大跨徑連續剛構橋在活載單項作用下的預警級別

吳海軍，李 俊，黃友幫，王慶珍，岳 順

(1.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；2.重慶市公路局，重慶 401147)

連續剛構橋是預應力混凝土梁式橋之一，它綜合了連續梁和T型剛構橋的受力特點。在結構性能上，它保持了連續梁無伸縮縫、行車平順的優點，又保持了T型剛構不設支座、不需體系轉換和方便施工的優點，而且連續剛構橋很大的順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度能很好地滿足了較大跨徑橋梁的受力要求，是一種極具生命力的橋梁結構形式。因此，盡管其起步較晚，近10余年來卻得到了較快的發展，在主跨100～300 m范圍內應用廣泛。

橋梁在長期運營過程中，其結構性能衰退和損傷會愈來愈多，程度也會愈來愈嚴重，使大橋的承載力和耐久性降低，橋梁的安全性及適用性存在日益嚴重的不確定性。因此，通過建立橋梁監測系統對橋梁結構的受力性能進行監測，并通過分析長期監測數據，對橋梁的安全狀態進行評價近年來受到橋梁管養單位的重視[1]。

基于監測數據的橋梁受力性能和安全性評價是橋梁健康監測中的核心難題，筆者以重慶交通科技項目——“重慶市江津長江大橋監測實用技術研究”為依托，結合實橋和相關規范分析研究通過實測活載效應評價大跨徑連續剛構橋工作狀態的方法。

1 基于實測活載作用效應的結構性能評價方法

對于運營階段安裝的橋梁健康監測系統，其獲取的各個監測值的變化主要由活載和溫度作用引起，其中活載又占大部分。近年來，有一些研究者通過識別活載作用下的結構振動頻率等動力響應的變化來評估結構安全性的變化，但由于混凝土橋梁動力特性的變化對結構損傷的發展不敏感，因此橋梁界對這一方法的適用性存在一定的質疑[2]。

工程經驗表明，混凝土橋梁是否開裂及結構損傷的發展情況，主要受活載大小及其分布的影響；此外，近年來眾多橋梁的嚴重垮塌和病害主要受超載車輛的影響，而通過活載作用下結構監測參數的變化來分析橋梁所承受活載效應的大小與分布規律，判斷其是否存在超載問題及超載問題的嚴重程度對于把握橋梁的性能變化具有重要意義。

2 監測數據中活載數據的提取

橋梁運營期間的結構監測數據，包括了活載、溫度、監測儀器零漂、溫漂偏差等多種因素的影響。為了識別活載對于結構的影響，需要預先找到一種結構上不存在活載的狀態，即“零活載”點，通過監測時刻數據與“零活載”點數據的變化來反映活載的影響[3]。多數橋梁在監測數據分析時會將監測儀器安裝后某個沒有荷載的狀態記為“零活載”點或基準點，這種方法難以準確把握溫度及儀器漂移帶來的問題。

考慮到混凝土橋梁受溫度影響的規律，可以考慮將每天中橋梁各部分溫度穩定且橋梁與大氣溫差小的無活載時刻作為“零活載”點[3]。通過對類似橋梁大量監測數據的分析，選擇每天凌晨2:00—4:00的監測數據來識別“零活載”點，此時間段的箱內外溫差和日照溫差對橋梁應力的影響最小，同時此時段也是每天橋上車流量相對較少的時段，容易找到沒有活載的時刻。

通過每天識別零活載點作為基準點來處理每天監測數據，從而明顯減少了預應力損失、混凝土收縮、徐變和環境變化等時變因素對于監測數據的累積影響，也大大減少和消除了零漂和溫漂等因素對于長期監測數據的時間累積影響[4-5]。因此，通過此方法可以為基于活載影響的橋梁健康狀態的評判提供良好的數據依據。

3 江津長江大橋概況

江津長江公路大橋建成和通車于1997年，至今已經使用15年。大橋全長1360 m，主橋為140 m + 240 m + 140 m的3跨連續剛構橋，見圖1。

圖1 江津長江公路大橋主橋橋型布置Fig.1 Bridge layout of Jiangjin Yangtze River Highway Bridge

主橋橋面總寬22 m(中間分隔帶1.0 m，行車道2 × 7.75 m，隔離墩2 × 0.5 m，人行道寬2 × 2.0 m，欄桿2 × 0.25 m)；設計荷載：汽-超20級，掛-120，人群3.5 kN/m2；主橋箱梁為三向預應力結構，采用單箱單室截面，頂板寬22 m，底板寬11.5 m，箱梁頂面翼緣板設置1.5%的雙向橫坡。

該橋運營12年后，于2009年安裝了健康監測系統，在關鍵截面布置了應力監測系統和裂縫監測系統，同時對全橋箱梁內外的溫度進行實時監控。

4 活載單項作用下橋梁健康狀態預警級別的研究

大跨徑連續剛構橋的應力是反應橋梁健康狀態的重要指標，下面以江津大橋監測數據為基礎，基于活載效應對結構性能的影響規律，來分析研究基于活載單項作用的結構預警級別，并提出針對大跨徑橋梁連續剛構橋的監測指標和預警閾值[6]。

4.1 活載單項作用代表值的含義

由GB/T 50283—1999《公路工程結構可靠度設計統一標準》可知，活載的頻遇值是指結構上較頻繁出現的，并且是量值較大的作用取值，是可變荷載的代表值之一。對于實測值的荷載頻遇值系數的確定，方法1是按在觀測期內荷載達到和超越Ψ1Qk期t的次數與觀測期t的總觀測次數的比值確定；方法2是按在觀測期t內荷載達到的超過Ψ1Qk的總和Σti與t的比值Σti/t確定，國際上認為此比值在一般情況下可取值0.05，相當于荷載截口(任意時點)概率密度函數上的0.95分位值。

活載的準永久值是指在結構上經常出現的，且量值較小的荷載取值，也是活載的一個代表值。在規范中，準永久值的確定方法與確定頻遇值的方法2相同，國際上認為Σti/t的取值為0.5，相當于荷載截口概率密度函數上的0.5分位值。

4.2 活載單項作用下橋梁應力實測值分析

江津大橋活載作用下的跨中實測應力值是符合非標準的正態概率密度函數分布[3]，通過統計本橋的實測應力數據可以得出相應的正態概率分布圖(跨中頂板)，如圖2。

圖2 活載單項作用下實測跨中頂板應力的正態概率密度函數Fig.2 Normal probability density function diagram of measuredstress of mid-span roof in single live load

4.2.1 在相同可靠指標β下對實測活載應力分析

由圖2可知，實測頂板應力的樣本均值為μ=0.544 MPa，標準差σ=0.452 MPa。概率密度函數為：

(1)

(2)

(3)

由4.1可知規范標準值、頻遇值、準永久值的所對應可靠概率分別為99.99%，95%和50%，經查標準正態函數表得到可靠指標β如表1。

表1 可靠概率對應的可靠指標β

由實測的均值、方差和表1的可靠指標，通過式(3)可計算得到實測應力中的“標準值”“頻遇值”“準永久值”效應下的應力值：

4.3 活載單項作用下應力預警閾值的確定

根據前述原則，確定了本橋每天的0活載點，分析提取出一段時間內的活載單項作用下的主跨跨中頂、底板的應力值的變化情況如圖3。

圖3 跨中頂板、底板應力實測數據分析(活載)

計算分析得到江津大橋活載單項作用下跨中截面應力預警閾值，如表2。

表2 活載單項作用下的跨中應力預警閥值(計算值)

注：拉為正，壓為負。

特定時間段內本橋應力的分布范圍：A<0.72 MPa，75.0%；0.72 MPa≤B≤1.35 MPa，14.3%；C≥1.35 MPa，10.7%。可見，實際單項活載作用下活載對頂板產生的壓應力<0.72 MPa約占有75.0%，壓應力>0.72 MPa且<1.35 MPa的約占14.3%,壓應力>1.35 MPa的占10.7%。因此，實際活載影響下的應力值基本符合規范的準永久值、頻域值、標準值的界定。

5 活載單項作用條件下應力預警級別的提出

參考現行JTG D 60—2004《公路橋涵設計通用規范》關于橋梁應力控制的要求及橋梁正常使用狀態的應力限制原則，根據實測最大應力與不同活載作用下計算應力的關系，提出活載單項作用下的應力預警級別如表3。

表3 活載單項作用下橋梁應力預警分級

注：σSM為實測活載最大應力值；σJG為計算活載標準值的應力；σJL為計算活載頻遇值的應力；σJS為計算活載準永久值的應力。

當實測活載應力滿足不同的應力比較關系時，

對橋梁使用的影響是不同的：

1)S級的預警級別，沒有超活載準永久值應力出現，說明橋梁處于一個穩定安全運行狀態，換句話來說，橋梁健康狀態是穩定和良好的。

2)A級的預警級別，沒有超活載頻遇值應力出現，能夠滿足橋梁正常使用的要求。說明橋梁處于穩定安全的運行狀態。

3)B級的預警級別，沒有超活載標準值應力出現，橋梁滿足正常使用的要求。

4)C級的預警級別，實測活載應力超過活載標準值應力，結構存在開裂危險，結構所受荷載超過正常使用允許值。

根據實測應力判斷，江津長江大橋在活載單項作用預警級別中處于A級。

6 結 論

1)通過分析基于活載響應進行橋梁安全狀態判斷方法的現狀，提出了以活載單項作用下結構應力響應進行橋梁結構運營狀態判斷和預警的思路。

2)基于不同活載效應對應的可靠度含義，提出了以設計活載標準值、頻遇值及準永久值效應作為活載單項作用預警判斷閥值。

3)分析了江津長江大橋實測活載單項作用下應力分布的特點，應用活載單項作用下應力預警值的計算原理得到了其預警閥值，并評估了橋梁實際單項活載效應下的預警級別。

4)提出的思路及方法適用于橋梁健康監測數據的分析和評價。

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