基于結構安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的組合梁斜拉橋結構安全評估

郭書峰，王通，要世乾

（1.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京100088；2.浙江舟山北向大通道有限公司，浙江 舟山316000）

1 引言

荷載試驗是對橋梁結構工作狀態(tài)進行直接測試的一種鑒定手段[1]。成橋荷載試驗是驗證橋梁結構是否滿足設計要求和規(guī)范要求，是否可交付使用的依據(jù)。目前，還沒有基于結構安全監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁成橋階段結構安全評估的相關研究[2]。本文以某組合梁斜拉橋為例，對結構安全監(jiān)測系統(tǒng)與成橋荷載試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，從而檢驗運營期橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，對結構安全監(jiān)測系統(tǒng)設備進行標定，同時對橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)同步采集的荷載試驗期間的結構響應數(shù)據(jù)與荷載試驗結果相互驗證，為后續(xù)橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供參考。

2 工程概況

某大橋設橋跨布置為57m+108m+340m+108m+57m，總長670m，上部結構為雙塔結合梁斜拉橋，主塔采用鉆石形索塔，斜拉索采用中央索面布置。標準寬度橋面布置為27.5m，邊跨橋面寬度由27.5m漸變?yōu)?5.5m，雙向四車道，設計速度為80km/h，公路等級為高速公路，設計荷載為公路-Ⅰ級，通航船舶為500t級雜貨船，抗震烈度為Ⅶ度。

3 橋梁靜載試驗

3.1 測試控制部位

根據(jù)主橋斜拉橋結構分析計算結果，在全橋范圍內選取S1～S8共8個控制部位（斷面），如圖1所示。結合運營期安全監(jiān)測系統(tǒng)測點布置，本文從上述8個斷面中選取S2、S6、S7 3個控制部位作為安全監(jiān)測系統(tǒng)在荷載實驗中的控制截面。

圖1主橋斜拉橋靜載試驗測試部位示意圖

3.2 測試項目及加載工況

綜合考慮荷載試驗與運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)測點布置情況，本文從以下2個測試項目，2種工況，進行荷載試驗與運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)測試結果比對分析。

測試項目包括：（1）主梁控制截面在試驗荷載作用下的撓度；（2）塔頂截面在試驗荷載作用下的水平位移；（3）斜拉索在試驗荷載作用下的索力增量。

加載工況：工況1：主梁中跨跨中S2斷面最大撓度加載；主梁中跨跨中附近S3斷面正彎矩加載（分級1，1/2滿載）；工況2：主梁中跨跨中S2斷面最大撓度加載主梁中跨跨中附近S3斷面正彎矩加載（滿載）。

4 橋梁靜載試驗結果分析

4.1 主梁撓度數(shù)據(jù)分析

工況1和工況2作用下，從主梁測點豎向變形實測值與理論計算值的比較可知，試驗中主梁左、右幅的變形協(xié)調。各加載工況中主要測點的實測值小于理論計算值，監(jiān)測系統(tǒng)測點校驗系數(shù)為0.81～0.91，荷載試驗校驗系數(shù)為0.48～0.98。

4.2 結構空間變位數(shù)據(jù)分析

對工況1和工況2作用下塔頂縱向位移數(shù)據(jù)進行分析，塔頂縱向位移數(shù)據(jù)以岑港向富翅側方向為正、反之為負。監(jiān)測系統(tǒng)索塔變位的實測值小于理論計算值，兩者的比值為0.36～0.51；荷載試驗實測值也均小于理論計算值，兩者比值為0.58～0.86。

工況1作用下，主梁跨中中央分隔帶處GNSS測點豎向變形實測值分別為-85mm（監(jiān)測系統(tǒng)）、-86mm（荷載試驗）、-92mm（理論值），位移數(shù)據(jù)以向上為正，向下為負。監(jiān)測系統(tǒng)與荷載試驗所測數(shù)據(jù)校驗系數(shù)分別為0.92和0.93。主要測點的實測值均小于理論計算值。

工況2作用下，主梁跨中中央分隔帶處GNSS測點豎向變形實測值分別為-171mm（監(jiān)測系統(tǒng)）、-170mm（荷載試驗）、-183mm（理論值），位移數(shù)據(jù)以向上為正，向下為負。監(jiān)測系統(tǒng)與荷載試驗所測數(shù)據(jù)校驗系數(shù)分別為0.93和0.92。主要測點的實測值均小于理論計算值。

4.3 拉索索力數(shù)據(jù)分析

在工況2作用下索力測試截面岑港側右幅MC19′索力增量分別為387kN（監(jiān)測系統(tǒng)）、407kN（荷載試驗）、434kN（理論值），岑港側右幅MC18′索力增量分別為447kN（監(jiān)測系統(tǒng)）、426kN（荷載試驗）、448kN（理論值）。實測值和理論計算值基本吻合，最大索力增量為447kN。

5 橋梁動力特性參數(shù)

動力特性包括結構的自振頻率、振型、阻尼比，由結構形式、質量分布、結構剛度、材料性質、構造連接等因素決定，與外載荷無關。通過動力特性試驗和理論分析來了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，分析橋梁病害對橋梁各項性能的影響，為橋梁運營管理及改造提供科學的依據(jù)。

5.1 試驗加載工況

試驗時，加載車分別以車速為10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 4種工況勻速通過橋跨結構，由于在行駛過程中對橋面產生沖擊作用，從而使橋梁結構產生振動。通過動力測試系統(tǒng)測定測試截面處的振動加速度時間歷程曲線。

5.2 橋梁模態(tài)試驗結果

模態(tài)頻率即可通過該歸一化曲線過零點的次數(shù)和時間確定，阻尼比通過自相關函數(shù)曲線的對數(shù)遞減規(guī)律擬合得到，可得到如下結論：（1）主梁各階振型與實測振型較為吻合，實測頻率值與理論計算基本一致。（2）豎向一階自振頻率實測值為分別為0.424Hz，大于豎向一階自振頻率理論計算值0.421Hz，表明結構的整體剛度較大，滿足設計要求。由于自振頻率是結構的固有特性，反映結構的整體剛度，因此，該特征參數(shù)可作為今后檢查的一個參考指標。（3）監(jiān)測主梁各階阻尼比為0.25%～0.58%，基本與荷載試驗單位提供的實測阻尼比基本一致。

6 結論

1）荷載試驗結果與結構安全監(jiān)測系統(tǒng)實測主梁撓度、空間變位數(shù)據(jù)均小于理論設計值。

2）索力測試截面索力增量實測值和理論計算值基本吻合，最大索力增量為447kN。

3）主梁各階振型與實測振型較為吻合，表明結構的整體剛度較大，滿足設計要求；由于自振頻率是結構的固有特性，反映結構的整體剛度，該特征參數(shù)可作為今后檢查的一個參考指標。

4）監(jiān)測主梁各階阻尼比為0.25%～0.58%，基本與荷載試驗實測阻尼比基本一致。