既有混凝土桥梁加宽改造设计的基础理论研究

本项目对既有混凝土桥梁加宽改造设计的基础理论进行了研究，提出了相应的设计方法，可供相关设计规范的编制时参考。项目研究共完成论文36篇，其中博士学位论文4篇、硕士学位论文7篇，期刊论文25篇；申请发明专利1项。主要成果如下： （1）建立了包括结构可靠度基本参数（设计基准期、目标可靠度、设计荷载等）确定方法、结构抗力退化模型、体系时变可靠度计算理论等在内的加宽改造混凝土桥梁上部结构时变可靠度分析体系。 （2）提出了适合混凝土桥梁拼接状态的混凝土自由收缩和新旧混凝土约束收缩预测模型。 （3）提出了不同上部结构形式（实心板、空心板、T梁、箱梁）桥梁加宽改造时收缩徐变效应的计算方法及减小收缩徐变效应的措施。 （4）建立了考虑随机性、模糊性以及信息不完整性的加宽改造混凝土桥梁耐久性评定体系。 （5）提出了基于超声脉冲法和冲击回波法测定RPC弹性模量的简便方法。 （6）提出了解析表达的混凝土疲劳应变的粘-弹-塑性预测模型以及混凝土力学性能的尺寸效应律。 （7）研发了采用超高性能活性粉末混凝土RPC灌注的混合梁钢-混结合段PBL剪力键和采用RPC强化再生骨料的再生骨料混凝土材料。 （8）对预应力孔道注浆状态无损检测方法中的冲击回波法和超声波层析成像法开展了系统的试验和理论研究。研究了实际结构各参数对检测效果的影响规律，提出了预应力孔道无浆孔道处冲击回波厚度频率的计算公式以及一种超声波层析成像正演模拟中的线性走时插值射线追踪综合改进算法（综合改进LTI算法），可用于桥梁拼宽时既有桥梁状态检测与评定。 （9）建立了不同壁厚箱形墩在寒流降温作用下的负温差分布模式，提出了适合长江中游地区超宽分离式混凝土箱梁在日照辐射和寒流降温作用下的竖向温度梯度模式。 （10）提出了混凝土箱梁顶板在局部荷载作用下的极限荷载和塑性横向受力有效分布宽度的计算公式。

我国公路特别是上个世纪90年代中早期以前修建的高速公路已有众多不能满足现在的交通需求而迫切需要进行加宽改造，沿线大量桥梁，特别是占总数95%以上混凝土桥梁的加宽改造无疑成为其关键的控制性工程。但国内外迄今尚未建立有关既有桥梁加宽改造设计的基本理论体系及相应的规范体系，设计人员现在多参照新建桥梁设计规范及经验进行既有桥梁的加宽改造设计，显然缺乏科学性。本申请项目将对既有混凝土桥梁加宽改造设计的基础理论问题，诸如既有桥梁加宽改造设计时设计基准期、目标可靠度及设计荷载的合理确定；加宽改造桥梁的可靠度、耐久性及极限承载能力的分析评定方法；加宽改造桥梁混凝土收缩、徐变效应的合理确定以及新旧桥梁连接的传力机理和合理构造等进行较为系统的理论与试验研究，发展和完善既有桥梁加宽改造设计的基础理论，提出相应的合理设计方法，为桥梁拓宽改造相关设计规范的编制提供可靠依据，其研究成果亦可为既有桥梁的加固设计提供参考

谱线加宽有均匀加宽和非均匀加宽。

如果引起加宽的物理因素对每个都是等同的，称作均匀加宽；如果原子体系中每个原子只对谱线内与它的静观中心频率相应的部分有贡献，即可区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的，称作非均匀加宽。

均匀加宽分有自然加宽，碰撞加宽和晶格振动加宽；非均匀加宽分有多普勒加宽和晶格缺陷加宽。

谱线加宽研究背景

CO₂分子是重要的大气分子，在红外波段具有较强的吸收，因此在大气辐射传输和红外遥感等方面具有极其重要的应用。大气辐射传输和红外遥感研究需要精确的大气分子光谱参数。在大气分子光谱的实际应用中，通常以N₂，O₂或干燥空气作为载气，然后用 Voigt 或 Lorentz 线型拟合得到谱线的加宽系数。然而实际大气中除了N₂和O₂ 之外还含有大量水汽，而且水汽的浓度随地域、季节和海拔的不同变化非常大，而HITRAN数据库所给出的谱线加宽系数为空气和自加宽系数，文献很少报道水汽对大气分子谱线的加宽影响。差频(DFG)激光器是最近发展起来的一种新型的激光光源，以其高分辨力、宽波长选择性、室温工作以及可连续调谐等优点而被广泛应用于痕量探测和光谱参数探测中。本文介绍了以差频激光器作为光源，结合长光程怀特池，报道了水汽分子对CO₂谱线加宽的影响。根据实验测量获得的光谱数据和HITRAN04中CO₂的光谱参数，比较分析了在实际大气中(海平面，10 km光程)不存在水汽和存在水汽时的CO₂的透过率。

谱线加宽数据分析和讨论

实验以多次平均的方法测量了压力为0.821 kPa 的纯CO₂吸收光谱以及加入1.485 kPa水汽后CO₂的水汽加宽吸收光谱。探测范围从2422 cm^-1到2457 cm^-1，总共有26条吸收谱线被探沿到。用Voigt线型拟合得到了CO₂的10011→10002吸收带 P(8)到 P(2)以及R(0)到 R(42)吸收谱线水汽加宽系数值。测量的光谱数据除了Doppler 效应所引起的Gaussian 加宽和气体分子碰撞引起的 Lorentz 加宽之外，还包含仪器加宽，该差频系统的仪器线宽约为 60 MHz。为得到精确的水汽对CO₂的Lorentz加宽系数，在处理CO₂的水汽加宽光谱之前，先用 Voigt 线型拟合0.821 kPa 的纯CO₂光谱，得到线宽值，这个线宽值是CO₂光谱的自身线宽和仪器线宽的卷积。在用 Voigt 线型拟合CO₂的水汽加宽光谱时，用拟合得到的纯CO₂光谱线宽值固定其线宽，得到的加宽系数值是水汽加宽的系数，拟合的数据如表1所示。在表1中线位置、线强和干燥空气的加宽系数值取自HITRAN04 数据库，最后一项为测量的水汽加宽系数，经计算拟合所得的水汽加宽系数比干燥的空气加宽系数平均大 52%。图1是位于 2449.06419 cm^-1的CO₂吸收线 R(28)在未充入水汽和充入水汽之后的透过率比较图。图3为用Voigt 线型拟合的CO₂的水汽加宽光谱的例子，图2(a)为实际测得的光谱和拟合曲线，图2(b)是实际光谱和拟合曲线之间的残差。

谱线加宽研究结论

利用窄线宽差频激光器结合长光程怀特吸收池研究了水汽分子对CO₂的线型加宽的影响，测量了CO₂分子的水汽加宽系数。实验以多次平均的方法测量了压力为 0.821 kPa 的纯CO₂吸收光谱以及加入1.485 kPa 水汽后CO₂的水汽加宽吸收光谱。探测范围是从 2422 cm-1 到 2457 cm-1，用Voigt 线型拟合得到了CO₂的10011→10002吸收带P(8)到P(2)以及R(0)到R(42)吸收谱线水汽加宽系数值。通过CO₂分子10011→10002 带R支和部分P支在室温下水汽加宽吸收光谱研究，数据显示水汽对CO₂分子的吸收光谱具有较大的加宽作用，比HITRAN 04 数据库上的干燥空气的加宽系数平均大52%。并且数值分析了CO₂分子在这一波段室温条件下，0.1 MPa的干燥和潮湿空气(含2.0 kPa水汽)中CO₂的透过率(海平面，10 km光程)，分析比较显示两者之间最大的差值约为0.5‰，说明大气中水汽的存在对大气透过率有一定的影响。该研究结果对卫星遥感探测和激光大气传输的研究具有一定的参考意义。