基于荷載試驗(yàn)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁安全狀態(tài)評(píng)估

（山西省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，山西 太原 030006）

我國(guó)大量橋梁使用時(shí)間較長(zhǎng)，為了有效驗(yàn)證營(yíng)運(yùn)期橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，養(yǎng)護(hù)部門(mén)會(huì)組織開(kāi)展大量工作，如定期檢測(cè)、荷載試驗(yàn)、健康監(jiān)測(cè)等。評(píng)價(jià)橋梁的安全狀態(tài)，主要是通過(guò)測(cè)試橋梁在設(shè)計(jì)荷載下的響應(yīng)情況實(shí)現(xiàn)，如應(yīng)變、撓度等，目前的實(shí)現(xiàn)方式主要是橋梁荷載試驗(yàn)，除此之外，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也能夠通過(guò)同步采集的方式，獲取荷載試驗(yàn)期間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，進(jìn)而評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。對(duì)于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，通過(guò)與荷載試驗(yàn)結(jié)果的橫向?qū)Ρ乳_(kāi)展的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證，可驗(yàn)證系統(tǒng)性能，檢查安裝施工工作是否符合設(shè)計(jì)，驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，同時(shí)為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。目前，還沒(méi)有基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的荷載試驗(yàn)相關(guān)研究，對(duì)荷載試驗(yàn)、健康監(jiān)測(cè)兩套設(shè)備系統(tǒng)的相互驗(yàn)證關(guān)系的研究具有一定的理論研究?jī)r(jià)值。

一、工程概況

某大橋設(shè)計(jì)為雙塔斜拉橋，主跨730m，跨度布置為：4×57.5m＋730m+4×57.5m，橋面寬度36m，雙向六車(chē)道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度60km/h；設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-I級(jí)；通航標(biāo)準(zhǔn)：一級(jí)通航；地震烈度：Ⅵ度，按Ⅶ度設(shè)防。

圖1 橋跨布置示意圖（單位：cm）

圖2 橫斷面布置示意圖（單位：cm）

二、測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

（一）靜載試驗(yàn)

根據(jù)荷載試驗(yàn)方案，結(jié)合橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際情況，確定測(cè)試位置，荷載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)斷面圖如圖3所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證對(duì)應(yīng)編號(hào)，如表1所示。限于篇幅，本文僅對(duì)截面4-4的應(yīng)力撓度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行研討。

截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，荷載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置基本與之保持一致。

表1 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試斷面

圖3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)鋼箱梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

圖4 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)鋼箱梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

圖5 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

（二）動(dòng)載試驗(yàn)

根據(jù)荷載試驗(yàn)方案所述測(cè)試內(nèi)容，在動(dòng)力荷載試驗(yàn)的同時(shí)同步采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算理論值，主要驗(yàn)證項(xiàng)目有斜拉橋的動(dòng)力特性，包括固有頻率、阻尼比；中跨動(dòng)力響應(yīng)，主要為沖擊效應(yīng)。測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

三、有限元模型建立

在靜載試驗(yàn)前，運(yùn)用Midas Civil軟件完成橋梁建模，試驗(yàn)前計(jì)算出各控制截面的內(nèi)力影響線，計(jì)算靜力加載，以便比較靜力計(jì)算結(jié)果與荷載試驗(yàn)及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)果。

主橋有限元模型采用自動(dòng)考慮恩斯特效應(yīng)的只受拉單元模擬斜拉索，該單元已自動(dòng)根據(jù)垂度對(duì)拉索剛度進(jìn)行修正。共劃分單元1755個(gè)，節(jié)點(diǎn)1922個(gè)，主梁邊跨混凝土段采用C50和C55混凝土，彈性模量分別為和3.55×104MPa，索塔采用C50混凝土，容重取為26kN/m3，彈性模量為3.45×104MPa。中跨鋼箱梁段采用Q345鋼，彈性模量取206GPa，自重系數(shù)考慮15%的提高系數(shù)。鋼箱梁和混凝土梁段的橫隔板自重按實(shí)施加。設(shè)計(jì)荷載為：公路-I級(jí)，車(chē)道布置為雙向六車(chē)道。按規(guī)范橫向折減系數(shù)取0.55，縱向折減系數(shù)取為0.95。沖擊系數(shù)按規(guī)范計(jì)算。

全橋空間有限元模型如圖6所示。

該橋的目標(biāo)荷載為公路-I級(jí)，通過(guò)有限元分析，橋梁在目標(biāo)作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖，如圖7所示。

圖6 有限元模型

圖7 內(nèi)力包絡(luò)圖（kN.m）

四、試驗(yàn)測(cè)試工況及輪位布置

（一）靜載試驗(yàn)

本文分析的荷載試驗(yàn)測(cè)試工況如表2所示，主要測(cè)試分析跨中截面的應(yīng)變、撓度情況。根據(jù)工況設(shè)置情況，將各加載工況進(jìn)行輪位合并，確定最終加載圖，如圖7所示。

在試驗(yàn)工況作用下，跨中截面的理論計(jì)算結(jié)果，如表3、表4所示。

圖7 輪位布置圖（mm）

表2 測(cè)試工況及加載效率表

表3 應(yīng)變計(jì)算結(jié)果匯總表

表4 撓度計(jì)算結(jié)果匯總表

（二）動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)性能試驗(yàn)，包括跑車(chē)試驗(yàn)、會(huì)車(chē)試驗(yàn)和跳車(chē)試驗(yàn)，跑車(chē)試驗(yàn)和會(huì)車(chē)試驗(yàn)在20km/h～60km/h勻速跑車(chē)工況下完成動(dòng)應(yīng)變和加速度測(cè)試，根據(jù)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線和加速度時(shí)程曲線，分析和評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)性能。本文主要分析跑車(chē)在40km/h工況下，結(jié)構(gòu)主梁跨中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況。

五、測(cè)試結(jié)果分析

（一）撓度結(jié)果分析

試驗(yàn)荷載作用下，撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。由表可見(jiàn)，校驗(yàn)系數(shù)①、②介于0.95～0.96，表明結(jié)構(gòu)撓度測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足校驗(yàn)系數(shù)不大于1的要求，且遠(yuǎn)小于規(guī)范限值（73000/600=122mm），結(jié)構(gòu)變形正常。同時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與荷載試驗(yàn)所測(cè)撓度數(shù)據(jù)相差在1%以?xún)?nèi)，說(shuō)明數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

表5 撓度測(cè)點(diǎn)計(jì)算值、撓度系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值及校驗(yàn)系數(shù)

圖8 試驗(yàn)期間跨中撓度實(shí)測(cè)變化情況

進(jìn)一步驗(yàn)證撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的荷載響應(yīng)情況，作試驗(yàn)荷載作用下的撓度監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線，如圖8所示。

由圖8可知，跨中撓度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)能夠在每級(jí)荷載上橋時(shí)作出及時(shí)響應(yīng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠有效采集到加載全過(guò)程的荷載響應(yīng)信號(hào)；卸載后的相對(duì)殘余變形約在5%～8%之間，表明橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)。

（二）應(yīng)變結(jié)果分析

試驗(yàn)荷載作用下，應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表6所示。由表可見(jiàn)，校驗(yàn)系數(shù)介于0.71～0.92，滿(mǎn)足校驗(yàn)系數(shù)不大于1的要求，結(jié)構(gòu)受力正常。

為進(jìn)一步驗(yàn)證應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的荷載響應(yīng)情況，作出試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線，如圖9所示，跨中應(yīng)變監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)能夠在每級(jí)荷載上橋時(shí)作出及時(shí)響應(yīng)，平均響應(yīng)時(shí)間為1.2s，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠有效采集到加載全過(guò)程的荷載響應(yīng)信號(hào)；卸載后的實(shí)測(cè)相對(duì)殘余在4%～10%之間，表明橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)。

表6 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)計(jì)算值、應(yīng)變系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值及校驗(yàn)系數(shù)

圖9 中跨跨中截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)L7-YB72-6監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

（三）跑車(chē)試驗(yàn)結(jié)果分析

動(dòng)荷載下實(shí)測(cè)的沖擊系數(shù)1+μ實(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范值時(shí)，采用1+μ設(shè)計(jì)理論值，否則應(yīng)對(duì)行車(chē)限速。動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集測(cè)試沖擊系數(shù)的原理：

經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，該橋中跨跨中在50km/h車(chē)速下的沖擊系數(shù)，如表7所示。

該橋按規(guī)范沖擊系數(shù)理論計(jì)算值為1.05，表7中實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)均小于此值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)域曲線如圖10所示，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)響應(yīng)明顯，能夠及時(shí)捕捉到結(jié)構(gòu)在跑車(chē)工況下的應(yīng)變變化情況。動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)域曲線如圖11所示，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)撓度測(cè)點(diǎn)響應(yīng)明顯，撓度傳感器為基于連通管液壓原理的靜力水準(zhǔn)傳感器，在跑車(chē)經(jīng)過(guò)跨中時(shí)能夠明顯看到撓度出現(xiàn)先減小再增大的現(xiàn)象，在跑車(chē)出橋后撓度恢復(fù)緩慢，這一現(xiàn)象主要是由于撓度系統(tǒng)自身的阻尼導(dǎo)致連通管類(lèi)液體復(fù)位不及時(shí)引起的。

結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用光纖光柵應(yīng)變傳感器，光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠及時(shí)反饋結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)，而連通管液壓原理的靜力水準(zhǔn)傳感器則在動(dòng)態(tài)撓度測(cè)試上具有局限性。

圖10 跑車(chē)試驗(yàn)應(yīng)變時(shí)域曲線

圖11 跑車(chē)試驗(yàn)撓度時(shí)域曲線

表7 中跨跨中在50km/h車(chē)速下的沖擊系數(shù)（1+μ）

六、結(jié)語(yǔ)

撓度和應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明，該橋在試驗(yàn)工況作用下結(jié)構(gòu)撓度應(yīng)變測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足承載能力要求。

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和荷載試驗(yàn)系統(tǒng)均能準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)變變化情況，但橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)連續(xù)采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，能夠獲取更多的響應(yīng)信息，在數(shù)據(jù)分析上更具優(yōu)勢(shì)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)更具理論研究?jī)r(jià)值。

跑車(chē)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該橋在試驗(yàn)工況作用下沖擊系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)撓度和動(dòng)態(tài)應(yīng)變均響應(yīng)明顯，但連通管液壓原理的靜力水準(zhǔn)傳感器則在動(dòng)態(tài)撓度測(cè)試上具有局限性。