基于荷载试验和健康监测系统的桥梁安全状态评估

2019-10-08

中国公路 2019年17期

（山西省交通建设质量安全监督局，山西太原 030006）

我国大量桥梁使用时间较长，为了有效验证营运期桥梁结构的安全状态，养护部门会组织开展大量工作，如定期检测、荷载试验、健康监测等。评价桥梁的安全状态，主要是通过测试桥梁在设计荷载下的响应情况实现，如应变、挠度等，目前的实现方式主要是桥梁荷载试验，除此之外，桥梁健康监测系统也能够通过同步采集的方式，获取荷载试验期间的结构响应信息，进而评估结构安全状态。对于健康监测系统而言，通过与荷载试验结果的横向对比开展的健康监测系统验证，可验证系统性能，检查安装施工工作是否符合设计，验证系统是否达到设计预期，同时为系统优化设计提供数据支持。目前，还没有基于健康监测系统的荷载试验相关研究，对荷载试验、健康监测两套设备系统的相互验证关系的研究具有一定的理论研究价值。

一、工程概况

某大桥设计为双塔斜拉桥，主跨730m，跨度布置为：4×57.5m＋730m+4×57.5m，桥面宽度36m，双向六车道，设计行车速度60km/h；设计荷载等级：公路-I级；通航标准：一级通航；地震烈度：Ⅵ度，按Ⅶ度设防。

图1 桥跨布置示意图（单位：cm）

图2 横断面布置示意图（单位：cm）

二、测试内容及测点布置

（一）静载试验

根据荷载试验方案，结合桥梁健康监测系统实际情况，确定测试位置，荷载试验测点断面图如图3所示，监测系统验证对应编号，如表1所示。限于篇幅，本文仅对截面4-4的应力挠度测试结果进行研讨。

截面应变测点布置如图3所示，挠度测点布置如图4所示，荷载试验应变测点位置基本与之保持一致。

表1 测试内容及测试断面

图3 健康监测系统钢箱梁应力测点布置（单位：cm）

图4 健康监测系统钢箱梁应力测点布置（单位：cm）

图5 健康监测系统动载试验测点布置（单位：cm）

（二）动载试验

根据荷载试验方案所述测试内容，在动力荷载试验的同时同步采集监测数据，对比分析监测数据与计算理论值，主要验证项目有斜拉桥的动力特性，包括固有频率、阻尼比；中跨动力响应，主要为冲击效应。测点布置如图5所示。

三、有限元模型建立

在静载试验前，运用Midas Civil软件完成桥梁建模，试验前计算出各控制截面的内力影响线，计算静力加载，以便比较静力计算结果与荷载试验及健康监测系统结果。

主桥有限元模型采用自动考虑恩斯特效应的只受拉单元模拟斜拉索，该单元已自动根据垂度对拉索刚度进行修正。共划分单元1755个，节点1922个，主梁边跨混凝土段采用C50和C55混凝土，弹性模量分别为和3.55×104MPa，索塔采用C50混凝土，容重取为26kN/m3，弹性模量为3.45×104MPa。中跨钢箱梁段采用Q345钢，弹性模量取206GPa，自重系数考虑15%的提高系数。钢箱梁和混凝土梁段的横隔板自重按实施加。设计荷载为：公路-I级，车道布置为双向六车道。按规范横向折减系数取0.55，纵向折减系数取为0.95。冲击系数按规范计算。

全桥空间有限元模型如图6所示。

该桥的目标荷载为公路-I级，通过有限元分析，桥梁在目标作用下的内力包络图，如图7所示。

图6 有限元模型

图7 内力包络图（kN.m）

四、试验测试工况及轮位布置

（一）静载试验

本文分析的荷载试验测试工况如表2所示，主要测试分析跨中截面的应变、挠度情况。根据工况设置情况，将各加载工况进行轮位合并，确定最终加载图，如图7所示。

在试验工况作用下，跨中截面的理论计算结果，如表3、表4所示。

图7 轮位布置图（mm）

表2 测试工况及加载效率表

表3 应变计算结果汇总表

表4 挠度计算结果汇总表

（二）动载试验

桥梁结构动力响应性能试验，包括跑车试验、会车试验和跳车试验，跑车试验和会车试验在20km/h～60km/h匀速跑车工况下完成动应变和加速度测试，根据动应变时程曲线和加速度时程曲线，分析和评定桥梁结构动力响应性能。本文主要分析跑车在40km/h工况下，结构主梁跨中的结构响应情况。

五、测试结果分析

（一）挠度结果分析

试验荷载作用下，挠度实时监测结果如表5所示。由表可见，校验系数①、②介于0.95～0.96，表明结构挠度测试结果满足校验系数不大于1的要求，且远小于规范限值（73000/600=122mm），结构变形正常。同时健康监测系统与荷载试验所测挠度数据相差在1%以内，说明数据真实可靠。

表5 挠度测点计算值、挠度系统监测值及校验系数

图8 试验期间跨中挠度实测变化情况

进一步验证挠度监测系统的荷载响应情况，作试验荷载作用下的挠度监测时程曲线，如图8所示。

由图8可知，跨中挠度监测测点能够在每级荷载上桥时作出及时响应，监测数据能够有效采集到加载全过程的荷载响应信号；卸载后的相对残余变形约在5%～8%之间，表明桥跨结构在试验荷载作用下基本处于弹性工作状态。

（二）应变结果分析

试验荷载作用下，应变实时监测结果如表6所示。由表可见，校验系数介于0.71～0.92，满足校验系数不大于1的要求，结构受力正常。

为进一步验证应变监测系统的荷载响应情况，作出试验荷载作用下的应变监测时程曲线，如图9所示，跨中应变监测测点能够在每级荷载上桥时作出及时响应，平均响应时间为1.2s，监测数据能够有效采集到加载全过程的荷载响应信号；卸载后的实测相对残余在4%～10%之间，表明桥跨结构在试验荷载作用下基本处于弹性工作状态。

表6 应变测点计算值、应变系统监测值及校验系数

图9 中跨跨中截面应变测点L7-YB72-6监测时程曲线

（三）跑车试验结果分析

动荷载下实测的冲击系数1+μ实设计规范值时，采用1+μ设计理论值，否则应对行车限速。动态应变采集测试冲击系数的原理：

经过监测系统实测数据计算得出，该桥中跨跨中在50km/h车速下的冲击系数，如表7所示。

该桥按规范冲击系数理论计算值为1.05，表7中实测冲击系数均小于此值，满足规范要求。

动态应变监测数据时域曲线如图10所示，健康监测系统应变测点响应明显，能够及时捕捉到结构在跑车工况下的应变变化情况。动态挠度监测数据时域曲线如图11所示，健康监测系统挠度测点响应明显，挠度传感器为基于连通管液压原理的静力水准传感器，在跑车经过跨中时能够明显看到挠度出现先减小再增大的现象，在跑车出桥后挠度恢复缓慢，这一现象主要是由于挠度系统自身的阻尼导致连通管类液体复位不及时引起的。

结构动态应变监测系统采用光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器能够及时反馈结构动态应变响应，而连通管液压原理的静力水准传感器则在动态挠度测试上具有局限性。