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

郭書峰，王通，要世乾

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)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(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁成橋階段結(jié)構(gòu)安全評估的相關(guān)研究[2]。本文以某組合梁斜拉橋為例，對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，對結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備進行標定，同時對橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)同步采集的荷載試驗期間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)與荷載試驗結(jié)果相互驗證，為后續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2 工程概況

某大橋設(shè)橋跨布置為57m+108m+340m+108m+57m，總長670m，上部結(jié)構(gòu)為雙塔結(jié)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(shè)計速度為80km/h，公路等級為高速公路，設(shè)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(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果，在全橋范圍內(nèi)選取S1～S8共8個控制部位（斷面），如圖1所示。結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)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(jié)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(diào)。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(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比，由結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)、構(gòu)造連接等因素決定，與外載荷無關(guān)。通過動力特性試驗和理論分析來了解橋梁結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)，由于在行駛過程中對橋面產(chǎn)生沖擊作用，從而使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié)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(guān)函數(shù)曲線的對數(shù)遞減規(guī)律擬合得到，可得到如下結(jié)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(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計要求。由于自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，反映結(jié)構(gòu)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(jié)論

1）荷載試驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計要求；由于自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，反映結(jié)構(gòu)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。