：对待测试翼缘板分别进行外观检查、裂缝检测和钢筋保护层厚度测试；
[0085]
外观检查的具体评估方法如下公式：
[0086][0087]
其中，r1为外观检查的伤损系数，t1为挡砟墙倾斜角度，t2为重点检查区域损伤面积，m1为挡砟墙倾斜极限值，m2为重点检查区域总面积；
[0088]
裂缝检测的具体评估方法具体如下公式：
[0089][0090]
其中，r2为裂缝检测的伤损系数，h1为重点检查区域裂缝纵向长度，h2为重点检查区域裂缝宽度，k1为翼缘板检查区域纵向总长度，k2为t梁翼缘板结构裂缝宽度限值；
[0091]
钢筋保护层厚度测试的具体评估方法如下公式：
[0092][0093]
其中，r3为钢筋保护层厚度测试的伤损系数，f1为重点检查区域翼缘板上层横向钢筋保护层厚度测试值，f2为重点检查区域翼缘板上层横向钢筋保护层厚度设计值，p为重点检查区域翼缘板上层横向钢筋保护层厚度超厚限值；
[0094]
计算混凝土t梁翼缘板结构的状态结果r，公式如下：
[0095][0096]
其中，pi为检测系统的动态加权权数，通过动态加权显示连接构造关键指标对结构状态的影响；ri为各检测系统的损伤系数；
[0097]
根据混凝土t梁翼缘板结构的状态结果r得出当前翼缘板是否需要进行抗倾覆试验的结论。
[0098]
根据各分检测系统对t梁翼缘板结构损伤程度的影响进行加权，权重如下：
[0099]
加权系数权重裂缝状态p240％外观状态检查系数p130％钢筋保护层厚度p330％
[0100]
根据最终结果r的理论最大值和理论最小值的区间范围及损伤程度将最终状态结果均分为轻微、中等、较重、严重和极严重5个损伤等级；
[0101]
混凝土t梁翼缘板结构状态分为a、b、c、d四级，a级又分为aa、a1两等。其中d级为轻微，c级为中等，b级为较重，a1为严重，aa为极严重，各劣化等级所涉及的评价与措施如下表：
[0102][0103]
步骤s5具体包括:
[0104]
s51、根据应变平截面假定，计算相应应力，公式如下：
[0105]
σc＝εcec[0106]
σs＝ε
ses
[0107]
其中，σc为混凝土应力；εc为混凝土应变；ec为混凝土弹模；σs为钢筋应力；εs为钢筋应变；es为钢筋弹模；
[0108]
s52、截面根据各处受力计算钢筋和混凝土在截面中的受力，
[0109]
fc＝σ
cac
[0110]fs
＝σ
sas
[0111]
其中，fc为混凝土受力；ac为混凝土面积；fs为钢筋受力；fs为钢筋面积；
[0112]
s53、根据平衡方程得到混凝土和钢筋的受力和力臂h，其中平衡方程为：
[0113]
fc+fs＝0；
[0114]
s54、假定截面达到极限情况，计算截面计算承载力，公式如下：
[0115]
mc＝f
sh[0116]
其中，mc为截面计算承载力，h为作用力臂。
[0117]
步骤s3具体包括：
[0118]
将翼缘板抗倾覆性能评估系统通过固定装置固定在试验台座上，对翼缘板抗倾覆性能评估系统进行加载试验；
[0119]
加载试验加载过程为5个循环加载过程，第1个循环加载过程为初始加载循环，用以确定模型试件开裂荷载；
[0120]
第2、3、4循环加载过程最大值为设计荷载组合工况中最大值，用以评价结构状态稳定性；
[0121]
第5循环加载过程将试件加载至最终破坏状态，并将最大荷载值为结构的试验承载力。
[0122]
本实施例混凝土t梁翼缘板抗倾覆试验的加载优先流程，模型试件加载过程中的荷载等级可考虑不同荷载组合工况下的设计荷载、开裂荷载和极限荷载三个因素进行荷载等级划分如下表：
[0123]
[0124]
[0125][0126]
翼缘板抗倾覆性能评估系统包括挡砟墙、两翼缘板结构、支架、附属结构和锚栓，两翼缘板结构设置在附属结构两侧，锚栓竖向设置穿过附属结构用于附属结构固定，档砟墙竖向设置在翼缘板结构外侧边部，支架设置在档砟墙外侧，翼缘板结构和支架的钢筋配置、外形尺寸、材料与待检测翼缘板一致，挡砟墙纵向长度、翼缘板结构的纵向长度、支架的纵向长度、附属结构的纵向长度均为预埋件1倍纵向长度和2倍竖向高度的长度之和。
[0127]
本实施例中简支梁全长32.6m，预埋件和支架纵向间距为2m，挡砟墙横向断缝的纵向间距6m。
[0128]
附属结构是为完成模型加载而添加的结构，其尺寸和配置可根据实际试验条件确定；加载系统为完成模型试件加载，模拟结构承受倾覆荷载的装置，可根据实际试验条件确定；固定装置是将模型试件固定于试验台座的装置，可根据实际试验条件确定；试验方案是
对模型试件进行加载和测试的方法，根据t梁翼缘板结构的设计荷载和结构特点确定。上述各部件纵向长度为预埋t钢纵向长度和2倍高度的加和作为模型试件纵向长度，若挡砟墙横向断缝间距小于上述纵向长度计算值，则选用挡砟墙最小断缝间距作为模型试件纵向长度；加载系统最大可施加荷载值应为t梁翼缘板结构设计荷载的3倍以上，且可进行实施记录荷载数值。
[0129]
翼缘板抗倾覆性能评估系统宜以相同制备工艺制作3个，进行同条件试验测试，三个模型试件最大荷载测值的算术平均值作为该组试件的承载力值(精确至0.1kn)，三个最大荷载测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15％时，则把最大及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的试验荷载值；如最大值和最小值与中间值的差均超过中间值的15％，则该组模型试件的试验结果无效。
[0130]
加载试验还对位移值、钢筋应变、混凝土应变、裂缝跨度进行检测。
[0131]
第一为档砟墙内表面平面，第二检算截面为翼缘板连接处竖向平面，第三检算截面为档砟墙根部水平截面。
[0132]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。