高速公路橋梁主梁永久應(yīng)力觀測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)

劉立權(quán)

（河北省高速公路榮烏管理處,河北 保定 072150）

高速公路橋梁主梁永久應(yīng)力觀測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)

劉立權(quán)

（河北省高速公路榮烏管理處,河北 保定 072150）

結(jié)合有限元模型和實(shí)際工程荷載試驗(yàn)，研究橋梁在“危險截面”處的最大應(yīng)力，并且結(jié)合高速公路橋梁行車特點(diǎn)，從橋梁橫橋向和縱橋向兩個方面考慮，得出高速公路橋梁永久觀測系統(tǒng)應(yīng)力測點(diǎn)優(yōu)化布置結(jié)果，從有限的傳感器中得到較為精確應(yīng)力信息，結(jié)果實(shí)用可靠，為以后實(shí)際橋梁布設(shè)應(yīng)力觀測點(diǎn)提供了參考和依據(jù)。

高速公路橋梁；應(yīng)力觀測；優(yōu)化布設(shè)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.034

1 引言

橋梁結(jié)構(gòu)永久觀測系統(tǒng)是保障橋梁服役安全的重要手段，我國《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTGH11—2004）中明確指出：對特大型、大型橋梁的控制檢測中要求必須設(shè)置永久性觀測點(diǎn)，定期進(jìn)行控制檢測。對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)變（應(yīng)力）觀測是永久觀測系統(tǒng)增加的控制檢測項(xiàng)目，已有規(guī)范或文件只做出了簡單的定性規(guī)定，并未給出測點(diǎn)設(shè)置的具體要求。本文結(jié)合有限元模型和實(shí)際工程荷載試驗(yàn)，研究橋梁在“危險截面”處的最大應(yīng)力，并且結(jié)合高速公路橋梁行車特點(diǎn)，從橋梁橫橋向和縱橋向兩個方面考慮，得出高速公路橋梁永久觀測系統(tǒng)應(yīng)力測點(diǎn)優(yōu)化布置結(jié)果，從有限的傳感器中得到較為精確應(yīng)力信息。

2 應(yīng)力（應(yīng)變）觀測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)

應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測主要反映橋梁在荷載作用下，如風(fēng)荷載、車輛荷載、地震荷載和其他荷載對構(gòu)件的局部受力狀況，對于評價橋梁的安全性有重要意義[1]。一般情況下，橋梁受到的應(yīng)力應(yīng)變隨載荷情況分為靜態(tài)和動態(tài)兩種情況。高速公路橋梁應(yīng)力應(yīng)變觀測針對已建成的橋梁，基準(zhǔn)狀態(tài)為成橋狀態(tài)，在長期荷載作用下通過靜態(tài)應(yīng)變傳感器觀測緩慢變化的靜態(tài)應(yīng)變。靜態(tài)應(yīng)變測量的目的是：搜集橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布，推測橋梁的強(qiáng)度儲備狀況。測點(diǎn)布設(shè)則力求通過觀測最大應(yīng)力測點(diǎn)反映橋梁整體最危險截面應(yīng)力變化。

結(jié)合有限元模型和實(shí)際工程荷載試驗(yàn)，研究橋梁在“危險截面”處的最大應(yīng)力，根據(jù)高速公路行車特點(diǎn)、橋梁承載能力評定，從橋梁縱橫橋兩個方面考慮橋梁應(yīng)力觀測點(diǎn)位置和數(shù)量布置。通過觀測測試截面處的應(yīng)力應(yīng)變變化，可以較準(zhǔn)確的反映橋梁結(jié)構(gòu)受力變化和實(shí)際運(yùn)營狀況。

2.1 “危險截面”理論

由于現(xiàn)有高速公路梁橋多數(shù)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，連續(xù)梁橋多為簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋，各個梁本身是施加了預(yù)應(yīng)力的，成橋狀態(tài)各個部分都承受著預(yù)應(yīng)力荷載。應(yīng)力測點(diǎn)布設(shè)基于成橋狀態(tài)，通過觀測應(yīng)力應(yīng)變變化反映出橋梁整體工作狀態(tài)，所以連續(xù)梁橋需在“危險截面”處設(shè)置應(yīng)力觀測點(diǎn)，根據(jù)第一類強(qiáng)度理論—最大拉應(yīng)力理論，保證該截面處最大拉應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)[2]。

等直梁在純彎曲時橫截面上任一點(diǎn)處正應(yīng)力為：

式中，M為橫截面上的彎矩；Iz為橫截面對中性軸z的慣性矩；y為所求應(yīng)力點(diǎn)的縱坐標(biāo)。

由公式（1）可知：

1）對于一般等截面梁，最大正應(yīng)力發(fā)生在彎矩最大的橫截面中性軸最遠(yuǎn)的各點(diǎn)處；

2）當(dāng)最大正彎矩截面上的最大正應(yīng)力達(dá)到材料的允許應(yīng)力時，其余截面上的最大正應(yīng)力均小于材料的允許應(yīng)力；

3）正應(yīng)力與梁彎矩成正比，變化規(guī)律與彎矩變化規(guī)律相同。

由材料力學(xué)知識可知：橫截面上最大正應(yīng)力所在的各點(diǎn)處于單軸應(yīng)力狀態(tài)，此情況下梁橫截面上的最大工作正應(yīng)力σmax不得超過材料的允許彎曲正應(yīng)力。

關(guān)于材料允許彎曲正應(yīng)力的確定，一般就以材料的允許拉應(yīng)力作為其允許彎曲正應(yīng)力。

因此，永久性應(yīng)力觀測點(diǎn)應(yīng)布置在“危險截面”梁底，在彎矩最大的橫截面中性軸最遠(yuǎn)的各點(diǎn)處，觀測梁底拉應(yīng)力最大處應(yīng)力的變化，不超過材料的允許彎曲正應(yīng)力[3]。

簡支梁和連續(xù)梁自重作用下梁底應(yīng)力結(jié)果圖如圖1、圖2所示，圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，單位為kN/m2：

圖1 跨徑20m簡支梁自重作用下梁底應(yīng)力結(jié)果圖

圖2 跨徑30m三跨連續(xù)梁自重作用下梁底應(yīng)力結(jié)果圖

由圖1和圖2可知：

1）簡支梁跨中梁底應(yīng)力值最大，為拉應(yīng)力，支座處為零。

2）連續(xù)梁梁底應(yīng)力值在支點(diǎn)附近為壓應(yīng)力，支點(diǎn)處為最小，在橋跨中存在應(yīng)力為零的位置，邊跨最大拉應(yīng)力值位置向橋臺處偏移。

3）簡支梁“危險截面”為跨中截面；連續(xù)梁“危險截面”為邊跨應(yīng)力最大處、支點(diǎn)處、中跨應(yīng)力最大處。

4）經(jīng)過多次計(jì)算，邊跨最大應(yīng)力位置接近L/3（L為梁跨長）。

2.2 橫橋向布置

《中華人民共和國高速公路交通管理辦法》中規(guī)定了高速公路小型客車、大型客車、貨運(yùn)汽車等機(jī)動車行駛車道：

第十條

高速公路以沿機(jī)動車行駛方向左側(cè)算起，第一條車道為超車道，第二、第三條和其他車道為行車道。

第十四條

機(jī)動車在高速公路上通行時，應(yīng)當(dāng)在行車道上行駛。

設(shè)計(jì)時速高于130km的小型客車在第二條車道上行駛；大型客車、貨運(yùn)汽車和設(shè)計(jì)時速低于130km的小型客車在第三條車道上行駛。

有四條以上車道的，設(shè)計(jì)時速高于130km的小型客車在第二、三條車道上行駛；大型客車、貨運(yùn)汽車和設(shè)計(jì)時速低于130km的小型客車在第三、四條車道上或者向右順延的車道上行駛。

摩托車在最右側(cè)車道上行駛。

由以上條例可知，高速公路上靠右側(cè)的車道，如第三、四車道行駛重車的概率大，而從正常使用狀況來講，重車經(jīng)過高速公路橋梁對于橋梁的影響要大于小型客車等輕型車。在橋梁橫橋向采用相同預(yù)制梁組成，外界環(huán)境條件相同，橫向連接正常的情況下，行車方向右側(cè)的橋梁部分經(jīng)受的車輛荷載會更大，荷載產(chǎn)生的應(yīng)力也會更大。所以，通過選擇性的觀測應(yīng)力更大的梁的截面，可以有效的掌握全橋“危險截面”最不利的應(yīng)力位置。

根據(jù)以上分析和實(shí)際車道劃分，橋梁應(yīng)力觀測點(diǎn)的位置和數(shù)量選擇：

1）應(yīng)力測點(diǎn)位置應(yīng)在車輛行駛方向右側(cè)車道，即第三、第四車道位置的橋梁的梁底，涵蓋重車車道位置；

2）應(yīng)力測點(diǎn)數(shù)量在橋梁橫橋向應(yīng)至少選擇一半的梁數(shù)。

2.3 縱橋向布置

《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTGTJ21—2011）中荷載試驗(yàn)關(guān)于簡支梁橋、連續(xù)梁橋主要加載測試項(xiàng)目規(guī)定如表1所示。

表1 簡支梁橋和連續(xù)梁橋主要加載測試項(xiàng)目

縱橋向布置主要涵蓋跨中、橋跨4分點(diǎn)最大彎矩、撓度截面等，并且考慮測點(diǎn)布置的對稱性[4]。

2.4 布置結(jié)果

永久應(yīng)力觀測點(diǎn)的布置同樣考慮橋梁對稱性，結(jié)合“危險截面”理論，得到以下布置結(jié)果，如表2所示。

表2 簡支梁橋、連續(xù)梁橋永久應(yīng)力觀測點(diǎn)布置

3 結(jié)語

應(yīng)變（應(yīng)力）觀測是橋梁永久觀測點(diǎn)設(shè)置內(nèi)容重要內(nèi)容之一，對于評價橋梁的安全性有重要意義。本文對應(yīng)變（應(yīng)力）測點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化布置，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）結(jié)合有限元模型和實(shí)際工程荷載試驗(yàn)，研究橋梁在“危險截面”處的最大應(yīng)力，根據(jù)高速公路行車特點(diǎn)、橋梁承載能力評定，從橋梁橫橋向和縱橋向兩個方面考慮橋梁應(yīng)力觀測點(diǎn)位置和數(shù)量布置，給出了通用布置結(jié)果，為以后實(shí)際橋梁布設(shè)觀測點(diǎn)提供參考和依據(jù)。

2）高速公路橋梁應(yīng)變（應(yīng)力）測點(diǎn)布設(shè)基于成橋狀態(tài)，在實(shí)際橋梁上布設(shè)測點(diǎn)后，可以通過定期觀測"危險截面"應(yīng)力變化，保證該截面處最大拉應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)，可以較準(zhǔn)確的反映橋梁結(jié)構(gòu)受力變化和實(shí)際運(yùn)營狀況，為橋梁管養(yǎng)工作提供有效數(shù)據(jù)依據(jù)。

【1】邱法維,杜文博,錢稼茹，等.虎門大橋應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2003（2）:66-69.

【2】譚冬蓮,肖汝誠.橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中梁橋靜力應(yīng)變傳感器的優(yōu)化配置

[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2007（5）:66-69.

【3】淡丹輝,何廣漢.基于靜態(tài)應(yīng)變測量橋梁結(jié)構(gòu)傳感器優(yōu)化布置法[J].工程設(shè)計(jì)CAD與智能建筑,2002（2）:53-56.

【4】譚冬蓮,肖汝誠.橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力應(yīng)變傳感器優(yōu)化配置方法[J].公路,2006（6）:105-108.

Optimal Placement of Permanent Measuring Points on Bridge Stress Observation

LIU Li-quan
（Rongwu Administration in Hebei Province Highway,Baoding 072150,China）

Combined with the finite element model and the actual engineering load test,the maximum stress of bridge in the dangerous sectionisstudied.Accordingtothehighwaybridgetrafficcharacteristics,fromthetransverseandlongitudinaldirectionofthebridgeaspects, theoptimallayoutofthehighwaybridgepermanentobservationsystemisobtained.Andmoreaccuratestressinformationisobtainedfromthe limitedsensor.Theresultsarepracticalandreliable,whichprovidereferenceandbasisfortheobservationpointsoftheactualbridge.

highwaybridge;stressobservation;optimallayout

U441+.5

B

1007-9467（2016）06-0126-03

2015-12-11

劉立權(quán)（1974～），男，河北辛集人，高級工程師，從事高速公路建設(shè)研究，（電子信箱）543800337@qq.com。