高速公路桥梁主梁永久应力观测点优化布设

刘立权

（河北省高速公路荣乌管理处,河北 保定 072150）

高速公路桥梁主梁永久应力观测点优化布设

刘立权

（河北省高速公路荣乌管理处,河北 保定 072150）

结合有限元模型和实际工程荷载试验，研究桥梁在“危险截面”处的最大应力，并且结合高速公路桥梁行车特点，从桥梁横桥向和纵桥向两个方面考虑，得出高速公路桥梁永久观测系统应力测点优化布置结果，从有限的传感器中得到较为精确应力信息，结果实用可靠，为以后实际桥梁布设应力观测点提供了参考和依据。

高速公路桥梁；应力观测；优化布设

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.034

1 引言

桥梁结构永久观测系统是保障桥梁服役安全的重要手段，我国《公路桥涵养护规范》（JTGH11—2004）中明确指出：对特大型、大型桥梁的控制检测中要求必须设置永久性观测点，定期进行控制检测。对结构内力、应变（应力）观测是永久观测系统增加的控制检测项目，已有规范或文件只做出了简单的定性规定，并未给出测点设置的具体要求。本文结合有限元模型和实际工程荷载试验，研究桥梁在“危险截面”处的最大应力，并且结合高速公路桥梁行车特点，从桥梁横桥向和纵桥向两个方面考虑，得出高速公路桥梁永久观测系统应力测点优化布置结果，从有限的传感器中得到较为精确应力信息。

2 应力（应变）观测点优化布设

应力（应变）监测主要反映桥梁在荷载作用下，如风荷载、车辆荷载、地震荷载和其他荷载对构件的局部受力状况，对于评价桥梁的安全性有重要意义[1]。一般情况下，桥梁受到的应力应变随载荷情况分为静态和动态两种情况。高速公路桥梁应力应变观测针对已建成的桥梁，基准状态为成桥状态，在长期荷载作用下通过静态应变传感器观测缓慢变化的静态应变。静态应变测量的目的是：搜集桥梁结构的应力应变分布，推测桥梁的强度储备状况。测点布设则力求通过观测最大应力测点反映桥梁整体最危险截面应力变化。

结合有限元模型和实际工程荷载试验，研究桥梁在“危险截面”处的最大应力，根据高速公路行车特点、桥梁承载能力评定，从桥梁纵横桥两个方面考虑桥梁应力观测点位置和数量布置。通过观测测试截面处的应力应变变化，可以较准确的反映桥梁结构受力变化和实际运营状况。

2.1 “危险截面”理论

由于现有高速公路梁桥多数为装配式预应力混凝土梁桥，连续梁桥多为简支转连续梁桥，各个梁本身是施加了预应力的，成桥状态各个部分都承受着预应力荷载。应力测点布设基于成桥状态，通过观测应力应变变化反映出桥梁整体工作状态，所以连续梁桥需在“危险截面”处设置应力观测点，根据第一类强度理论—最大拉应力理论，保证该截面处最大拉应力在安全范围之内[2]。

等直梁在纯弯曲时横截面上任一点处正应力为：

式中，M为横截面上的弯矩；Iz为横截面对中性轴z的惯性矩；y为所求应力点的纵坐标。

由公式（1）可知：

1）对于一般等截面梁，最大正应力发生在弯矩最大的横截面中性轴最远的各点处；

2）当最大正弯矩截面上的最大正应力达到材料的允许应力时，其余截面上的最大正应力均小于材料的允许应力；

3）正应力与梁弯矩成正比，变化规律与弯矩变化规律相同。

由材料力学知识可知：横截面上最大正应力所在的各点处于单轴应力状态，此情况下梁横截面上的最大工作正应力σmax不得超过材料的允许弯曲正应力。

关于材料允许弯曲正应力的确定，一般就以材料的允许拉应力作为其允许弯曲正应力。

因此，永久性应力观测点应布置在“危险截面”梁底，在弯矩最大的横截面中性轴最远的各点处，观测梁底拉应力最大处应力的变化，不超过材料的允许弯曲正应力[3]。

简支梁和连续梁自重作用下梁底应力结果图如图1、图2所示，图中拉应力为正，压应力为负，单位为kN/m2：

图1 跨径20m简支梁自重作用下梁底应力结果图

图2 跨径30m三跨连续梁自重作用下梁底应力结果图

由图1和图2可知：

1）简支梁跨中梁底应力值最大，为拉应力，支座处为零。

2）连续梁梁底应力值在支点附近为压应力，支点处为最小，在桥跨中存在应力为零的位置，边跨最大拉应力值位置向桥台处偏移。

3）简支梁“危险截面”为跨中截面；连续梁“危险截面”为边跨应力最大处、支点处、中跨应力最大处。

4）经过多次计算，边跨最大应力位置接近L/3（L为梁跨长）。

2.2 横桥向布置

《中华人民共和国高速公路交通管理办法》中规定了高速公路小型客车、大型客车、货运汽车等机动车行驶车道：

第十条

高速公路以沿机动车行驶方向左侧算起，第一条车道为超车道，第二、第三条和其他车道为行车道。

第十四条

机动车在高速公路上通行时，应当在行车道上行驶。

设计时速高于130km的小型客车在第二条车道上行驶；大型客车、货运汽车和设计时速低于130km的小型客车在第三条车道上行驶。

有四条以上车道的，设计时速高于130km的小型客车在第二、三条车道上行驶；大型客车、货运汽车和设计时速低于130km的小型客车在第三、四条车道上或者向右顺延的车道上行驶。

摩托车在最右侧车道上行驶。

由以上条例可知，高速公路上靠右侧的车道，如第三、四车道行驶重车的概率大，而从正常使用状况来讲，重车经过高速公路桥梁对于桥梁的影响要大于小型客车等轻型车。在桥梁横桥向采用相同预制梁组成，外界环境条件相同，横向连接正常的情况下，行车方向右侧的桥梁部分经受的车辆荷载会更大，荷载产生的应力也会更大。所以，通过选择性的观测应力更大的梁的截面，可以有效的掌握全桥“危险截面”最不利的应力位置。

根据以上分析和实际车道划分，桥梁应力观测点的位置和数量选择：

1）应力测点位置应在车辆行驶方向右侧车道，即第三、第四车道位置的桥梁的梁底，涵盖重车车道位置；

2）应力测点数量在桥梁横桥向应至少选择一半的梁数。

2.3 纵桥向布置

《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTGTJ21—2011）中荷载试验关于简支梁桥、连续梁桥主要加载测试项目规定如表1所示。

表1 简支梁桥和连续梁桥主要加载测试项目

纵桥向布置主要涵盖跨中、桥跨4分点最大弯矩、挠度截面等，并且考虑测点布置的对称性[4]。

2.4 布置结果

永久应力观测点的布置同样考虑桥梁对称性，结合“危险截面”理论，得到以下布置结果，如表2所示。

表2 简支梁桥、连续梁桥永久应力观测点布置

3 结语

应变（应力）观测是桥梁永久观测点设置内容重要内容之一，对于评价桥梁的安全性有重要意义。本文对应变（应力）测点进行了优化布置，并对优化结果进行了验证，得出以下结论：

1）结合有限元模型和实际工程荷载试验，研究桥梁在“危险截面”处的最大应力，根据高速公路行车特点、桥梁承载能力评定，从桥梁横桥向和纵桥向两个方面考虑桥梁应力观测点位置和数量布置，给出了通用布置结果，为以后实际桥梁布设观测点提供参考和依据。

2）高速公路桥梁应变（应力）测点布设基于成桥状态，在实际桥梁上布设测点后，可以通过定期观测"危险截面"应力变化，保证该截面处最大拉应力在安全范围之内，可以较准确的反映桥梁结构受力变化和实际运营状况，为桥梁管养工作提供有效数据依据。

【1】邱法维,杜文博,钱稼茹，等.虎门大桥应变监测数据处理系统设计[J].桥梁建设,2003（2）:66-69.

【2】谭冬莲,肖汝诚.桥梁监测系统中梁桥静力应变传感器的优化配置

[J].长安大学学报（自然科学版）,2007（5）:66-69.

【3】淡丹辉,何广汉.基于静态应变测量桥梁结构传感器优化布置法[J].工程设计CAD与智能建筑,2002（2）:53-56.

【4】谭冬莲,肖汝诚.桥梁监测系统中复杂结构的静力应变传感器优化配置方法[J].公路,2006（6）:105-108.

Optimal Placement of Permanent Measuring Points on Bridge Stress Observation

LIU Li-quan
（Rongwu Administration in Hebei Province Highway,Baoding 072150,China）

Combined with the finite element model and the actual engineering load test,the maximum stress of bridge in the dangerous sectionisstudied.Accordingtothehighwaybridgetrafficcharacteristics,fromthetransverseandlongitudinaldirectionofthebridgeaspects, theoptimallayoutofthehighwaybridgepermanentobservationsystemisobtained.Andmoreaccuratestressinformationisobtainedfromthe limitedsensor.Theresultsarepracticalandreliable,whichprovidereferenceandbasisfortheobservationpointsoftheactualbridge.

highwaybridge;stressobservation;optimallayout

U441+.5

B

1007-9467（2016）06-0126-03

2015-12-11

刘立权（1974～），男，河北辛集人，高级工程师，从事高速公路建设研究，（电子信箱）543800337@qq.com。