基于长标距应变的预应力碳纤维板桥梁加固效果监测方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构及传感监测技术领域，具体是一种基于长标距应变的预应力碳纤维板桥梁加固效果监测方法。。

背景技术

碳纤维增强材料(CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、便于施工等优点，目前已被广泛用于桥梁和各类建筑构件的加固维护中。为克服普通直接黏贴CFRP加固方式所导致的早期易剥离及强度利用率不高等问题，诸多学者研究并提出了预应力CFRP加固的方法，预应力CFRP板加固技术已在国内的桥梁加固中得到广泛应用，得到了业内人士的广泛认可。然而预应力CFRP加固不可避免的会出现预应力损失从而影响加固效果，因此有必要适当的对预应力CFRP材料的预应力状况进行监测和评估。传统的预应力损失监测方法大多是通过在CFRP板表面黏贴电阻应变片获得预应力损失数据，该方法容易受到腐蚀、电磁干扰、现场监测状况等影响且只能获得若干监测点的数据，并不适用于实际工程中长期、大范围的健康监测，同时缺乏缺预应力CFRP板桥梁加固效果的快速评估方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于长标距应变的预应力CFRP板桥梁加固效果监测及CFRP板预应力损失监测方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于长标距应变的预应力碳纤维板桥梁加固效果监测方法，包括以下步骤：

S1：在被监测桥梁的预应力碳纤维板加固段布置若干长标距应变传感器；

S2：采集预应力碳纤维板加固张拉施工过程中碳纤维板的长标距应变原始数据、加固完成后单辆车通过桥梁的长标距应变时程曲线；

S3：采集不同时间阶段预应力碳纤维板加固施工运营期间单辆车通过引起的长标距应变时程面积；

S4：预应力碳纤维板桥梁加固完成后，求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制成沿桥梁纵向的分布图；

S5：以预应力张拉完成后测试长标距应变时程为基准，对比不同时期单辆车通过桥梁的长标距应变时程曲线，根据计算面积分布图的变化进行预应力损失评估；

S6：通过进行多次样本数据分析来提高识别结果的可靠性，通过长期监测实现对预应力损失评估。

优选地，步骤S1中，被加固桥梁的对象为T型梁、空心板、小箱梁的混凝土桥或钢桥。

优选地，所述长标距传感器为长标距光纤光栅传感器或长标距的电阻应变传感器，碳纤维板的加固方式为两端用锚具锚固，中间和桥梁全面粘贴。

优选地，对预应力碳纤维板加固进行两个阶段监测，一个是加固过程预应力监测，一个是加固完成后运营阶段的预应力监测，前者为后者的参考标准。

优选地，步骤S3中，需要采集预应力碳纤维板加固过程中的应力状况及加固完成后单辆车通过桥梁的长标距应变时程曲线，单辆车不限制车辆类型，但限制车辆数量。

优选地，步骤S4中，加固完成后运营期间单辆车通过引起的长标距应变时程面积进行动态碳纤维板的预应力损失评估即桥梁加固效果评估。

优选地，步骤S5中，根据本发明的方法求解出加固完成后不同时间桥梁的长标距应变时程曲线，完成预应力沿桥梁方向的分布图进行评估。

有益效果：本发明采用长标距应变传感器获取预应力加固张拉施工过程中桥梁底部长标距应变和加固完成后单辆车通过桥梁引起的长标距应变时程曲线作为原始数据；采集加固完成后运营期间单辆车通过引起的长标距应变时程曲线；实现对预应力CFRP板加固桥梁的预应力损失评估；通过多次样本数据分析来提高预应力损失及桥梁加固效果评估可靠性。本发明能在不影响桥梁加固施工和后期运营交通的情况下对预应力CFRP板加固桥梁的预应力损失进行快速评估，得到桥梁预应力损失的分布情况，为桥梁的管养维修提供可靠依据。

附图说明

图1为碳纤维板桥梁加固预应力及加固效果评估原理示意图；

图2为小箱梁桥模型，但本发明不限桥型为小箱梁桥；

图3为预应力碳纤维板桥梁加固中碳纤维板在梁底位置；

图4为长标距传感器安装位置示意图；

图5为不同预应力工况下长标距应变时程曲线；

图6为不同工况下长标距应变时程曲线包围面积大小。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的介绍。

本发明的一种基于长标距应变的预应力碳纤维板桥梁加固效果监测方法，包括以下步骤：

S1：在被监测桥梁的预应力碳纤维板加固段布置若干长标距应变传感器；被加固桥梁的对象为T型梁、空心板、小箱梁的混凝土桥或钢桥，所述长标距传感器为长标距光纤光栅传感器或长标距的电阻应变传感器，碳纤维板的加固方式为两端用锚具锚固，中间和桥梁全面粘贴；

S2：采集预应力碳纤维板加固张拉施工过程中碳纤维板的长标距应变原始数据、加固完成后单辆车通过桥梁的长标距应变时程曲线；

S3：采集不同时间阶段预应力碳纤维板加固施工运营期间单辆车通过引起的长标距应变时程面积；需要采集预应力碳纤维板加固过程中的应力状况及加固完成后单辆车通过桥梁的长标距应变时程曲线，单辆车不限制车辆类型，但限制车辆数量；

S4：预应力碳纤维板桥梁加固完成后，求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制成沿桥梁纵向的分布图；加固完成后运营期间单辆车通过引起的长标距应变时程面积进行动态碳纤维板的预应力损失评估即桥梁加固效果评估；

S5：以预应力张拉完成后测试长标距应变时程为基准，对比不同时期单辆车通过桥梁的长标距应变时程曲线，根据计算面积分布图的变化进行预应力损失评估；根据本发明的方法求解出加固完成后不同时间桥梁的长标距应变时程曲线，完成预应力沿桥梁方向的分布图进行评估；

S6：通过进行多次样本数据分析来提高识别结果的可靠性，通过长期监测实现对预应力损失评估。

对预应力碳纤维板加固进行两个阶段监测，一个是加固过程预应力监测，一个是加固完成后运营阶段的预应力监测，前者为后者的参考标准。

本发明主要根据桥梁结构长标距应变监测的原理推导了梁式结构在预应力碳纤维板预应力加固后梁底的长标距应变的求解公式，在此基础上研究了一种预应力碳纤维板加固桥梁的预应力损失监测方法。如图1所示的梁式结构，假定梁式结构满足平截面假定，x

假设张拉预应力出现损失，此时预应力记为F

将

根据式(3)可以通过监测碳纤维板预应力张拉过程中梁底混凝土长标距应变来评估相应x

对于如图1所示的结构在移动荷载作用下x

则车荷载产生的长标距应变沿梁长度方向的积分为：

则车荷载产生的长标距应变沿梁长度方向的积分为：

对于由预应力加固引起的长标距时程面积S

将公式(2)分别代入公式(9)得：

因所有材料均在弹性范围内可认为车辆通过预应力碳纤维板加固桥梁的长标距应变时程面积S

S

将Si预和Si车代入式11得：

假设桥梁随着时间的推移，其张拉预应力出现损失，S

将公式(12)和公式(13)简化至如下形式：

将公式(14)和公式(15)相减并化简得到移动荷载作用下

通过上述推导可知，在弹性范围内不同荷载下的长标距应变时程曲线所包围的面积大小是线性叠加的，因此可以通过长标距应变时程曲线包围的面积大小作为预应力损失评估指标。理论推导该指标可通过式(16)实现移动车辆荷载下预应力碳纤维板桥梁加固的预应力损失状况评估。

以一个数值模拟结果说明法本法的具体实施方法，图2为本发明方法使用的小箱梁桥数值模型，本方法不限制于小箱梁桥。该桥面由五片小箱梁拼装而成，宽33.5m长35m。预应力碳纤维板位于箱梁中线左右各15cm，如图3所示，其张拉预应力为1200Mpa。选择第五片小箱梁为监测对象。

步骤S1：构建分布式长标距应变监测系统。

根据桥梁的跨径选择传感器的标距和数量，方法中使用的桥梁跨度为35m，选择传感器的标距为1.4m，监测区域为锚固点内21m跨径，传感器依次编号1～15，如图4所示。

步骤S2：采集预应力加固张拉施工过程中无预应力损失情况下的桥梁底部长标距应变和无预应力损失情况下单辆车通过引起的长标距应变时程面积作为原始数据。具体长标距应变见图5无预应力损失工况，具体长标距应变时程面积见6工况一。

步骤S3：采集预应力加固施工过程中出现预应力损失情况(此时预应力为1200Mpa)下的桥梁底部长标距应变和运营期间单辆车通过引起的长标距应变时程面积。具体预应力损失值和相应的长标距应变见图5中各预应力损失工况。运营期间各预应力损失工况下单车通过引起的长标距应变时程面积见图6中工况二、工况三、工况四、工况五，各工况预应力损失值以及车辆参数见表2。

步骤S4：预应力碳纤维板加固桥梁的预应力损失评估：根据无预应力损失情况下的原始数据和预应力损失工况下的数据计算分析评估预应力损失，通过多次样本数据分析来提高识别结果的可靠性。以7号传感器为例，例如图4中无预应力损失工况长标距应变为-36.2με，各预应力损失工况的长标距应变从大到小依次大约为-32.6με、-30.8με、-29.0με、-27.1με，将其代入公式(3)进行预应力碳纤维板预应力损失评估，具体计算结果及误差见表1。同样以7号传感器为例图5中工况一至工况五的长标距应变时程面积依次为：-3.07με·s、-24.11με·s、-36.42με·s、6.42με·s、-5.33με·s，将其代入公式(16)进行预应力碳纤维板预应力损失评估，具体计算结果及误差见表2。

表1静态监测估算结果与实际值对比

表2动态监测工况及估算结果与实际值对比

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。