独柱墩弯桥健康状态评估研究

韩保勤

（1.河北瑞志交通技术咨询有限公司，河北石家庄050091；2.河北省交通规划设计院试验检测室，河北 石家庄050091；3.河北省道路结构与材料工程技术研究中心，河北 石家庄050091）

1 工程概况

京珠互通匝道桥全长186m，为钢箱组合梁桥。桥梁宽度为12m，上部结构为1×40m+2×50m+1×40m钢混连续箱梁，下部结构为钢管混凝土独柱墩，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。桥梁位于半径R=165m的左偏圆曲线内，墩台径向布置，中墩设偏心25cm，桥墩全部采用固结。设计荷载等级为公路—Ⅰ级，地震动峰值为0.15g。桥梁加固历史：采用在原桥独柱两侧各增加一个钢管柱，使单支点变为三支点的方法，对桥梁结构进行了加固处治。京珠互通匝道桥桥梁全景如图1所示。

2 桥梁有限元模型分析

图1 京珠互通匝道桥桥梁全景图

使用桥梁专业模拟计算软件Midas/Civil，对独柱墩弯桥进行计算分析，主桥结构采用杆系有限元模型，每1m 弧长划分一个单元，混凝土板及钢主梁采用双单元共节点模型，共420 个单元，214个节点。全桥计算模型如图2所示。

3 健康状态评估参数

3.1 静态评定参数

通过对曲线钢混组合梁易出现的病害进行分析，发现弯桥易发生倾覆破坏，并且弯桥倾覆与支点位移、主梁跨中挠度、梁体侧移等因素关系较大。

图2 全桥计算模型

（1）支点位移

利用有限元模型分析支点出现负反力前后，支点处的位移变化规律，并通过对梁端位移、墩顶位移的实时监测，结合模型分析弯桥曲线内侧、外侧的位移结果进行桥梁稳定性能评定。

独柱式曲线桥由于下部结构采用独柱支承方式（一般为单支点，或者间距较小的双支点），中间支点抗扭能力弱，由于主梁的扭转传递到梁端部时，会造成端部各支座横向受力分布严重不均，还有汽车荷载的偏心布置及其行驶时的离心力，也会造成曲线梁桥向外偏转并增加主梁扭矩和扭转变形。由于该桥为固结桥墩，并且1#、3#墩处已增加附属墩，因此，在1#、3#桥墩处附属墩顶支座处布置竖向位移传感器监测桥梁扭转变形。

（2）主梁跨中挠度

利用有限元模型分析弯桥跨中处曲线挠度，支点出现负反力前后，支点处的位移变化规律。

大桥梁体挠度监测：根据结构计算的布点原则选择建模（受力分析）计算得到的挠度最大控制截面作为代表性截面，选择各跨跨中截面处布置静态挠度测点。

3.2 动态评定参数

桥梁结构的固有模态参数能反映构件的损伤状况及整体性等指标，损伤导致结构特征频率的变化。桥梁某一阶特征频率的变化幅度与模态刚度的平方根成正比。因此，可以通过测试桥梁特征频率的变化来反映桥梁结构的整体损伤情况。

4 独柱墩弯桥健康状态评估

桥梁健康状态综合评定需将实测数据与规范标准或与损伤的桥梁基准状态标准值进行比较，制定相应的评估准则或评估参数，才能如实、准确地评估桥梁的实际健康状态。

4.1 支点位移指标评估

选择京珠互通匝道桥健康监测系统某年年度报表中支点位移监测数据进行分析，支点位移监测实测数据如下。

1#墩附属墩顶支座沉降测点观测的数据为：1#墩内侧附属墩顶、1#墩外侧附属墩顶位移分别为-51.194mm、-63.409mm，位移差为12.215mm。3#墩附属墩顶支座沉降测点观测的数据为：3#墩内侧附属墩顶、3#墩外侧附属墩顶位移分别为-46.371、-33.718mm，位移差为12.653mm。年度报表中附属墩支座位移值均为负，说明附属墩顶支座全部脱空。梁体同一横截面内外侧附属墩支座存在位移差偏大，说明梁体扭转变形过大（向下位移为正，向上位移为负）。

从上述实测数据可以看出：1#墩及3#墩附属墩墩顶支座均处于脱空状态，并且梁体同一横断面上内外侧附属墩墩顶支座位移差均偏大，梁体横向扭转变形大，桥梁整体抗倾覆性能较差。

4.2 主梁挠度指标评估

采用独柱墩弯桥跨中最大挠度来表征主梁挠度指标，利用实测挠度值与规范限值的比值作为挠度评估参数，即挠度评估参数为：

式中：fe为跨中挠度实测值；fs为设计规范限值。

主梁挠度指标评估准则如表1所示。

表1 主梁挠度指标评估准则

依据《公路桥涵养护规范》（JTJ H11—2004）[1]及《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）[2]对桥梁各跨跨中最大挠度限值进行计算，选择京珠互通CK0+731 跨线桥健康监测系统某年年度报表中挠度监测数据作为实测值进行分析，京珠互通CK0+731 跨线桥主梁挠度状态评定见表2。

表2 主梁挠度健康状态评估

从表2中的数据可以看出：主梁第一跨跨中挠度健康状态评定结果为较差，评分为65.83；第二跨、第三跨跨中挠度健康状态评定结果为较好，评分分别为85.87、91.74；第四跨跨中挠度健康状态评定结果为良好，评分为99.5，挠度综合评分=(65.83+85.87+91.74+99.5)/4=85.735，桥梁主梁挠度评定标度为2。

4.3 主梁模态指标评估

《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）[3]规定，根据实测的桥梁结构各部件自振频率与设计理论计算值的比值对桥梁结构各部件的整体性能和技术状况做出评定，利用主梁自振基频的变化评估主梁状态。依据桥梁的技术状况等级，利用《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）对桥梁技术状况进行评分。评估指标如式（2）所示：

式中：fmi为通过实测模态分析获得的主梁自振频率；fdi为基于设计理论的计算值。

主梁模态指标评估准则如表3所示。

表3 主梁模态指标评估准则

自振频率（特别是基频）是综合分析和评价桥梁结构刚度的重要指标。本桥的自振频率采用脉动法进行测试，并选取跨中截面测得的特征频率作为损伤的识别标识量。京珠互通CK0+731 跨线桥实测一阶频率为3.16Hz，频谱图如图3所示。

图3 实测自功率谱重叠图

结构动力分析计算结果显示，一阶频率为3.47Hz。fmi/fdi=3.16/3.47=0.91，桥梁评分为62分，桥梁结构固有模态参数评定标度为3。

5 结论

基于京珠互通匝道桥健康监测系统进行了桥梁安全状态的动、静态评定参数设置，确定了评价指标，并利用评价指标进行了桥梁健康状态的动、静态评估，依据评估结果可知：桥梁同一独柱墩两侧增加的钢管柱顶支座位移差偏大，梁体整体扭转变形大，桥梁结构整体抗倾覆性能较差；桥梁主梁挠度评定标度为2，桥梁静态技术状况为“较好”；桥梁结构固有模态参数评定标度为3，桥梁动态技术状况为“较差”。

[1] JTJ H11—2004，公路桥涵养护规范[S].

[2] JTG/T H21—2011，公路桥梁技术状况评定标准[S].

[3] JTG/T J21—2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].