在役混凝土梁式桥延续监测中的预应力度时变机制研究

针对成桥时未布设监测系统的在役大跨径预应力混凝土梁式桥，在运营期内某一特定时段通过增补测试元件来实现延续健康监测中衍生出的时变问题，将束筋张力与释放点应变等刻痕数据与截面自平衡分析相结合，综合考虑梁体混凝土与预应力筋、普通钢筋间的交互作用，阐明在时-空维度上结构应力分布状态时延衰变的内在机制；基于延续监测中获取的结构内应力静态参量，借鉴统计与非统计法的多种手段进行监测信息解耦，开展以时间为标度的内应力缓变信息时序坐标基准变换法则研究；进而通过构建综合截面"供给"与"需求"两博弈方的预应力度时变指标，结合控制图法建立桥梁安全预警体系。研究成果对于探索关键截面应力分布性态与有效预应力衰变间耦合作用的内在机理，揭示使用阶段预应力构件退化的固有规律均具有重要的科学意义，为已有桥梁健康监测研究体系的拓展应用提供了理论空间，对保障在役大跨径预应力混凝土连续梁（刚构）桥安全运营具有重要的应用价值。

以服役期内发生梁体开裂、超限挠曲、刚度退化及未预见预应力损失等典型缺损病害的大跨径混凝土连续梁（刚构）桥为研究对象，针对其在寿命周期内某一特定时段（tn）通过增补测试元件来实现病害诊断、结构性能评定以及延续健康监测等实践过程中衍生出的科学问题开展了系统研究。研究中始终把握预应力状态量化评估与反演这一的核心主线，以未预见预应力损失后桥梁开裂缺陷的工作状态为重点研究阶段，通过构件缺损层面的截面解析理论分析、结构层面的数值仿真计算及模型试验验证（修正）相结合的技术路线，在以下方面取得了一定的进展和突破。.（1）提出基于预应力损失取设计理想状态下使用荷载逐级增加引起的开裂截面受力状态来比拟具有开裂缺陷的PC构件的原创思想，在虚拟消压力取用设计值的前提下，通过调整虚拟消压力偏心矩 的方法来等效模拟其耦合关系。综合考虑虚拟消压力偏心矩的物理意义与数学简化，基于代数多项式级数展开建立了PC构件缺陷评估状态的显式模型。应用杆系有限元模型实现了评估构件向结构层面的拓展，同时可引入时变尺度参量以实现复杂桥梁结构的正常使用性能（变形、应力状态）预测。此方法作为独立模块便于嵌入桥梁健康监测系统，也利于普通养护人员掌握与应用，具有很强的工程应用价值。（2）从预应力损失解构的反问题切入，基于预应力束筋有限点上有效预应力测值的分布规律，建立了涵盖预应力束间、平缓束以及波动束三大模块的有效预应力纵向沿程分布预测模型。该模型的应用解决了关键预应力束筋层面的实际有效预应力量值的预测并为进一步确定其对缺损结构性能的贡献与影响奠定了基础。（3）以普通钢筋释放应力为基础数据，综合考虑梁体混凝土与预应力筋、普通钢筋间的交互作用，应用截面平衡的时变分析方法，完成了服役期内tn→成桥时刻t0的大跨径PC桥梁关键构件（节点）预应力度状态反演，实现了以时间为标度的截面完全应力时序坐标基准变换。依此建立的桥梁安全评估与预警体系对保障在役大跨径预应力混凝土连续梁（刚构）桥安全运营具有重要的应用价值。（4）在缺损模型梁加载全过程试验中，采用了外置钢弦法监测截面应变状态、钢绞线网索长修正与索力分布控制等新技术与新方法，预应力度与挠度的试验结果验证了刚度退化—预应力损失耦合模型在弹性开裂区间内应用的正确性与适应性。