一种基于预应力钢束截断应力释放的有效预应力反演方法

本发明属于桥梁健康检测与结构状态评估，涉及一种既有预应力混凝土桥梁有效预应力识别方法，具体涉及一种基于预应力钢束截断应力释放的有效预应力反演方法。

背景技术：

1、对于预应力混凝土桥梁而言，预应力束的有效预应力水平直接影响梁体的抗裂性能、刚度状态、承载能力以及长期变形发展规律，是评价桥梁结构服役性能的重要参数。然而，既有预应力混凝土桥梁在长期运营过程中，预应力损失及其离散性会影响结构状态判断，因此，准确识别既有桥梁中预应力束的实际有效预应力，对于桥梁承载能力评估、加固设计、拆除施工安全分析以及桥梁剩余寿命判断具有重要意义。

2、现有有效预应力检测与评估方法主要包括规范损失计算、经验折减评估、结构响应反演、有限元模型修正，以及锚端卸载或反拉检测、振动频率识别、磁弹性或电磁检测等方法。对于有粘结体内预应力束，还可采用局部凿除暴露钢束、开槽或钻孔应力释放等检测方式。上述方法虽可在一定条件下用于预应力状态评估，但普遍存在参数依赖性较强、现场适用条件受限、结果不确定性较大等问题；其中，针对体内预应力束的局部破损或释放类检测方法通常施工难度较高、成本较大，并可能对既有结构造成扰动，难以作为常规检测手段广泛应用。

3、事实上，对于有粘结体内预应力束，当钢束在某一位置被截断后，截断位置附近会发生预应力释放，并沿钢束方向形成一定范围内的应力传递和恢复过程。通过在截断位置附近布置多个监测截面，测量钢束截断前后梁体顶板和底板正应力变化，可以反算不同距离位置处的预应力释放量，进而建立预应力释放量随距离变化的曲线。该曲线能够反映钢束截断前有效预应力、截断后应力恢复长度以及截断后应力恢复长度外预应力恢复程度等信息。

4、因此，在既有预应力混凝土梁桥分阶段拆除过程中，有必要提出一种基于预应力束截断应力释放响应的有效预应力反演方法，通过多截面应力监测和释放曲线分析，识别既有预应力束的有效预应力及截断后应力恢复长度，为既有预应力混凝土桥梁性能评估和拆除施工安全分析提供依据。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种基于预应力钢束截断应力释放的有效预应力反演方法，该方法面向既有预应力混凝土梁桥分阶段拆除场景，先依据拆除方案梳理待拆梁段、施工顺序和预应力束处理工序，再在需要截断钢束的具体拆除阶段确定目标预应力束；随后利用目标预应力束截断产生的应力释放响应，反演目标预应力束截断前的有效预应力、截断后应力恢复长度以及截断后应力恢复长度外的预应力恢复系数，为既有预应力混凝土结构有效预应力评估提供依据。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种基于预应力钢束截断应力释放的有效预应力反演方法，包括以下步骤：

4、步骤1、结合既有预应力混凝土梁桥的分阶段拆除方案，明确当前拆除阶段拟实施的梁体分段切割、构件卸载及预应力束处理顺序；在进入需截断预应力束的拆除工序前，根据预应力束布置、拆除单元划分和施工安全控制要求，确定待截断的目标预应力束及所述目标预应力束的截断位置。

5、所述目标预应力束优选为既有预应力混凝土结构中的有粘结体内预应力束，其截断引起的应力释放响应应能够从各监测截面的监测响应中单独识别。在同一反演过程中，以一根所述目标预应力束作为反演对象，并根据其截断前后各监测截面的正应力变化进行反演。

6、步骤2、以所述截断位置为基准，沿所述目标预应力束方向布置多个监测截面，并在各所述监测截面的顶板和底板布置应力传感器或应变传感器。

7、所述多个监测截面包括位于预计截断后应力恢复长度范围内的监测截面、位于预计截断后应力恢复长度外的监测截面以及位于预计截断后应力恢复长度边界附近的监测截面。优选地，监测截面的数量不少于五个，其中至少两个监测截面位于预计截断后应力恢复长度范围内，至少两个监测截面位于预计截断后应力恢复长度外，且至少一个监测截面位于预计截断后应力恢复长度边界附近。

8、所述应变传感器采集各监测截面的顶板和底板应变数据，并基于材料弹性模量将所述顶板和底板应变数据分别换算为顶板和底板正应力数据。

9、步骤3、采集所述目标预应力束截断前各监测截面的顶板和底板初始正应力数据，并在所述目标预应力束截断后采集各监测截面的顶板和底板截断后正应力数据。

10、步骤4、基于所述顶板和底板初始正应力数据以及所述顶板和底板截断后正应力数据，确定各监测截面的顶板正应力变化量和底板正应力变化量。

11、对于第m个监测截面，所述顶板正应力变化量和底板正应力变化量分别为：

12、   （1）；

13、   （2）；

14、式中，δσt,m为第m个监测截面的顶板正应力变化量，δσb,m为第m个监测截面的底板正应力变化量，σt,mbefore和σb,mbefore分别为目标预应力束截断前第m个监测截面的顶板和底板初始正应力数据，σt,mafter和σb,mafter分别为目标预应力束截断后第m个监测截面的顶板和底板截断后正应力数据。

15、步骤5、基于各监测截面的顶板正应力变化量、底板正应力变化量、截面几何参数以及目标预应力束的有效截面积，确定各监测截面对应的预应力释放量。

16、对于第m个监测截面，其预应力释放量为：

17、   （3）；

18、式中，δσp,m为第m个监测截面对应的预应力释放量，im为第m个监测截面的截面惯性矩，em为所述目标预应力束相对于第m个监测截面形心或中性轴的偏心距，hm = yt,m +yb,m，yt,m为第m个监测截面形心至顶缘的距离，yb,m为第m个监测截面形心至底缘的距离，aps为所述目标预应力束的有效截面积设计值。

19、步骤6、基于各监测截面至所述截断位置的距离以及各监测截面对应的预应力释放量，构建预应力释放量—距离曲线。

20、具体地，以监测截面至截断位置的距离xm为横坐标，以对应的预应力释放量δσp,m为纵坐标，绘制预应力释放量—距离曲线。

21、步骤7、识别所述预应力释放量—距离曲线中的线性变化段和平台段。

22、具体地，按照各监测截面至截断位置的距离，对各监测截面对应的预应力释放量进行排序；对靠近截断位置的若干监测点进行一次函数拟合，当一次函数拟合的拟合残差小于预设残差阈值时，将所述若干监测点对应的曲线段确定为线性变化段；当远离截断位置的相邻监测点之间的预应力释放量变化率小于预设变化率阈值时，将所述相邻监测点所在曲线段确定为平台段。

23、步骤8、基于所述线性变化段外推至截断位置的结果，确定目标预应力束截断前的有效预应力。

24、对所述线性变化段进行一次函数拟合，得到：

25、   （4）；

26、式中，x为监测截面至截断位置的距离，δσp为预应力释放量，a为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距；

27、由于截断位置对应x = 0，将所述拟合直线外推至截断位置，并将所述拟合直线在x = 0处的值确定为所述目标预应力束截断前的有效预应力σpeff：

28、   （5）；

29、步骤9、基于平台段对应的预应力释放量，确定目标预应力束在截断后应力恢复长度外的预应力恢复系数。

30、将所述平台段对应的多个预应力释放量的平均值确定为平台段释放量c：

31、   （6）；

32、式中，δσ̄p,platform为平台段预应力释放量平均值，即平台段各监测截面对应预应力释放量δσp,m的算术平均值。

33、并基于所述平台段释放量和所述有效预应力确定截断后应力恢复长度外的预应力恢复系数；

34、当满足：

35、   （7）；

36、时，确定所述目标预应力束在截断后应力恢复长度外的预应力恢复充分，并取η =1；

37、当满足：

38、   （8）；

39、时，按照下式确定所述预应力恢复系数：

40、   （9）；

41、式中，c为平台段释放量，ε为预设容许误差阈值，η为截断后应力恢复长度外的预应力恢复系数，且0 < η ≤ 1。

42、步骤10、基于所述线性变化段与所述平台段的交点，确定目标预应力束截断后应力恢复长度。

43、根据所述线性变化段对应的拟合函数以及所述平台段释放量确定二者交点对应的距离，并将所述交点对应的距离作为所述目标预应力束截断后应力恢复长度。所述截断后应力恢复长度为：

44、   （10）；

45、式中，ltr为所述目标预应力束截断后应力恢复长度，a为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距，c为平台段释放量。

46、进一步的，基于所述有效预应力σpeff、所述截断后应力恢复长度ltr和所述预应力恢复系数η，确定所述目标预应力束截断后沿距离方向的预应力变化形式：

47、   （11）；

48、式中，σp,after(x)为所述目标预应力束截断后距离截断位置x处的预应力。

49、本发明的有益效果为：

50、本发明的基于预应力钢束截断应力释放的有效预应力反演方法，可以利用既有预应力混凝土结构拆除过程中目标预应力束截断产生的应力释放响应，通过多个监测截面的顶板和底板正应力变化反算预应力释放量，并基于预应力释放量—距离曲线识别目标预应力束截断前的有效预应力、截断后应力恢复长度以及截断后应力恢复长度外的预应力恢复系数。该方法不依赖有限元模型中对预应力损失、钢束截断或粘结传递参数的预设假定，有利于提高既有预应力混凝土结构有效预应力及传递特征评估的准确性，为既有桥梁性能评估和拆除施工安全分析提供依据。