大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋在活載單項(xiàng)作用下的預(yù)警級(jí)別

吳海軍，李 俊，黃友幫，王慶珍，岳 順

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市公路局，重慶 401147)

連續(xù)剛構(gòu)橋是預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋之一，它綜合了連續(xù)梁和T型剛構(gòu)橋的受力特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)性能上，它保持了連續(xù)梁無伸縮縫、行車平順的優(yōu)點(diǎn)，又保持了T型剛構(gòu)不設(shè)支座、不需體系轉(zhuǎn)換和方便施工的優(yōu)點(diǎn)，而且連續(xù)剛構(gòu)橋很大的順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度能很好地滿足了較大跨徑橋梁的受力要求，是一種極具生命力的橋梁結(jié)構(gòu)形式。因此，盡管其起步較晚，近10余年來卻得到了較快的發(fā)展，在主跨100～300 m范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。

橋梁在長期運(yùn)營過程中，其結(jié)構(gòu)性能衰退和損傷會(huì)愈來愈多，程度也會(huì)愈來愈嚴(yán)重，使大橋的承載力和耐久性降低，橋梁的安全性及適用性存在日益嚴(yán)重的不確定性。因此，通過建立橋梁監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行監(jiān)測，并通過分析長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)近年來受到橋梁管養(yǎng)單位的重視[1]。

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁受力性能和安全性評(píng)價(jià)是橋梁健康監(jiān)測中的核心難題，筆者以重慶交通科技項(xiàng)目——“重慶市江津長江大橋監(jiān)測實(shí)用技術(shù)研究”為依托，結(jié)合實(shí)橋和相關(guān)規(guī)范分析研究通過實(shí)測活載效應(yīng)評(píng)價(jià)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋工作狀態(tài)的方法。

1 基于實(shí)測活載作用效應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)方法

對(duì)于運(yùn)營階段安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其獲取的各個(gè)監(jiān)測值的變化主要由活載和溫度作用引起，其中活載又占大部分。近年來，有一些研究者通過識(shí)別活載作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率等動(dòng)力響應(yīng)的變化來評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性的變化，但由于混凝土橋梁動(dòng)力特性的變化對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展不敏感，因此橋梁界對(duì)這一方法的適用性存在一定的質(zhì)疑[2]。

工程經(jīng)驗(yàn)表明，混凝土橋梁是否開裂及結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展情況，主要受活載大小及其分布的影響；此外，近年來眾多橋梁的嚴(yán)重垮塌和病害主要受超載車輛的影響，而通過活載作用下結(jié)構(gòu)監(jiān)測參數(shù)的變化來分析橋梁所承受活載效應(yīng)的大小與分布規(guī)律，判斷其是否存在超載問題及超載問題的嚴(yán)重程度對(duì)于把握橋梁的性能變化具有重要意義。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)中活載數(shù)據(jù)的提取

橋梁運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括了活載、溫度、監(jiān)測儀器零漂、溫漂偏差等多種因素的影響。為了識(shí)別活載對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響，需要預(yù)先找到一種結(jié)構(gòu)上不存在活載的狀態(tài)，即“零活載”點(diǎn)，通過監(jiān)測時(shí)刻數(shù)據(jù)與“零活載”點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化來反映活載的影響[3]。多數(shù)橋梁在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時(shí)會(huì)將監(jiān)測儀器安裝后某個(gè)沒有荷載的狀態(tài)記為“零活載”點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)，這種方法難以準(zhǔn)確把握溫度及儀器漂移帶來的問題。

考慮到混凝土橋梁受溫度影響的規(guī)律，可以考慮將每天中橋梁各部分溫度穩(wěn)定且橋梁與大氣溫差小的無活載時(shí)刻作為“零活載”點(diǎn)[3]。通過對(duì)類似橋梁大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，選擇每天凌晨2:00—4:00的監(jiān)測數(shù)據(jù)來識(shí)別“零活載”點(diǎn)，此時(shí)間段的箱內(nèi)外溫差和日照溫差對(duì)橋梁應(yīng)力的影響最小，同時(shí)此時(shí)段也是每天橋上車流量相對(duì)較少的時(shí)段，容易找到?jīng)]有活載的時(shí)刻。

通過每天識(shí)別零活載點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)來處理每天監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而明顯減少了預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮、徐變和環(huán)境變化等時(shí)變因素對(duì)于監(jiān)測數(shù)據(jù)的累積影響，也大大減少和消除了零漂和溫漂等因素對(duì)于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間累積影響[4-5]。因此，通過此方法可以為基于活載影響的橋梁健康狀態(tài)的評(píng)判提供良好的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 江津長江大橋概況

江津長江公路大橋建成和通車于1997年，至今已經(jīng)使用15年。大橋全長1360 m，主橋?yàn)?40 m + 240 m + 140 m的3跨連續(xù)剛構(gòu)橋，見圖1。

圖1 江津長江公路大橋主橋橋型布置Fig.1 Bridge layout of Jiangjin Yangtze River Highway Bridge

主橋橋面總寬22 m(中間分隔帶1.0 m，行車道2 × 7.75 m，隔離墩2 × 0.5 m，人行道寬2 × 2.0 m，欄桿2 × 0.25 m)；設(shè)計(jì)荷載：汽-超20級(jí)，掛-120，人群3.5 kN/m2；主橋箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用單箱單室截面，頂板寬22 m，底板寬11.5 m，箱梁頂面翼緣板設(shè)置1.5%的雙向橫坡。

該橋運(yùn)營12年后，于2009年安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，在關(guān)鍵截面布置了應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)和裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)全橋箱梁內(nèi)外的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 活載單項(xiàng)作用下橋梁健康狀態(tài)預(yù)警級(jí)別的研究

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)力是反應(yīng)橋梁健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，下面以江津大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于活載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律，來分析研究基于活載單項(xiàng)作用的結(jié)構(gòu)預(yù)警級(jí)別，并提出針對(duì)大跨徑橋梁連續(xù)剛構(gòu)橋的監(jiān)測指標(biāo)和預(yù)警閾值[6]。

4.1 活載單項(xiàng)作用代表值的含義

由GB/T 50283—1999《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》可知，活載的頻遇值是指結(jié)構(gòu)上較頻繁出現(xiàn)的，并且是量值較大的作用取值，是可變荷載的代表值之一。對(duì)于實(shí)測值的荷載頻遇值系數(shù)的確定，方法1是按在觀測期內(nèi)荷載達(dá)到和超越Ψ1Qk期t的次數(shù)與觀測期t的總觀測次數(shù)的比值確定；方法2是按在觀測期t內(nèi)荷載達(dá)到的超過Ψ1Qk的總和Σti與t的比值Σti/t確定，國際上認(rèn)為此比值在一般情況下可取值0.05，相當(dāng)于荷載截口(任意時(shí)點(diǎn))概率密度函數(shù)上的0.95分位值。

活載的準(zhǔn)永久值是指在結(jié)構(gòu)上經(jīng)常出現(xiàn)的，且量值較小的荷載取值，也是活載的一個(gè)代表值。在規(guī)范中，準(zhǔn)永久值的確定方法與確定頻遇值的方法2相同，國際上認(rèn)為Σti/t的取值為0.5，相當(dāng)于荷載截口概率密度函數(shù)上的0.5分位值。

4.2 活載單項(xiàng)作用下橋梁應(yīng)力實(shí)測值分析

江津大橋活載作用下的跨中實(shí)測應(yīng)力值是符合非標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)概率密度函數(shù)分布[3]，通過統(tǒng)計(jì)本橋的實(shí)測應(yīng)力數(shù)據(jù)可以得出相應(yīng)的正態(tài)概率分布圖(跨中頂板)，如圖2。

圖2 活載單項(xiàng)作用下實(shí)測跨中頂板應(yīng)力的正態(tài)概率密度函數(shù)Fig.2 Normal probability density function diagram of measuredstress of mid-span roof in single live load

4.2.1 在相同可靠指標(biāo)β下對(duì)實(shí)測活載應(yīng)力分析

由圖2可知，實(shí)測頂板應(yīng)力的樣本均值為μ=0.544 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.452 MPa。概率密度函數(shù)為：

(1)

(2)

(3)

由4.1可知規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值、準(zhǔn)永久值的所對(duì)應(yīng)可靠概率分別為99.99%，95%和50%，經(jīng)查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)表得到可靠指標(biāo)β如表1。

表1 可靠概率對(duì)應(yīng)的可靠指標(biāo)β

由實(shí)測的均值、方差和表1的可靠指標(biāo)，通過式(3)可計(jì)算得到實(shí)測應(yīng)力中的“標(biāo)準(zhǔn)值”“頻遇值”“準(zhǔn)永久值”效應(yīng)下的應(yīng)力值：

4.3 活載單項(xiàng)作用下應(yīng)力預(yù)警閾值的確定

根據(jù)前述原則，確定了本橋每天的0活載點(diǎn)，分析提取出一段時(shí)間內(nèi)的活載單項(xiàng)作用下的主跨跨中頂、底板的應(yīng)力值的變化情況如圖3。

圖3 跨中頂板、底板應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)分析(活載)

計(jì)算分析得到江津大橋活載單項(xiàng)作用下跨中截面應(yīng)力預(yù)警閾值，如表2。

表2 活載單項(xiàng)作用下的跨中應(yīng)力預(yù)警閥值(計(jì)算值)

注：拉為正，壓為負(fù)。

特定時(shí)間段內(nèi)本橋應(yīng)力的分布范圍：A<0.72 MPa，75.0%；0.72 MPa≤B≤1.35 MPa，14.3%；C≥1.35 MPa，10.7%?？梢?，實(shí)際單項(xiàng)活載作用下活載對(duì)頂板產(chǎn)生的壓應(yīng)力<0.72 MPa約占有75.0%，壓應(yīng)力>0.72 MPa且<1.35 MPa的約占14.3%,壓應(yīng)力>1.35 MPa的占10.7%。因此，實(shí)際活載影響下的應(yīng)力值基本符合規(guī)范的準(zhǔn)永久值、頻域值、標(biāo)準(zhǔn)值的界定。

5 活載單項(xiàng)作用條件下應(yīng)力預(yù)警級(jí)別的提出

參考現(xiàn)行JTG D 60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》關(guān)于橋梁應(yīng)力控制的要求及橋梁正常使用狀態(tài)的應(yīng)力限制原則，根據(jù)實(shí)測最大應(yīng)力與不同活載作用下計(jì)算應(yīng)力的關(guān)系，提出活載單項(xiàng)作用下的應(yīng)力預(yù)警級(jí)別如表3。

表3 活載單項(xiàng)作用下橋梁應(yīng)力預(yù)警分級(jí)

注：σSM為實(shí)測活載最大應(yīng)力值；σJG為計(jì)算活載標(biāo)準(zhǔn)值的應(yīng)力；σJL為計(jì)算活載頻遇值的應(yīng)力；σJS為計(jì)算活載準(zhǔn)永久值的應(yīng)力。

當(dāng)實(shí)測活載應(yīng)力滿足不同的應(yīng)力比較關(guān)系時(shí)，

對(duì)橋梁使用的影響是不同的：

1)S級(jí)的預(yù)警級(jí)別，沒有超活載準(zhǔn)永久值應(yīng)力出現(xiàn)，說明橋梁處于一個(gè)穩(wěn)定安全運(yùn)行狀態(tài)，換句話來說，橋梁健康狀態(tài)是穩(wěn)定和良好的。

2)A級(jí)的預(yù)警級(jí)別，沒有超活載頻遇值應(yīng)力出現(xiàn)，能夠滿足橋梁正常使用的要求。說明橋梁處于穩(wěn)定安全的運(yùn)行狀態(tài)。

3)B級(jí)的預(yù)警級(jí)別，沒有超活載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)力出現(xiàn)，橋梁滿足正常使用的要求。

4)C級(jí)的預(yù)警級(jí)別，實(shí)測活載應(yīng)力超過活載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)力，結(jié)構(gòu)存在開裂危險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)所受荷載超過正常使用允許值。

根據(jù)實(shí)測應(yīng)力判斷，江津長江大橋在活載單項(xiàng)作用預(yù)警級(jí)別中處于A級(jí)。

6 結(jié) 論

1)通過分析基于活載響應(yīng)進(jìn)行橋梁安全狀態(tài)判斷方法的現(xiàn)狀，提出了以活載單項(xiàng)作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)判斷和預(yù)警的思路。

2)基于不同活載效應(yīng)對(duì)應(yīng)的可靠度含義，提出了以設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值及準(zhǔn)永久值效應(yīng)作為活載單項(xiàng)作用預(yù)警判斷閥值。

3)分析了江津長江大橋?qū)崪y活載單項(xiàng)作用下應(yīng)力分布的特點(diǎn)，應(yīng)用活載單項(xiàng)作用下應(yīng)力預(yù)警值的計(jì)算原理得到了其預(yù)警閥值，并評(píng)估了橋梁實(shí)際單項(xiàng)活載效應(yīng)下的預(yù)警級(jí)別。

4)提出的思路及方法適用于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和評(píng)價(jià)。

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