基于應(yīng)力包絡(luò)的橋梁安全評估技術(shù)研究

嚴濤+劉建+馮燕媚

摘 要：為對橋梁進行應(yīng)力監(jiān)測與安全評估，提出了基于應(yīng)力包絡(luò)的橋梁安全評估方法。通過成橋狀態(tài)實測應(yīng)力值與營運期荷載響應(yīng)應(yīng)力實測值矢量和，與允許應(yīng)力包絡(luò)區(qū)間（0.75倍允許抗壓應(yīng)力及0.75倍允許抗拉應(yīng)力）比較，進行結(jié)構(gòu)是否處于正常工作狀態(tài)判斷（若實測應(yīng)力在允許應(yīng)力包絡(luò)區(qū)間內(nèi)，則結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于正常狀態(tài)）。研究結(jié)果表明，在所采集時間范圍內(nèi)大橋在營運過程中，實測應(yīng)力總值在允許應(yīng)力包絡(luò)范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于正常狀態(tài)。采用基于內(nèi)力包絡(luò)的橋梁安全評估，可以實現(xiàn)對橋梁進行應(yīng)力監(jiān)測和安全評估的要求。

關(guān)鍵詞：橋梁；應(yīng)力監(jiān)測；應(yīng)力包絡(luò)；安全評估

引言

近年來，基于趨于成熟的橋梁設(shè)計理論和先進化的橋梁施工技術(shù)，橋梁的跨徑一次又一次的突破歷史，結(jié)構(gòu)形式不斷的優(yōu)化也使得承載能力有了很大的提升。并且，隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的大力需求，秉承“安全實用經(jīng)濟美觀”原則的超大型橋梁數(shù)量正在急速提升。大跨徑橋梁在服役期間，受諸多安全因素的影響而影響其安全狀態(tài)，造成安全隱患。例如惡劣的氣候環(huán)境、日益增大的交通量、疲勞受力、地震災(zāi)難等。因此，有必要對大跨徑橋梁進行實時的健康監(jiān)測。對橋梁的安全狀態(tài)作出實時評價以保證橋梁的正常運營，這具有很強的研究價值和現(xiàn)實意義[1]。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)已在許多大型橋梁上投入使用。針對所得的監(jiān)測信息對橋梁的安全作出實時的評估，一些學者和機構(gòu)在這方面有不同層次的研究，獲得的某些成果也是較為準確的[2]。

本文利用應(yīng)力包絡(luò)原理，對某大跨徑懸索橋進行實時應(yīng)力監(jiān)測，通過成橋狀態(tài)實測應(yīng)力值與營運期荷載響應(yīng)應(yīng)力實測值矢量和，與允許應(yīng)力包絡(luò)區(qū)間（0.75倍允許抗壓應(yīng)力及0.75倍允許抗拉應(yīng)力）比較，進行結(jié)構(gòu)是否處于正常工作狀態(tài)判斷（若實測應(yīng)力在允許應(yīng)力包絡(luò)區(qū)間內(nèi)，則結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于正常狀態(tài)）。研究結(jié)果表明，基于應(yīng)力包絡(luò)的橋梁安全評估技術(shù)滿足變形監(jiān)測的要求。

1 基于應(yīng)力監(jiān)測的橋梁安全評估原理和方法

1.1 應(yīng)力包絡(luò)原理

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常會采用容許應(yīng)力設(shè)計法。

σ≤[σ] （1）

式中：σ為計算應(yīng)力，按線性彈性理論計算得來；[σ]為許用應(yīng)力，由規(guī)定的材料彈性極限（或極限強度、流限）除以安全系數(shù)而得

在受彎、受扭等應(yīng)力分布不均勻的構(gòu)件中，采用容許應(yīng)力設(shè)計法，選取結(jié)構(gòu)典型危險截面，測量其局部的應(yīng)力，若在容許應(yīng)力范圍之內(nèi)，則結(jié)構(gòu)是安全的。這種方法基于線彈性理論，是較為準確和安全的[3]。對大型橋梁的安全作出實時評估，需要選擇合理準確的評價指標。橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力具有可測性、客觀性、靈敏性和簡明性等特點。同時，內(nèi)力包絡(luò)原理也是橋梁設(shè)計計算中內(nèi)力滿足要求的基本依據(jù)。因此，將應(yīng)力作為主要評價指標并且運用應(yīng)力包絡(luò)的方法來對橋梁進行實時安全評估是可行的[4]。該方法采用表貼傳感器安裝在大型橋梁各個重要測點位置。將實時測得的應(yīng)力與恒載、預應(yīng)力共同作用下的初始應(yīng)力作為評價指標。評價指標和竣工時或荷載試驗實測材料強度為準的容許應(yīng)力進行包絡(luò)比較，若在包絡(luò)區(qū)間內(nèi)，則該橋梁處于安全狀態(tài)。

1.2 應(yīng)力監(jiān)測評估方法

1.2.1 荷載響應(yīng)應(yīng)力包絡(luò)

依據(jù)

（2）

在營運期荷載響應(yīng)下，通過實測應(yīng)力與理論計算應(yīng)力的比較，進行結(jié)構(gòu)是否處于正常工作狀態(tài)判斷。故可依據(jù)營運期荷載響應(yīng)，計算理論應(yīng)力上下限，建立荷載響應(yīng)應(yīng)力包絡(luò)，若實測應(yīng)力在包絡(luò)圖范圍內(nèi)，則結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于正常狀態(tài)[5]。

1.2.2 允許應(yīng)力包絡(luò)

根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》：主橋主梁C55，允許抗壓應(yīng)fc=37MPa，允許抗拉應(yīng)力fet=3.3MPa；引橋主梁C50，允許抗壓應(yīng)力fc=33.5MPa，允許抗拉應(yīng)力fet=3.1MPa。針對某大橋，按0.75倍允許應(yīng)力，作為抗壓、抗拉應(yīng)力包絡(luò)，進行結(jié)構(gòu)是否處于正常工作狀態(tài)判斷[6]。

2 工程依托

2.1 工程概況

瀾滄江大橋全長522m，主橋為跨徑380m的單跨懸索橋，祥云岸引橋跨徑布置為（13+31）m，臨滄岸引橋跨徑布置為（31+2×30）m，主纜為跨徑布置為（120+380+120）m的三跨結(jié)構(gòu)。

2.2 主梁應(yīng)力測點布置

對于大跨懸索橋，監(jiān)測點嚴格按照1號監(jiān)測點位于左邊第1與第2根吊索中間，6號監(jiān)測點位于右邊第1與第2根吊索中間橫梁中點，2號監(jiān)測點位于左邊第7與第8根吊索中間，5號監(jiān)測點位于右邊第8與第9根吊索中間，3號、4號監(jiān)測點位于橋梁兩側(cè)主跨正中間。監(jiān)測點設(shè)備安裝在上游橋梁外側(cè)。如圖1所示。

〓

2.3 測點數(shù)據(jù)分析

本橋1號測點截面與6號測點截面分別在左上倒角、右上倒角、左下倒角、右下倒角共布置了4個應(yīng)力監(jiān)測點，其余4個監(jiān)測截面在此基礎(chǔ)上增加頂板中線、底板中線測點。以下列舉該懸索橋在一個月的數(shù)據(jù)采集中每個截面已采集的監(jiān)測信息及分析評估處理，如圖2-圖7。

上圖表明，依據(jù)現(xiàn)場所能采集的應(yīng)力監(jiān)測信息，所測各截面各數(shù)據(jù)均在允許應(yīng)力包絡(luò)范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于正常狀態(tài)。因此，將應(yīng)力作為主要評價指標并且運用應(yīng)力包絡(luò)的方法來對橋梁進行實時安全評估是可行的。

3 結(jié)束語

（1）基于應(yīng)力包絡(luò)的橋梁安全評估技術(shù)，可以實現(xiàn)對運營過程中的橋梁進行健康評估。

（2）通過成橋狀態(tài)實測應(yīng)力值與營運期荷載響應(yīng)應(yīng)力實測值矢量和，與允許應(yīng)力包絡(luò)區(qū)間（0.75倍允許抗壓應(yīng)力及0.75倍允許抗拉應(yīng)力）比較，進行結(jié)構(gòu)是否處于正常工作狀態(tài)判斷（若實測應(yīng)力在允許應(yīng)力包絡(luò)區(qū)間內(nèi)，則結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于正常狀態(tài)）。在所采集時間范圍內(nèi)大橋在營運過程中，實測應(yīng)力總值在允許應(yīng)力包絡(luò)范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于正常狀態(tài)。

參考文獻

[1]劉夢微.基于GPS的橋梁變形監(jiān)測應(yīng)用研究[D].武漢：東華理工大學，2013.

[2]周建庭.基于可靠性理論的橋梁遠程監(jiān)測系統(tǒng)安全評價研究[D].重慶：重慶大學，2005.

[3]向楠，覃怡，周建庭，等.基于容許應(yīng)力包絡(luò)的連續(xù)剛構(gòu)大橋安全評估技術(shù)研究[J].交通科技，2015（2）：68-71.

[4]劉璐.基于內(nèi)力包絡(luò)理論的橋梁遠程健康監(jiān)測安全評價模式研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[5]向楠.連續(xù)剛構(gòu)大橋建設(shè)-營運期全壽命監(jiān)測與評估技術(shù)[D].重慶：重慶交通大學，2014.

[6]張方.大跨度預應(yīng)力混凝土梁橋時變性能及分析方法研究[D].成都：西南交通大學，2011.

作者簡介：嚴濤（1993-），籍貫：四川，碩士研究生，研究方向：橋梁健康監(jiān)測與加固。