基于荷載試驗和健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁安全狀態(tài)評估

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

我國大量橋梁使用時間較長，為了有效驗證營運期橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，養(yǎng)護部門會組織開展大量工作，如定期檢測、荷載試驗、健康監(jiān)測等。評價橋梁的安全狀態(tài)，主要是通過測試橋梁在設(shè)計荷載下的響應(yīng)情況實現(xiàn)，如應(yīng)變、撓度等，目前的實現(xiàn)方式主要是橋梁荷載試驗，除此之外，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)也能夠通過同步采集的方式，獲取荷載試驗期間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，進而評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。對于健康監(jiān)測系統(tǒng)而言，通過與荷載試驗結(jié)果的橫向?qū)Ρ乳_展的健康監(jiān)測系統(tǒng)驗證，可驗證系統(tǒng)性能，檢查安裝施工工作是否符合設(shè)計，驗證系統(tǒng)是否達到設(shè)計預(yù)期，同時為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。目前，還沒有基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的荷載試驗相關(guān)研究，對荷載試驗、健康監(jiān)測兩套設(shè)備系統(tǒng)的相互驗證關(guān)系的研究具有一定的理論研究價值。

一、工程概況

某大橋設(shè)計為雙塔斜拉橋，主跨730m，跨度布置為：4×57.5m＋730m+4×57.5m，橋面寬度36m，雙向六車道，設(shè)計行車速度60km/h；設(shè)計荷載等級：公路-I級；通航標(biāo)準(zhǔn)：一級通航；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、測試內(nèi)容及測點布置

（一）靜載試驗

根據(jù)荷載試驗方案，結(jié)合橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實際情況，確定測試位置，荷載試驗測點斷面圖如圖3所示，監(jiān)測系統(tǒng)驗證對應(yīng)編號，如表1所示。限于篇幅，本文僅對截面4-4的應(yīng)力撓度測試結(jié)果進行研討。

截面應(yīng)變測點布置如圖3所示，撓度測點布置如圖4所示，荷載試驗應(yīng)變測點位置基本與之保持一致。

表1 測試內(nèi)容及測試斷面

圖3 健康監(jiān)測系統(tǒng)鋼箱梁應(yīng)力測點布置（單位：cm）

圖4 健康監(jiān)測系統(tǒng)鋼箱梁應(yīng)力測點布置（單位：cm）

圖5 健康監(jiān)測系統(tǒng)動載試驗測點布置（單位：cm）

（二）動載試驗

根據(jù)荷載試驗方案所述測試內(nèi)容，在動力荷載試驗的同時同步采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算理論值，主要驗證項目有斜拉橋的動力特性，包括固有頻率、阻尼比；中跨動力響應(yīng)，主要為沖擊效應(yīng)。測點布置如圖5所示。

三、有限元模型建立

在靜載試驗前，運用Midas Civil軟件完成橋梁建模，試驗前計算出各控制截面的內(nèi)力影響線，計算靜力加載，以便比較靜力計算結(jié)果與荷載試驗及健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果。

主橋有限元模型采用自動考慮恩斯特效應(yīng)的只受拉單元模擬斜拉索，該單元已自動根據(jù)垂度對拉索剛度進行修正。共劃分單元1755個，節(jié)點1922個，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施加。設(shè)計荷載為：公路-I級，車道布置為雙向六車道。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，通過有限元分析，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、試驗測試工況及輪位布置

（一）靜載試驗

本文分析的荷載試驗測試工況如表2所示，主要測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，將各加載工況進行輪位合并，確定最終加載圖，如圖7所示。

在試驗工況作用下，跨中截面的理論計算結(jié)果，如表3、表4所示。

圖7 輪位布置圖（mm）

表2 測試工況及加載效率表

表3 應(yīng)變計算結(jié)果匯總表

表4 撓度計算結(jié)果匯總表

（二）動載試驗

橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)性能試驗，包括跑車試驗、會車試驗和跳車試驗，跑車試驗和會車試驗在20km/h～60km/h勻速跑車工況下完成動應(yīng)變和加速度測試，根據(jù)動應(yīng)變時程曲線和加速度時程曲線，分析和評定橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)性能。本文主要分析跑車在40km/h工況下，結(jié)構(gòu)主梁跨中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況。

五、測試結(jié)果分析

（一）撓度結(jié)果分析

試驗荷載作用下，撓度實時監(jiān)測結(jié)果如表5所示。由表可見，校驗系數(shù)①、②介于0.95～0.96，表明結(jié)構(gòu)撓度測試結(jié)果滿足校驗系數(shù)不大于1的要求，且遠小于規(guī)范限值（73000/600=122mm），結(jié)構(gòu)變形正常。同時健康監(jiān)測系統(tǒng)與荷載試驗所測撓度數(shù)據(jù)相差在1%以內(nèi)，說明數(shù)據(jù)真實可靠。

表5 撓度測點計算值、撓度系統(tǒng)監(jiān)測值及校驗系數(shù)

圖8 試驗期間跨中撓度實測變化情況

進一步驗證撓度監(jiān)測系統(tǒng)的荷載響應(yīng)情況，作試驗荷載作用下的撓度監(jiān)測時程曲線，如圖8所示。

由圖8可知，跨中撓度監(jiān)測測點能夠在每級荷載上橋時作出及時響應(yīng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠有效采集到加載全過程的荷載響應(yīng)信號；卸載后的相對殘余變形約在5%～8%之間，表明橋跨結(jié)構(gòu)在試驗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

試驗荷載作用下，應(yīng)變實時監(jiān)測結(jié)果如表6所示。由表可見，校驗系數(shù)介于0.71～0.92，滿足校驗系數(shù)不大于1的要求，結(jié)構(gòu)受力正常。

為進一步驗證應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的荷載響應(yīng)情況，作出試驗荷載作用下的應(yīng)變監(jiān)測時程曲線，如圖9所示，跨中應(yīng)變監(jiān)測測點能夠在每級荷載上橋時作出及時響應(yīng)，平均響應(yīng)時間為1.2s，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠有效采集到加載全過程的荷載響應(yīng)信號；卸載后的實測相對殘余在4%～10%之間，表明橋跨結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)。

表6 應(yīng)變測點計算值、應(yīng)變系統(tǒng)監(jiān)測值及校驗系數(shù)

圖9 中跨跨中截面應(yīng)變測點L7-YB72-6監(jiān)測時程曲線

（三）跑車試驗結(jié)果分析

動荷載下實測的沖擊系數(shù)1+μ實設(shè)計規(guī)范值時，采用1+μ設(shè)計理論值，否則應(yīng)對行車限速。動態(tài)應(yīng)變采集測試沖擊系數(shù)的原理：

經(jīng)過監(jiān)測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)計算得出，該橋中跨跨中在50km/h車速下的沖擊系數(shù)，如表7所示。

該橋按規(guī)范沖擊系數(shù)理論計算值為1.05，表7中實測沖擊系數(shù)均小于此值，滿足規(guī)范要求。

動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)時域曲線如圖10所示，健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)變測點響應(yīng)明顯，能夠及時捕捉到結(jié)構(gòu)在跑車工況下的應(yīng)變變化情況。動態(tài)撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)時域曲線如圖11所示，健康監(jiān)測系統(tǒng)撓度測點響應(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，在跑車經(jīng)過跨中時能夠明顯看到撓度出現(xiàn)先減小再增大的現(xiàn)象，在跑車出橋后撓度恢復(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)致連通管類液體復(fù)位不及時引起的。

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

圖10 跑車試驗應(yīng)變時域曲線

圖11 跑車試驗撓度時域曲線

表7 中跨跨中在50km/h車速下的沖擊系數(shù)（1+μ）

六、結(jié)語

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

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和荷載試驗系統(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)測系統(tǒng)具有實時連續(xù)采集數(shù)據(jù)的特點，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，健康監(jiān)測系統(tǒng)所測結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)更具理論研究價值。

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