[摘要] 1 绪论1 1 研究背景及意义作为公路交通的枢纽，桥梁的建设对
1 绪论
1.1 研究背景及意义
作为公路交通的枢纽，桥梁的建设对于改善交通错综复杂的现状和保障国民经济的快速发展起着举足轻重的作用，因此得到广泛的关注和重视[1-2]。近来年伴随着社会的快速发展，我国的公路桥梁建设事业也取得了举世瞩目的成就。据交通运输部统计数据显示，截止到 2015 年底，全国公路桥梁总数达到 77.92万座，共 4592.77 万米，比上年末增加 2.20 万座、334.88 万米。其中，特大桥梁 3894 座、690.42 万米，大桥 79512 座、2060.85 万米[3]。图 1.1 是近五年来我国公路桥梁的发展情况，由此可以看出我国的公路桥梁建设呈现突飞猛进的发展。现阶段，装配式空心板梁桥凭借其构造形式简单、预制方便、可实现标准化施工，以及造价较低等优点，成为目前国内 20m 以下中小跨径公路桥梁应用最广泛、数量最多的结构形式[4]。大量桥梁的建成和运营需要耗费巨大的人力和财力，一旦出现严重损坏将会带来巨大的损失，因此桥梁结构的安全检测尤为重要。对处于运营服役阶段的装配式空心板桥调查研究发现，由于设计初期桥梁设计人员缺乏深入的理论认识和工程应用研究，设计阶段存在考虑不周；限于施工条件的影响，施工阶段工程质量控制不严出现施工缺陷；另外先前的设计已无法满足现阶段公路桥梁的使用功能，运营阶段出现交通流量显着增大和车辆超载严重影响等现象；加之外界环境的长期作用，现役桥梁铰缝处出现纵向开裂、渗水乃至桥面铺装错层等不同程度的病害现象（如图 1.2）非常普遍[5]。而铰缝作为装配式空心板桥横向连接的主要部件，与桥面铺装层共同完成车辆荷载的横向传递，使桥梁组成一个整体均匀受力。一旦铰缝出现损伤将直接影响上部结构各个板梁间的横向传力，破坏结构的整体受力性能，甚至可能出现“单板受力”的现象，对桥梁结构的安全和使用性能造成严重影响。
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1.2 国内外研究现状
实现对装配式空心板梁桥的横向整体性做出迅速、准确的评价，是桥梁检测领域中的热点问题和亟待解决的难题。现阶段，针对空心板桥铰缝损伤识别和检测技术方面的研究相对较少。传统检测方法以外观检查为主，通过桥梁专业工程技术人员定期开展外观检查，对板梁开裂和渗水情况进行判定从而实现桥梁结构评估。但由于铰缝开裂一般发生在结构内部，桥面铺装层的覆盖使得损伤难以直接观察。因此利用目测法对铰缝损伤进行评估时人为影响因素较大，无法及时、准确的给出可靠判定，这样可能导致桥梁后期的维修加固成本大大增加[6]。通常桥梁上部结构的损伤一般表现在局部刚度的下降，因此可以通过局部损伤导致结构参数的变化来实现对损伤的检测[7-9]。目前，针对装配式空心板梁桥的横向整体性检测通常采用荷载试验方法，通过荷载试验对铰缝的横向传力能力进行判断。按照试验测量指标的类型，可将荷载试验分为两大类：基于静力性能指标的损伤检测和基于动力性能指标的损伤检测[10]。
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2 空心板梁桥受力特性及铰缝损伤特征
2.1 空心板梁桥受力特性
在桥梁建设中，中小跨径桥梁广泛采用的是装配式预应力空心板梁桥的结构形式。该种类型桥梁的受力原理相对简单：组成上部结构的各个板梁间利用横向构造进行连接，借此将其形成一个整体。当桥上荷载施加在行车板上时，通过板梁间铰缝的横向传力，将荷载均匀分配至各个板梁，从而达到整体受力的效果。因此，对空心板梁桥受力特性的研究主要是对其荷载横向分布原理的计算。在实际桥梁建设中，桥梁施工和构造不尽相同，横向连接所采用的构造形式也不同。因此，为了能够对不同类型结构特性的荷载横向分布进行较为准确的计算，需要采用适用于该特性的简化计算模型。现阶段，针对装配式空心板梁桥的荷载横向分布的计算，通常采用铰接板（梁）法[33]来完成。采用横向铰接板法来计算荷载的横向分布，是基于该类结构在实际工作时各个板梁的受力状态近似于数根并列且相互间横向铰接的狭长板，虽然各个板梁间存在一定的横向联系构造，但与刚性横梁相比连接刚性却又相对薄弱。图 2.1 即为采用混凝土企口缝作为装配式空心板梁桥横向连接构造的示意图。当荷载 P 作用于其中一块板梁上时，该板将产生竖直向下的挠度。但由于连接缝的存在使得各个板梁将同时受力，发生相应的竖向挠曲变化。通常情况下，连接缝处产生的内力有：竖向剪力 xg)( ，横向弯矩 xm)( ，纵向剪力 xt)( 与法向力 xn)( 。但是，作用于桥梁上的荷载通常由车辆施加，在竖向车轮作用下，竖向剪力 xg)( 所表现出的影响较为显着；相反纵向剪力 xt)( 与法向力 xn)( 两者的影响则较为微小。另外由于连接处构造缝的刚度较小，一般将各个板梁间看作铰接，因此横向弯矩 xm)( 对荷载作用的传递影响较小，可以忽略不计。所以，在采用铰接板法计算时，通常假设在竖向荷载作用下各个板梁间仅有竖向剪力xg)( 的传递。基于上述假设，可实现对装配式空心板桥的荷载横向分布计算。
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2.2 空心板梁桥横向连接构造形式
在装配式空心板梁桥的实际应用中，铰缝的构造情况对于结构能否维持正常的工作性能具有关键作用。一旦铰缝出现损伤，就将破坏荷载在整个桥梁结构的横向传递，严重时可能产生单板受力现象，对桥梁结构造成严重威胁。因此，人们对于横向连接构造的要求越来越高。实际工程中，常用的横向连接包括企口混凝土铰接和钢板焊接连接两种方式，一般采用企口混凝土铰接形式的较多。在已建成的桥梁中，该类铰缝的构造形式可以分为以下三类，如图 2.2 所示：经过大量实践证明，企口混凝土铰接缝能够很好地完成横向连接功能，使各板处于共同受力的状态[34]。其中，漏斗形铰缝因其施工方便，性能也较好，在实际工程中应用最为广泛。漏斗形铰缝按照企口缝高度的不同，可以分为以下三类：（a）浅铰缝，（b）中铰缝，（c）深铰缝。
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3 基于横向分布影响线的空心板梁桥横向整体性检测..........13
3.1 检测任务分析...........13
3.2 荷载横向分布理论.............13
3.3 空心板梁桥有限元模型的建立及分析...........14
3.4 装配式空心板梁桥横向整体性检测数值模拟.........17
3.5 基于横向分布影响线检测的有效性分析.......22
3.6 空心板梁桥实桥检测试验...........33
3.7 本章小结.........38
4 基于对称差值影响线的空心板梁桥横向整体性检测..........39
4.1 检测方法概述...........39
4.2 基于相对位移对称差值影响线的空心板梁桥横向整体性检测...........40
4.3 基于相对转角对称差值影响线的空心板梁桥横向整体性检测...........51
4.4 基于相对应变对称差值影响线的空心板梁桥横向整体性检测...........57
4.5 基于三个不同指标的检测方法对比分析.......62
4.6 本章小结.........65
5 结论与展望........67
5.1 结论.......67
5.2 展望.......68
4 基于对称差值影响线的空心板梁桥横向整体性检测
通过上一章对基于横向分布影响线的装配式空心板梁桥横向整体性检测方法的详细阐述，可以看出，为了能够得到各个板梁的荷载横向分布影响线，需要在跨中截面布置多个位移测点；另外，对建模精度的要求也较高。因此，为了能够解决损伤检测中测点布置过多而不便测量的问题，并消除建模带来的误差影响，本章提出了一种基于对称差值影响线的空心板梁桥横向整体性检测新方法。在实际应用时，新方法所需布置的测点较少，测量简单，加载方便，可以排除需要利用测点位置来定位损伤的依赖。特别是对于尺寸较大的桥梁，采用该方法的优势就更加明显。
4.1 检测方法概述
目前，针对损伤检测一般需要考虑三方面的因素：一是可以发现损伤的存在，二是能够唯一的确定损伤，三是检测方法具有稳定性和敏感性。为了能够满足以上三个方面的条件，需要通过有效增加信息量以减小损伤检测的空间范围，以此达到损伤识别的最终要求。根据上述方法思路，并结合工程实际应用条件，便可以进行优化指标的寻求。作为理想指标，通常应当具备下列特征：首先损伤检测所需的加载或激励方式容易实现；其次检测测点的布置应尽可能地减少；最后数据处理尽量简单，减小误差。另外与动力性能指标相比，静力性能指标的获取更为简单、精确和稳定，所需要的测量装置也相对便宜。因此，本章基于上述思路，寻求出一种较为理想的损伤检测指标。
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结论
装配式空心板梁桥因为其构造形式简单、预制方便以及造价较低等优势，成为我国中小跨径桥梁应用最广泛、数量最多的结构形式。但由于受到设计、施工以及运营阶段诸多方面的影响，已建成桥梁越来越多的发生铰缝损伤现象，严重破坏了结构的横向整体性能。因此，本文在对空心板梁桥受力性能的研究以及对铰缝常见病害原因分析的基础上，通过数值仿真建立装配式空心板梁桥横向整体性检测的新方法，并得到以下主要结论：
（1）铰缝作为空心板梁桥横向连接的主要部件，损伤后将导致板梁间荷载横向传递的失效，使荷载的横向分布不均匀性增大。以受损铰缝为分界线，受荷载作用一侧各板间的铰接力将增大，而无荷载作用部分将减小。通过铰缝损伤前后荷载横向分布影响线的变化，可以对结构的横向整体性做出评价。
（2）采用基于横向分布影响线的空心板梁桥横向整体性检测方法，通过横向分布影响线在铰缝损伤位置处的交叉现象进行铰缝损伤的识别。该方法在实际应用时操作简单，加载方便，检测结果准确可靠。
（3）通过横向分布影响线对铰缝损伤位置和铰缝损伤程度的敏感性分析发现，当铰缝损伤发生于支座附近时，该方法的敏感性不足；同时在 1/4 跨位置发生损伤较小时，也无法进行准确识别。另外支座损伤将导致横向分布影响线的变化，对铰缝损伤的判定产生干扰，因此在进行铰缝损伤检测前需先排除支座损伤的影响。
（4）基于“对称差值影响线”原理，通过分析跨中节点影响线在各对称位置处的差值特征，分别针对相对位移、相对转角和相对应变三个测量指标，建立了一种全新的空心板桥横向整体性检测方法。
（5）在采用基于对称差值影响线的检测方法时，相对位移、相对转角和相对应变三个测量指标均能独立完成对铰缝损伤的判定，识别出铰缝损伤的局部位置。在今后的应用中可以根据测试环境及条件的不同，灵活选用。
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参考文献（略）
