基于監測系統的自錨式懸索橋快速試驗評估

張三峰，任東華，鄒春蓉

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 610031)

橋梁結構狀態評估是指通過各種可行的、結構允許的測試手段，測試出能夠反映其當前工作狀態的結構內部信息，并在此基礎上應用某種狀態評估理論，對構件以及結構整體的工作狀態進行評估[1]。目前常見的評估手段主要有結構外觀檢測、結構承載能力檢算、現場荷載試驗、健康監測等[2]。對于特殊結構橋梁，健康監測與荷載試驗都是最為直觀、可行的測試評估手段。但是，橋梁健康監測僅是針對日常運營荷載下的監測評估，由于易受各種干擾因素影響，荷載譜分析復雜，模型修正繁瑣，不能很好地反映橋梁實際承載能力。常規荷載試驗法雖然是目前最為準確的評估方法，但試驗費用高，耗時費力，長時段影響正常交通，且存在加劇潛在病害的風險。因此，尋求一種快速試驗評估方法十分有必要。

本文以一座城市在役自錨式懸索橋為研究對象，結合有限元模擬與實橋現場試驗，采用基于橋梁既有監測系統的快速荷載試驗方法對該自錨式懸索橋混凝土加勁梁進行了試驗評估，為該橋運營階段的承載能力評定與健康診斷提供參考依據。

1 基于監測系統的快速荷載試驗

ζ=Se/Ss

式中：Se為試驗荷載作用下結構實測彈性變形或應變；Ss為試驗荷載作用下理論計算變形或應變。

采用與常規靜載試驗相同的方法對橋梁承載力做出評價，從而實現結構狀態評估的目的[4-6]。基于監測系統的快速荷載試驗評估流程如圖1所示。

圖1 基于監測系統的快速荷載試驗評估流程

2 工程背景

以一座城市在役自錨式懸索橋為研究對象，該橋結構類型為(26+2×70+26)m自錨式懸索橋，設計荷載為城-A級。該橋為雙向六車道，單幅橋面寬14.75 m。加勁梁按A類預應力混凝土設計，主跨采用由縱梁和橫梁組成的預應力混凝土格構梁體，邊孔為單箱4室箱形截面。主纜(單根)由14股127絲φ5.3 mm的鍍鋅高強鋼絲組成，直徑為246.8 mm；支座采用盆式橡膠支座；橋墩采用Y形雙肢薄壁墩；索塔采用混凝土門式框架結構；基礎采用鉆孔灌注樁。全橋建有健康監測系統。橋梁總體布置如圖2所示。

圖2 自錨式懸索橋總體布置(單位：cm)

3 實橋數值模擬分析

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立單幅橋梁空間三維模型。全橋模型共計654個節點，763個單元。其中，加勁梁、主塔及橋墩按梁單元模擬，吊索及主纜按索單元模擬。該橋加勁梁為由縱、橫梁組成的預應力混凝土格構梁體，建模時選取相應的橋面系計算模式，并考慮預應力束的影響。材料特性根據近期檢測數據進行修正；主纜、吊索索力根據近期監測數據進行修正；主纜與塔頂的連接采用彈性連接模擬，塔腳及墩底按固結考慮，忽略承臺下基礎的變形[7-9]。

基于上述三維數值模型，按常規荷載試驗加載效率加載試算。以加勁梁跨中斷面加載工況為例，給出各加載效率下加勁梁底緣應力、撓度計算值見圖3。可知，加勁梁底緣應力、撓度均隨加載效率的提升呈逐漸增大趨勢。另外，等效靜力加載在考慮幾何非線性與不考慮幾何非線性情況下加勁梁內力與變形曲線基本重合，這是因為對于此類中小跨度自錨式混凝土懸索橋，結構幾何非線性影響很小，汽車加載效應非線性影響也很小，汽車加載不足以引起較大的幾何、內力改變[10]。

圖3 各加載效率下加勁梁底緣應力、撓度計算值

圖4給出相應主跨跨中斷面底緣應力、撓度與加載效率的關系。可以看出應力、撓度均隨加載效率提高而線性增大，且結構非線性影響不大。因此，可以認為加勁梁內力、變形均與荷載大小呈線性關系。各加載效率下跨中斷面底緣應力、撓度見表1。

圖4 主跨跨中加勁梁底緣應力、撓度與加載效率關系

加載效率應力/MPa撓度/mm0.22.3 -18.40.44.5 -36.70.66.8 -55.00.89.0 -73.31.011.1 -90.3

圖5 加勁梁底緣應力、撓度模擬加載時程曲線

4 實橋現場試驗分析

現場試驗采用2輛40 t標準載重貨車以5 km/h勻速沿行車道中線橫向并列一排同步同向行駛，利用橋梁既有監測系統對加勁梁應變、撓度進行同步采集，同時記錄車輛實時車速、位置。加勁梁監測數據測試斷面及測點布置如圖6所示。其中，應變測量采用動態應變傳感器，撓度測量采用公司自行研制的HP-01型應變式動位移計，車輛實時車速、位置采用激光測速測距設備同步測量。試驗期間橋梁臨時封閉，橋面平順，試驗車車況良好，車速控制正常。正式行車加載試驗全程共持續5 min。

圖6 試驗監測斷面及測點布置

圖7 加勁梁主跨跨中實測應力、撓度時程曲線

加勁梁實測應力、撓度時程曲線(均為動態應變信號)見圖7。(限于篇幅，僅列出主跨跨中測點S4-1,S4-2,S4-3,S8-3相應結果)。從曲線形態看，實測應力及撓度時程曲線形態與有限元模擬結果較為吻合。

圖8 加勁梁主跨跨中測點實測影響線

項目應力/MPa撓度/mm測點S4-1測點S4-2測點S4-3測點S8-3常規試驗計算值11.1011.10-90.30-90.30常規試驗實測值8.108.40-83.80-80.20快速試驗推算值8.909.30-86.60-82.90推算校驗系數ζ′0.800.840.960.92

根據快速試驗推算結果及前期常規試驗結果，可知快速試驗推算目標試驗荷載下應力、撓度與前期常規試驗結果偏差不大，該橋在目標試驗荷載作用下各測試斷面應力、撓度校驗系數均小于1，表明該橋結構強度、剛度能夠滿足規范要求。

5 結論

由有限元數值模擬分析與實橋試驗分析可以得出：

1)對于此類中小跨徑自錨式混凝土懸索橋，結構幾何非線性影響很小，加勁梁內力、變形與荷載大小基本呈線性關系，可以通過準靜態快速荷載試驗進行評估。

2)基于監測系統的快速荷載試驗評估結果與常規靜載試驗結果偏離不大，可在一定程度上代替常規靜載試驗，實現對此類中小跨徑特殊結構橋梁承載能力的快速評估。

3)基于既有監測系統的快速試驗評估方法簡單易行，可以作為該橋健康監測后期評估的一個有效補充手段，為該橋運營階段的健康診斷與結構狀態評定提供參考。