基于容許應力包絡的連續剛構大橋安全評估技術研究

基于容許應力包絡的連續剛構大橋安全評估技術研究

向楠1覃怡1周建庭2馬惠香2李志剛2

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081；2.重慶交通大學重慶400074)

摘要從應力監測角度出發，借鑒荷載試驗應變校驗系數的概念，提出了大型橋梁基于監測信息的應力校驗系數包絡評估技術；在分析活載、溫度、初始應力等因素的基礎上，研究了大型橋梁基于容許應力包絡的安全評估技術。并以主跨240 m的連續剛構大橋重慶豐都龍河特大橋為依托，利用實測數據，完成了該大橋基于應力監測的安全評估。該評估結果與大橋荷載試驗檢測結果對比分析表明，基于應力“包絡”的連續剛構大橋安全評估技術是可行的。

關鍵詞應力包絡校驗系數安全評估

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.022

收稿日期：2015-01-30

目前，就橋梁安全性評估方法，已有不少研究成果。HitoshiFurta等[1]提出了用遺傳算法和神經網絡評估損傷的模糊專家系統,能夠自動獲取模糊規則。KeiKawamura和AyahoMiyamoto[2]建立了根據表觀檢測和技術規范評定橋梁等級的專家系統,在神經網絡中通過反向傳播算法進行模糊推理。Y.M.Wang等[3]提出了一種集成AHP-DEA(層次分析法和數據包絡分析)原理的橋梁評估方法。黃尚廉等[4-5]提出將可靠度理論應用于橋梁遠程監測評價體系。范劍鋒等[6-7]以層次分析法為基礎，提出了基于模糊層次分析的橋梁健康狀態模糊評估方法。王波等[8]研究了以統計及形態特征為指標的橋梁線形監測加權評估方法，可用于大跨度橋梁線形監測的狀態評估。鮑鵬等[9]基于失效包絡圖理論，利用幾何思想建立橋梁構件及結構整體失效狀態新模型，在直桿系失效包絡圖理論的基礎上，提出了適用于橋梁結構拱桿系的失效包絡圖及安全評估的方法。

但是由于橋梁結構系統的復雜性，當監測系統建立完成后，如何利用大量的監測數據來分析評估橋梁的安全狀態卻很少研究。基于此，本文從應力監測角度出發，借鑒荷載試驗應變校驗系數的概念，提出了大型橋梁基于監測信息的應力校驗系數包絡評估技術。在分析活載、溫度、初始應力等因素的基礎上，研究了大型橋梁基于容許應力包絡的安全評估技術。并以豐都龍河特大橋為依托，利用建設期施工監控信息和營運期健康監測信息，完成了該大橋基于應力監測的安全評估，并用大橋荷載試驗檢測結果與該評估結果對比分析。

1借鑒荷載試驗檢測的“應變校驗系數包絡”評估技術

(1) 橋梁荷載試驗檢測的應變校驗系數評估方法。為了評定結構整體受力性能，需對橋梁荷載試驗結果與理論分析值進行比較，以檢驗新建橋是否達到設計要求的荷載標準，或判斷舊橋的承載能力。比較時可以將結構應變試驗值與理論計算值列表進行比較，利用結構在最不利荷載工況作用下主要控制測點的應力實測值與理論值分析值，繪出荷載-應力曲線，并繪出最不利荷載工況作用下控制截面應變(沿高度)分布圖，繪制結構裂縫分布圖(對裂縫編號注明長度、寬度、初裂荷載以及裂縫發展情況)[10]。為了量化，以及描述試驗值與理論分析值比較的結果，引入結構校驗系數η：

(1)

式中：Se為試驗荷載作用下量測的應變值;Ss為試驗荷載作用下的理論計算應變值。

校驗系數η是評定結構工作狀況、確定橋梁承載能力的一個重要指標。不同結構形式的橋梁其值通常不相同。一般要求η≤1，η值越小結構的安全儲備越大。η值過大或過小都應該從多方面分析原因。如η值過大，可能說明組成結構的材料強度較低，結構各部分聯結性較差，剛度較低等。η值過小，可能說明材料實際強度及彈性模量較高，橋梁的混凝土橋面鋪裝及人行道等與主梁共同受力，拱橋拱上建筑與拱圈共同作用，支座摩阻力對結構受力的有利影響，計算理論或簡化的計算式偏于安全等。試驗加載物的稱量誤差、儀表的觀測誤差等也對η值有一定影響。

(2) 借鑒荷載試驗檢測的“應變校驗系數包絡”評估模式。荷載試驗是在已知荷載工況的情況下進行的，橋梁的受力狀況明確，對應荷載工況下的理論計算值易于計算，校驗系數計算比較客觀準確。但是，營運期實測應變是客觀的，理論應變由于采用橋梁設計荷載標準計算分析得到，與實測應變不是一一對應關系，所以可以采用“包絡”概念來評估橋梁的安全性，如“包絡”之內肯定安全，如“包絡”之外，則需進一步評估分析，故該方法也是借鑒校驗系數概念來進行評估的。

2基于容許應力包絡的全壽命安全評估技術

2.1　容許應力包絡原理

在結構設計時，通常會采用容許應力設計法。

(2)

式中：σ為計算應力；[σ]為許用應力。

結構構件的σ按荷載標準值以線性彈性理論計算；[σ]由規定的材料彈性極限(或極限強度、流限)除以安全系數而得。

容許應力設計法以線性彈性理論為基礎，以構件危險截面的某一點或某一局部的計算應力小于或等于材料的容許應力為準則。在應力分布不均勻的情況下，如受彎構件、受扭構件或靜不定結構，用這種設計方法較安全。

本文結合容許應力的設計方法，結合橋梁全壽命監測，提出基于容許應力的應力包絡評估方法。該方法的原理是：用表貼傳感器安裝時的測點初始應力(包括恒載+預應力共同作用下)加上實測應力和測點容許應力值進行包絡比較。容許應力值盡量以竣工時或荷載試驗實測材料強度為準。

2.2　評估方法

(1) 預埋、表貼監測數據的處理。①成橋初始階段應力獲取。對建設期預埋傳感器應變監測信息進行處理分析，獲取營運期表貼傳感器安裝時預埋傳感器的應力σ預埋，溫度t預埋；如預埋傳感器失效，則利用預埋-表貼監測信息相關性原理，結合表貼數據進行反推預埋應力；②營運期表貼應力監測數據分析。對應預埋測點的表貼監測點的初始應變為ε表初，溫度t表初。對所需評估時間段內的監測數據進行分析，獲取應變最大值εmax，對應溫度tmax。

因此，表貼實測應力為

(3)

同理，可以計算其他時刻表貼應力值。

(2) 基于容許應力的應力包絡評估分析。綜合預埋監測應力和表貼監測應力可得

(4)

而主梁的容許應力為[11]

(5)

(6)

將計算所得的σ實測，[σ]壓，[σ]拉數據繪制出容許應力包絡圖，參照包絡圖進行評估。當實測應力在容許壓應力和容許拉應力范圍內時，處于安全營運狀態；當超出其范圍內時，橋梁處于危險工作狀態。

3工程概況

本次研究所依托的橋梁為重慶市豐石高速公路豐都龍河特大橋。龍河特大橋全橋共6聯：4×40m+3×40m+3×40m+127m+240m+127m+4×40m+3×40m，其中主橋為127m+240m+127m的三跨預應力混凝土連續剛構，下部結構采用雙肢變截面矩形空心墩。引橋左右兩岸分別為4×40m，3×40m，3×40m和4×40m，3×40m后張預應力混凝土T梁，先簡支后連續。下部采用雙柱式橋墩、空心墩，以及重力式U形橋臺，擴大基礎，橋面寬24.0m。橋梁采用分幅設計。

3.1　測點布置

預埋和表貼應變、溫度傳感器整體布置示意見圖1。

圖1　預埋與表貼應變、溫度傳感器整體布置示意圖

3.2　容許應力包絡法結果

3.2.1預埋、表貼監測數據的處理

(1) 成橋初始階段應力獲取。對建設期預埋傳感器應變監測信息進行處理分析后，得到右幅主跨跨中底板4號測點(S223786/T223786)安裝表貼傳感器時的應力為σ預埋=-11.634MPa，溫度6.0 ℃。

(2) 營運期表貼應力監測數據分析。對應主跨跨中4號測點的表貼監測點(S0304/T0308)的初始應變為-207.991，溫度21.4 ℃。本文選取2014年3月1日至20日時間段監測數據進行分析(每天取00:30:00，09:30:00，18:30:00 3個時間點)，實測應變最大值-168.700，對應溫度15.2 ℃。見圖2。

圖2　跨中4號測點溫度實測應變值

因此，表貼應力為

104/106≈1.395 MPa

同理，可以計算其他時刻表貼應力值。

3.2.2基于容許應力的應力包絡評估分析

綜合預埋監測應力和表貼監測應力可得：

-11.634+1.395=-10.239 MPa

而主梁的容許應力為

[σ]壓≤0.7fck′=0.7×35.5 MPa=24.85 MPa

[σ]拉≤0.4ftk′=0.4×2.74 MPa≈1.10 MPa

容許應力包絡圖見圖3。

圖3　主跨跨中4號測點容許應力包絡評估圖

由圖3可見，主跨跨中截面4號測點實測應力在容許壓應力和拉應力范圍內，處于安全營運狀態。

3.3　荷載試驗結果

(1) 荷載等級按照公路-I級設計，試驗內容見表1。

表1　龍河特大橋(主橋)荷載試驗內容

(2) 應變測試結果及分析。由于篇幅有限，僅列舉跨中截面最大正彎矩工況下測點應變測試結果，見表2。

表2　跨中截面最大正彎矩工況下腹板與頂板應變測點測試結果

注：1.應變符號定義：正值(+)表示拉應變，負值(-)表示壓應變；實測值及理論值均為滿載工況下應變值；2.C55混凝土的彈性模量取Ec=35.5 GPa。

4結論

荷載試驗的試驗結果及分析表明：

(1) 本橋荷載試驗的靜力試驗荷載效率在0.90～1.00范圍內，其試驗結果能夠反映結構現有的技術狀態。

(2) 在試驗荷載作用下，測試截面主要測點的實測應變值均小于相應的理論計算值，應變校驗系數為0.64～0.84，相對殘余應變小于《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》(鐵組YC4-4/1978)的規定限值，試驗橋跨強度滿足設計活載要求。

綜上所述，對該橋梁工程的荷載試驗結論意見如下：龍河特大橋承載能力滿足設計活載標準(公路-I級)要求。