基于监测系统的自锚式悬索桥快速试验评估

2019-06-03张三峰任东华邹春蓉

铁道建筑 2019年5期

张三峰，任东华，邹春蓉

(中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 610031)

桥梁结构状态评估是指通过各种可行的、结构允许的测试手段，测试出能够反映其当前工作状态的结构内部信息，并在此基础上应用某种状态评估理论，对构件以及结构整体的工作状态进行评估[1]。目前常见的评估手段主要有结构外观检测、结构承载能力检算、现场荷载试验、健康监测等[2]。对于特殊结构桥梁，健康监测与荷载试验都是最为直观、可行的测试评估手段。但是，桥梁健康监测仅是针对日常运营荷载下的监测评估，由于易受各种干扰因素影响，荷载谱分析复杂，模型修正繁琐，不能很好地反映桥梁实际承载能力。常规荷载试验法虽然是目前最为准确的评估方法，但试验费用高，耗时费力，长时段影响正常交通，且存在加剧潜在病害的风险。因此，寻求一种快速试验评估方法十分有必要。

本文以一座城市在役自锚式悬索桥为研究对象，结合有限元模拟与实桥现场试验，采用基于桥梁既有监测系统的快速荷载试验方法对该自锚式悬索桥混凝土加劲梁进行了试验评估，为该桥运营阶段的承载能力评定与健康诊断提供参考依据。

1 基于监测系统的快速荷载试验

ζ=Se/Ss

式中：Se为试验荷载作用下结构实测弹性变形或应变；Ss为试验荷载作用下理论计算变形或应变。

采用与常规静载试验相同的方法对桥梁承载力做出评价，从而实现结构状态评估的目的[4-6]。基于监测系统的快速荷载试验评估流程如图1所示。

图1 基于监测系统的快速荷载试验评估流程

2 工程背景

以一座城市在役自锚式悬索桥为研究对象，该桥结构类型为(26+2×70+26)m自锚式悬索桥，设计荷载为城-A级。该桥为双向六车道，单幅桥面宽14.75 m。加劲梁按A类预应力混凝土设计，主跨采用由纵梁和横梁组成的预应力混凝土格构梁体，边孔为单箱4室箱形截面。主缆(单根)由14股127丝φ5.3 mm的镀锌高强钢丝组成，直径为246.8 mm；支座采用盆式橡胶支座；桥墩采用Y形双肢薄壁墩；索塔采用混凝土门式框架结构；基础采用钻孔灌注桩。全桥建有健康监测系统。桥梁总体布置如图2所示。

图2 自锚式悬索桥总体布置(单位：cm)

3 实桥数值模拟分析

采用有限元软件MIDAS/Civil建立单幅桥梁空间三维模型。全桥模型共计654个节点，763个单元。其中，加劲梁、主塔及桥墩按梁单元模拟，吊索及主缆按索单元模拟。该桥加劲梁为由纵、横梁组成的预应力混凝土格构梁体，建模时选取相应的桥面系计算模式，并考虑预应力束的影响。材料特性根据近期检测数据进行修正；主缆、吊索索力根据近期监测数据进行修正；主缆与塔顶的连接采用弹性连接模拟，塔脚及墩底按固结考虑，忽略承台下基础的变形[7-9]。

基于上述三维数值模型，按常规荷载试验加载效率加载试算。以加劲梁跨中断面加载工况为例，给出各加载效率下加劲梁底缘应力、挠度计算值见图3。可知，加劲梁底缘应力、挠度均随加载效率的提升呈逐渐增大趋势。另外，等效静力加载在考虑几何非线性与不考虑几何非线性情况下加劲梁内力与变形曲线基本重合，这是因为对于此类中小跨度自锚式混凝土悬索桥，结构几何非线性影响很小，汽车加载效应非线性影响也很小，汽车加载不足以引起较大的几何、内力改变[10]。

图3 各加载效率下加劲梁底缘应力、挠度计算值

图4给出相应主跨跨中断面底缘应力、挠度与加载效率的关系。可以看出应力、挠度均随加载效率提高而线性增大，且结构非线性影响不大。因此，可以认为加劲梁内力、变形均与荷载大小呈线性关系。各加载效率下跨中断面底缘应力、挠度见表1。

图4 主跨跨中加劲梁底缘应力、挠度与加载效率关系

加载效率应力/MPa挠度/mm0.22.3 -18.40.44.5 -36.70.66.8 -55.00.89.0 -73.31.011.1 -90.3

图5 加劲梁底缘应力、挠度模拟加载时程曲线

4 实桥现场试验分析

现场试验采用2辆40 t标准载重货车以5 km/h匀速沿行车道中线横向并列一排同步同向行驶，利用桥梁既有监测系统对加劲梁应变、挠度进行同步采集，同时记录车辆实时车速、位置。加劲梁监测数据测试断面及测点布置如图6所示。其中，应变测量采用动态应变传感器，挠度测量采用公司自行研制的HP-01型应变式动位移计，车辆实时车速、位置采用激光测速测距设备同步测量。试验期间桥梁临时封闭，桥面平顺，试验车车况良好，车速控制正常。正式行车加载试验全程共持续5 min。