張三峰，任東華，鄒春蓉

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610031)

橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估是指通過各種可行的、結(jié)構(gòu)允許的測(cè)試手段，測(cè)試出能夠反映其當(dāng)前工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用某種狀態(tài)評(píng)估理論，對(duì)構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)整體的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[1]。目前常見的評(píng)估手段主要有結(jié)構(gòu)外觀檢測(cè)、結(jié)構(gòu)承載能力檢算、現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)、健康監(jiān)測(cè)等[2]。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)橋梁，健康監(jiān)測(cè)與荷載試驗(yàn)都是最為直觀、可行的測(cè)試評(píng)估手段。但是，橋梁健康監(jiān)測(cè)僅是針對(duì)日常運(yùn)營(yíng)荷載下的監(jiān)測(cè)評(píng)估，由于易受各種干擾因素影響，荷載譜分析復(fù)雜，模型修正繁瑣，不能很好地反映橋梁實(shí)際承載能力。常規(guī)荷載試驗(yàn)法雖然是目前最為準(zhǔn)確的評(píng)估方法，但試驗(yàn)費(fèi)用高，耗時(shí)費(fèi)力，長(zhǎng)時(shí)段影響正常交通，且存在加劇潛在病害的風(fēng)險(xiǎn)。因此，尋求一種快速試驗(yàn)評(píng)估方法十分有必要。

本文以一座城市在役自錨式懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合有限元模擬與實(shí)橋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用基于橋梁既有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速荷載試驗(yàn)方法對(duì)該自錨式懸索橋混凝土加勁梁進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估，為該橋運(yùn)營(yíng)階段的承載能力評(píng)定與健康診斷提供參考依據(jù)。

1 基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速荷載試驗(yàn)

ζ=Se/Ss

式中：Se為試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)彈性變形或應(yīng)變；Ss為試驗(yàn)荷載作用下理論計(jì)算變形或應(yīng)變。

采用與常規(guī)靜載試驗(yàn)相同的方法對(duì)橋梁承載力做出評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的目的[4-6]?；诒O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速荷載試驗(yàn)評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速荷載試驗(yàn)評(píng)估流程

2 工程背景

以一座城市在役自錨式懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，該橋結(jié)構(gòu)類型為(26+2×70+26)m自錨式懸索橋，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)。該橋?yàn)殡p向六車道，單幅橋面寬14.75 m。加勁梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，主跨采用由縱梁和橫梁組成的預(yù)應(yīng)力混凝土格構(gòu)梁體，邊孔為單箱4室箱形截面。主纜(單根)由14股127絲φ5.3 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，直徑為246.8 mm；支座采用盆式橡膠支座；橋墩采用Y形雙肢薄壁墩；索塔采用混凝土門式框架結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。全橋建有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。橋梁總體布置如圖2所示。

圖2 自錨式懸索橋總體布置(單位：cm)

3 實(shí)橋數(shù)值模擬分析

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立單幅橋梁空間三維模型。全橋模型共計(jì)654個(gè)節(jié)點(diǎn)，763個(gè)單元。其中，加勁梁、主塔及橋墩按梁?jiǎn)卧M，吊索及主纜按索單元模擬。該橋加勁梁為由縱、橫梁組成的預(yù)應(yīng)力混凝土格構(gòu)梁體，建模時(shí)選取相應(yīng)的橋面系計(jì)算模式，并考慮預(yù)應(yīng)力束的影響。材料特性根據(jù)近期檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；主纜、吊索索力根據(jù)近期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；主纜與塔頂?shù)倪B接采用彈性連接模擬，塔腳及墩底按固結(jié)考慮，忽略承臺(tái)下基礎(chǔ)的變形[7-9]。

基于上述三維數(shù)值模型，按常規(guī)荷載試驗(yàn)加載效率加載試算。以加勁梁跨中斷面加載工況為例，給出各加載效率下加勁梁底緣應(yīng)力、撓度計(jì)算值見圖3?？芍?，加勁梁底緣應(yīng)力、撓度均隨加載效率的提升呈逐漸增大趨勢(shì)。另外，等效靜力加載在考慮幾何非線性與不考慮幾何非線性情況下加勁梁內(nèi)力與變形曲線基本重合，這是因?yàn)閷?duì)于此類中小跨度自錨式混凝土懸索橋，結(jié)構(gòu)幾何非線性影響很小，汽車加載效應(yīng)非線性影響也很小，汽車加載不足以引起較大的幾何、內(nèi)力改變[10]。

圖3 各加載效率下加勁梁底緣應(yīng)力、撓度計(jì)算值

圖4給出相應(yīng)主跨跨中斷面底緣應(yīng)力、撓度與加載效率的關(guān)系。可以看出應(yīng)力、撓度均隨加載效率提高而線性增大，且結(jié)構(gòu)非線性影響不大。因此，可以認(rèn)為加勁梁內(nèi)力、變形均與荷載大小呈線性關(guān)系。各加載效率下跨中斷面底緣應(yīng)力、撓度見表1。

圖4 主跨跨中加勁梁底緣應(yīng)力、撓度與加載效率關(guān)系

加載效率應(yīng)力/MPa撓度/mm0.22.3 -18.40.44.5 -36.70.66.8 -55.00.89.0 -73.31.011.1 -90.3

圖5 加勁梁底緣應(yīng)力、撓度模擬加載時(shí)程曲線

4 實(shí)橋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用2輛40 t標(biāo)準(zhǔn)載重貨車以5 km/h勻速沿行車道中線橫向并列一排同步同向行駛，利用橋梁既有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)加勁梁應(yīng)變、撓度進(jìn)行同步采集，同時(shí)記錄車輛實(shí)時(shí)車速、位置。加勁梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。其中，應(yīng)變測(cè)量采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，撓度測(cè)量采用公司自行研制的HP-01型應(yīng)變式動(dòng)位移計(jì)，車輛實(shí)時(shí)車速、位置采用激光測(cè)速測(cè)距設(shè)備同步測(cè)量。試驗(yàn)期間橋梁臨時(shí)封閉，橋面平順，試驗(yàn)車車況良好，車速控制正常。正式行車加載試驗(yàn)全程共持續(xù)5 min。

圖6 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)布置

圖7 加勁梁主跨跨中實(shí)測(cè)應(yīng)力、撓度時(shí)程曲線

加勁梁實(shí)測(cè)應(yīng)力、撓度時(shí)程曲線(均為動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào))見圖7。(限于篇幅，僅列出主跨跨中測(cè)點(diǎn)S4-1,S4-2,S4-3,S8-3相應(yīng)結(jié)果)。從曲線形態(tài)看，實(shí)測(cè)應(yīng)力及撓度時(shí)程曲線形態(tài)與有限元模擬結(jié)果較為吻合。

圖8 加勁梁主跨跨中測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)影響線

項(xiàng)目應(yīng)力/MPa撓度/mm測(cè)點(diǎn)S4-1測(cè)點(diǎn)S4-2測(cè)點(diǎn)S4-3測(cè)點(diǎn)S8-3常規(guī)試驗(yàn)計(jì)算值11.1011.10-90.30-90.30常規(guī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值8.108.40-83.80-80.20快速試驗(yàn)推算值8.909.30-86.60-82.90推算校驗(yàn)系數(shù)ζ′0.800.840.960.92

根據(jù)快速試驗(yàn)推算結(jié)果及前期常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果，可知快速試驗(yàn)推算目標(biāo)試驗(yàn)荷載下應(yīng)力、撓度與前期常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果偏差不大，該橋在目標(biāo)試驗(yàn)荷載作用下各測(cè)試斷面應(yīng)力、撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明該橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度能夠滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

由有限元數(shù)值模擬分析與實(shí)橋試驗(yàn)分析可以得出：

1)對(duì)于此類中小跨徑自錨式混凝土懸索橋，結(jié)構(gòu)幾何非線性影響很小，加勁梁內(nèi)力、變形與荷載大小基本呈線性關(guān)系，可以通過準(zhǔn)靜態(tài)快速荷載試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。

2)基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速荷載試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果與常規(guī)靜載試驗(yàn)結(jié)果偏離不大，可在一定程度上代替常規(guī)靜載試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)此類中小跨徑特殊結(jié)構(gòu)橋梁承載能力的快速評(píng)估。

3)基于既有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速試驗(yàn)評(píng)估方法簡(jiǎn)單易行，可以作為該橋健康監(jiān)測(cè)后期評(píng)估的一個(gè)有效補(bǔ)充手段，為該橋運(yùn)營(yíng)階段的健康診斷與結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定提供參考。