Evaluation Methods & Testing Technologies for Safety Evaluation of Existing Bridges

1. 第四届全国公路科技创新高层论坛 •北京 •2008 Evaluation Methods & Testing Technologies for Safety Evaluation of Existing Bridges 在役桥梁结构安全的评定方法与检测技术 周 毅 (Y. E. Zhou, PhD, PE) 美国优斯公司 (URS Corporation) 桥梁评定检测与加固业务经理

2. 发言概要 • 什么是桥梁结构安全评定? • 结构安全的衡量及可靠性指数的概念 • 结构设计可靠性与评定可靠性的区别 • 提高结构评定可靠性的方法 – 动态秤重, 荷载测试,无损检测技术 … 等等 • 动态秤重技术的应用 – 准确测量荷载的变化 • 用于结构疲劳和强度评定的荷载测试和有限元分析方法 • 磁通漏磁检测系统(MFL)–用于评定置于混凝土结构及缆索中钢筋或钢绞线状况的无损检测技术 • 总结与结论

3. R 的影响因素 杆件几何尺寸 材料性能 施工质量 支撑情况 结构系统缀余度 随时间的恶化 Q 的影响因素 卡车的重量,分布及变化 其他同时作用的荷载 (DL, T, W …) 荷载 ↔ 应力的对应关系 支撑情况 随时间的变化 什么是结构安全评定? 在一个指定时间 t, 检查: 结构强度 R (t) ≥ 荷载效应 Q (t) Q = 对应的荷载效应 (M, V, P …) R = 杆件/节点的承载能力 (M, V, P …)

4. 荷载效应 (Q) 结构强度 (R) p σQ σQ σR σR Q R R, Q Q ≥ R 破坏 结构安全性的衡量 安全程度 = R - Q (随即变量) R,σR, Q, σQ = 设计/评定准则中的控制参数

5. p βσR-Q 破坏 安全 • σR-Q σR-Q pf 0 R-Q R-Q 结构可靠性指数 β β= R-Q / σR-Q = 可靠性指数 pf= P[(R-Q) < 0] = 破坏的概率 正态分布

6. 荷载效应 (Q) 结构强度 (R) p 评定 结构评定 σ↓, β↑ 设计 R, Q Q R 设计与评定的区别 – 不定性/随机性 设计 – 不定性较高 评定 – 指定的时间和地点, 不定性较低

7. 荷载效应 (Q) 结构强度 (R) p 评定 Q Q(t) R(t) R 结构评定 R-Q(t)↓,β↓ 设计 R, Q Q R 设计与评定的区别 – 随时间的变化性 设计 – 随时间的变化性通常不予考虑 评定 – 荷载与结构强度都随时间变化

8. R 的影响因素 杆件几何尺寸 材料性能 施工质量 支撑情况 结构系统缀余度 随时间的恶化 Q 的影响因素 卡车的重量,分布及变化 其他同时作用的荷载 (DL, T, W …) 荷载 ↔ 应力的对应关系 支撑情况 随时间的变化 提高结构评定可靠性指数 β的方法 以获取现场数据来减少不定性/随机性: • 车重荷载谱 – 动态秤重 (WIM) • 荷载与应力的对应关系 – 荷载测试/有限元分析 • 主要承重杆件的自身状况 – 无损检测 (NDT/E)

9. p βσR-Q 设计 评定 破坏 安全 • pf 0 R-QDes R-Q 提高结构评定可靠性 – 情况 1 情况 1: 如果 R-QDes不变, σR-Q ↓, β ↑ 提高结构评定可靠性的关键: 降低方差 σR-Q 可靠性指数: β= R-Q / σR-Q

10. p βσR-Q 设计 评定 破坏 安全 • pf 0 R-QEva(t) R-QDes R-Q 提高结构评定可靠性 – 情况 2 情况 2: 如果 R-QEva(t) < R-QDes, σR-Q ↓, β ↑ 提高结构评定可靠性的关键: 降低方差 σR-Q 可靠性指数: β= R-Q / σR-Q

11. 提高结构评定可靠性的方法 • 荷载及其变化 – 动态秤重 (WIM) • 荷载与应力的对应关系 – 疲劳及强度评定的荷载测试/有限元分析 • 关键承重杆件和材料的状况 – 无损检测 (NDT/E) • 评定准则 – 以可靠性为基础

12. 用动态秤重确定卡车荷载谱

13. 桥梁疲劳寿命评估 疲劳评估的关键: 准确评估疲劳细节的局部应力变化 • 常幅荷载与变幅荷栽的区别 • 利用应力幅谱和S-N曲线 • 常幅疲劳极限与应力谱中最大应力幅之比较

14. Cleveland Central Viaduct 铆接钢桁桥, 建于1959年 理论计算得出疲劳寿命不足

15. 用应变片量测桁架杆件应力幅 在杆件中部测轴向应力, 端部测由弯矩引起的次应力 控制疲劳细节: 铆接 - Category D

16. 无线遥控

17. 日常交通引起的应力反应

18. 雨流记数法

19. 应力幅谱

20. 疲劳寿命评定 • 铆接细节: Cat. D, CAFL = 7.0 ksi • 现场测试结果: Sr,max = 4.5 ksi • 等效常幅应力幅 (RMC): Sre=[(ni/N)Sri3]1/3 • 结论: 本桥杆件的疲劳寿命为无限 (腐蚀区除外)

21. 桥梁强度评定 • 检算组合荷载下的强度要求: φs φc φ R > ηIΣ(γi Qi) • R = 杆件强度 Qi = 荷载效应 • φs = 系统赘余度系数 γi =荷载系数 • φc = 状况系数 ηI = 运营重要性系数 • φ = 阻力系数 • 随设计/评定的方法而变 • 允许应力法 (ASD/ASR) • 极限强度法 (LFD/LFR) • 荷载阻力系数法 (LRFD/LRFR) • 检算所有破坏模式 (拉, 压, 剪, 等)

22. 桥梁结构中的荷载分布十分复杂 设计规范中的荷载分布公式够精确吗? 简化的公式对新桥设计来说可以接受, 但对在役桥梁评定不够精确.

23. 用荷载测试/有限元分析确定荷载应力关系 强度评定的关键: 准确的荷载与应力对应关系

24. 桥梁状态的评定 • 关键杆件和材料的状况决定结构强度 • 施工质量是实现设计意图的关键 • 结构状况通常随时间而恶化 • 无损检测 (NDT/E) 是检查不可见结构构件的重要工具, 例如混凝土结构和缆索中的钢绞线或钢筋.

25. 用于混凝土梁的磁通漏磁系统–MFL Developed by Professor Al Ghorbanpoor of University of Wisconsin at Milwaukee (UWM)

26. Sensor Box Concrete Surface 9 3 4 5 PE Duct MFL用于混凝土桥面板和后张拉索

27. MFL用于混凝土梁体外后张拉索

28. MFL Signals – Flaw Indication At 914 cm MFL用于混凝土梁体外后张拉索

29. MFL用于混凝土梁体外后张拉索 MFL Signals – flaw indication from 183 to 366 cm

30. 北京顺义普通钢筋混凝土梁MFL检测

31. 4.0 Volt 2.5 Ch 1 -1.0 4.0 2.5 Ch 2 -1.0 4.0 2.5 Ch 3 -1.0 4.0 2.5 Ch 4 -1.0 4.0 2.5 Ch 5 -1.0 4.0 2.5 Ch 6 -1.0 4.0 2.5 Ch 7 -1.0 4.0 2.5 Ch 8 -1.0 4.0 2.5 Ch 9 -1.0 4.0 2.5 Ch 10 ft -1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 北京顺义2号梁MFL检测结果

32. 北京顺义2号梁打开验证

33. 4.0 Volt Ch 1 0.0 -2.0 4.0 Ch 2 0.0 -2.0 4.0 Ch 3 0.0 -2.0 4.0 Ch 4 0.0 -2.0 4.0 Ch 5 0.0 -2.0 4.0 Ch 6 0.0 -2.0 4.0 Ch 7 0.0 -2.0 4.0 Ch 8 0.0 -2.0 4.0 Ch 9 0.0 -2.0 4.0 Ch 10 0.0 ft -2.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 北京顺义4号梁MFL检测结果

34. 北京顺义4号梁打开验证

35. 北京顺义预应力混凝土箱梁桥MFL检测

36. 顺义箱梁桥: 一片梁有纵裂纹和漏水迹象

37. 顺义箱梁桥 – MFL检测钢筋/索锈蚀

38. 2.0 Volt 0.0 Ch 1 -3.0 2.0 0.0 Ch 2 -3.0 2.0 0.0 Ch 3 -3.0 2.0 0.0 Ch 4 -3.0 2.0 0.0 Ch 5 -3.0 2.0 0.0 Ch 6 -3.0 2.0 0.0 Ch 7 -3.0 2.0 0.0 Ch 8 -3.0 2.0 0.0 Ch 9 -3.0 2.0 0.0 Ch 10 ft -3.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 顺义箱梁桥MFL检测结果 – 无裂纹梁

39. 3.0 Volt Ch 1 0.0 -2.0 3.0 Ch 2 0.0 -2.0 3.0 Ch 3 0.0 -2.0 3.0 Ch 4 0.0 -2.0 3.0 Ch 5 0.0 -2.0 3.0 Ch 6 0.0 -2.0 3.0 Ch 7 0.0 -2.0 3.0 Ch 8 0.0 -2.0 3.0 Ch 9 0.0 -2.0 3.0 Ch 10 0.0 ft -2.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 顺义箱梁桥MFL检测结果 – 裂梁

40. 重庆交通大学实验室MFL验证 – 六种试件

41. 0.0 Volt Ch 1 -0.6 0.0 Ch 2 -0.6 0.0 Ch 3 -0.6 0.0 Ch 4 Flaw Locations -0.6 0.0 Ch 5 -0.6 0.0 Ch 6 -0.6 0.0 Ch 7 -0.6 0.0 Movement of the Strand Due to Magnets’ Force Ch 8 -0.6 0.0 Ch 9 -0.6 0.0 Ch 10 ft -0.6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 重庆交大MFL检测结果 –木板中的钢索

42. 0.1 Volt Ch 1 0.0 -0.1 0.1 Ch 2 0.0 -0.1 0.1 Ch 3 0.0 -0.1 0.1 Ch 4 0.0 -0.1 0.1 Ch 5 0.0 -0.1 0.1 Ch 6 0.0 -0.1 0.1 Ch 7 0.0 -0.1 0.1 Ch 8 0.0 -0.1 0.1 Ch 9 0.0 -0.1 0.1 Ch 10 0.0 ft -0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 重庆交大MFL检测结果 –套管中的钢索 Flaw Locations

43. 0.6 Volt 0.0 Ch 1 -1.0 0.6 0.0 Ch 2 -1.0 0.6 0.0 Ch 3 -1.0 Flaw Locations 0.6 0.0 Ch 4 -1.0 0.6 0.0 Ch 5 Stirrups -1.0 0.6 0.0 Ch 6 -1.0 0.6 0.0 Ch 7 -1.0 0.6 0.0 Ch 8 -1.0 0.6 0.0 Ch 9 -1.0 0.6 0.0 Ch 10 ft -1.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 重庆交大MFL检测结果 –混凝土中的钢索

44. 重庆交大MFL检测 –钢索/筋上人造缺陷

45. MFL在桥梁缆索检测上的应用 示意图

46. 美国桥梁评定规范 – 目前

47. 美国桥梁评定规范 – 将来

48. 总结与结论 • 现场数据是准确评定在役桥梁结构的关键 • 数据越具体, 方差越小, 从而可靠性指数越高 • 提高结构评定可靠性的方法: • 利用动态秤重(WIM)建立车辆荷载谱 • 利用荷载测试/有限元分析建立结构中荷载与应力的对应关系(疲劳和强度评定) • 利用无损检测确定关键承重杆件和材料的状况(NDT/E) • 需要建立以可靠性为基础 的桥梁评定规范

49. 荷载效应 (Q) 结构强度 (R) p 评定 设计 R, Q Qmin Q Qmax R Rmin Rmax 一个实际可行的方法示意 • 实际桥梁的强度(R)与荷载效果(Q)的统计分布很难确定 • 估计它们的端值及其发生的概率更实际可行 • 利用先进的分析/测试方法和手段来实现准确评估 • 以(Rmin – Qmax)及相应的概率值作为安全评定的基础 “瘦身法”

50. < The End ><Q/A> Thank You ! FOR MORE INFORMATION Contact Ed Zhou, URS Corporation - Maryland ed_zhou@urscorp.com