基于容許應(yīng)力包絡(luò)的連續(xù)剛構(gòu)大橋安全評(píng)估技術(shù)研究

向楠1覃怡1周建庭2馬惠香2李志剛2

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081；2.重慶交通大學(xué)重慶400074)

摘要從應(yīng)力監(jiān)測角度出發(fā)，借鑒荷載試驗(yàn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)的概念，提出了大型橋梁基于監(jiān)測信息的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)包絡(luò)評(píng)估技術(shù)；在分析活載、溫度、初始應(yīng)力等因素的基礎(chǔ)上，研究了大型橋梁基于容許應(yīng)力包絡(luò)的安全評(píng)估技術(shù)。并以主跨240 m的連續(xù)剛構(gòu)大橋重慶豐都龍河特大橋?yàn)橐劳?，利用?shí)測數(shù)據(jù)，完成了該大橋基于應(yīng)力監(jiān)測的安全評(píng)估。該評(píng)估結(jié)果與大橋荷載試驗(yàn)檢測結(jié)果對(duì)比分析表明，基于應(yīng)力“包絡(luò)”的連續(xù)剛構(gòu)大橋安全評(píng)估技術(shù)是可行的。

關(guān)鍵詞應(yīng)力包絡(luò)校驗(yàn)系數(shù)安全評(píng)估

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.022

收稿日期：2015-01-30

目前，就橋梁安全性評(píng)估方法，已有不少研究成果。HitoshiFurta等[1]提出了用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估損傷的模糊專家系統(tǒng),能夠自動(dòng)獲取模糊規(guī)則。KeiKawamura和AyahoMiyamoto[2]建立了根據(jù)表觀檢測和技術(shù)規(guī)范評(píng)定橋梁等級(jí)的專家系統(tǒng),在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中通過反向傳播算法進(jìn)行模糊推理。Y.M.Wang等[3]提出了一種集成AHP-DEA(層次分析法和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析)原理的橋梁評(píng)估方法。黃尚廉等[4-5]提出將可靠度理論應(yīng)用于橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測評(píng)價(jià)體系。范劍鋒等[6-7]以層次分析法為基礎(chǔ)，提出了基于模糊層次分析的橋梁健康狀態(tài)模糊評(píng)估方法。王波等[8]研究了以統(tǒng)計(jì)及形態(tài)特征為指標(biāo)的橋梁線形監(jiān)測加權(quán)評(píng)估方法，可用于大跨度橋梁線形監(jiān)測的狀態(tài)評(píng)估。鮑鵬等[9]基于失效包絡(luò)圖理論，利用幾何思想建立橋梁構(gòu)件及結(jié)構(gòu)整體失效狀態(tài)新模型，在直桿系失效包絡(luò)圖理論的基礎(chǔ)上，提出了適用于橋梁結(jié)構(gòu)拱桿系的失效包絡(luò)圖及安全評(píng)估的方法。

但是由于橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性，當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)建立完成后，如何利用大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析評(píng)估橋梁的安全狀態(tài)卻很少研究?；诖耍疚膹膽?yīng)力監(jiān)測角度出發(fā)，借鑒荷載試驗(yàn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)的概念，提出了大型橋梁基于監(jiān)測信息的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)包絡(luò)評(píng)估技術(shù)。在分析活載、溫度、初始應(yīng)力等因素的基礎(chǔ)上，研究了大型橋梁基于容許應(yīng)力包絡(luò)的安全評(píng)估技術(shù)。并以豐都龍河特大橋?yàn)橐劳?，利用建設(shè)期施工監(jiān)控信息和營運(yùn)期健康監(jiān)測信息，完成了該大橋基于應(yīng)力監(jiān)測的安全評(píng)估，并用大橋荷載試驗(yàn)檢測結(jié)果與該評(píng)估結(jié)果對(duì)比分析。

1借鑒荷載試驗(yàn)檢測的“應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)包絡(luò)”評(píng)估技術(shù)

(1) 橋梁荷載試驗(yàn)檢測的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)評(píng)估方法。為了評(píng)定結(jié)構(gòu)整體受力性能，需對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果與理論分析值進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)新建橋是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的荷載標(biāo)準(zhǔn)，或判斷舊橋的承載能力。比較時(shí)可以將結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與理論計(jì)算值列表進(jìn)行比較，利用結(jié)構(gòu)在最不利荷載工況作用下主要控制測點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測值與理論值分析值，繪出荷載-應(yīng)力曲線，并繪出最不利荷載工況作用下控制截面應(yīng)變(沿高度)分布圖，繪制結(jié)構(gòu)裂縫分布圖(對(duì)裂縫編號(hào)注明長度、寬度、初裂荷載以及裂縫發(fā)展情況)[10]。為了量化，以及描述試驗(yàn)值與理論分析值比較的結(jié)果，引入結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η：

(1)

式中：Se為試驗(yàn)荷載作用下量測的應(yīng)變值;Ss為試驗(yàn)荷載作用下的理論計(jì)算應(yīng)變值。

校驗(yàn)系數(shù)η是評(píng)定結(jié)構(gòu)工作狀況、確定橋梁承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)。不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁其值通常不相同。一般要求η≤1，η值越小結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大。η值過大或過小都應(yīng)該從多方面分析原因。如η值過大，可能說明組成結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)各部分聯(lián)結(jié)性較差，剛度較低等。η值過小，可能說明材料實(shí)際強(qiáng)度及彈性模量較高，橋梁的混凝土橋面鋪裝及人行道等與主梁共同受力，拱橋拱上建筑與拱圈共同作用，支座摩阻力對(duì)結(jié)構(gòu)受力的有利影響，計(jì)算理論或簡化的計(jì)算式偏于安全等。試驗(yàn)加載物的稱量誤差、儀表的觀測誤差等也對(duì)η值有一定影響。

(2) 借鑒荷載試驗(yàn)檢測的“應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)包絡(luò)”評(píng)估模式。荷載試驗(yàn)是在已知荷載工況的情況下進(jìn)行的，橋梁的受力狀況明確，對(duì)應(yīng)荷載工況下的理論計(jì)算值易于計(jì)算，校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算比較客觀準(zhǔn)確。但是，營運(yùn)期實(shí)測應(yīng)變是客觀的，理論應(yīng)變由于采用橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算分析得到，與實(shí)測應(yīng)變不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以可以采用“包絡(luò)”概念來評(píng)估橋梁的安全性，如“包絡(luò)”之內(nèi)肯定安全，如“包絡(luò)”之外，則需進(jìn)一步評(píng)估分析，故該方法也是借鑒校驗(yàn)系數(shù)概念來進(jìn)行評(píng)估的。

2基于容許應(yīng)力包絡(luò)的全壽命安全評(píng)估技術(shù)

2.1　容許應(yīng)力包絡(luò)原理

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。

(2)

式中：σ為計(jì)算應(yīng)力；[σ]為許用應(yīng)力。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的σ按荷載標(biāo)準(zhǔn)值以線性彈性理論計(jì)算；[σ]由規(guī)定的材料彈性極限(或極限強(qiáng)度、流限)除以安全系數(shù)而得。

容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法以線性彈性理論為基礎(chǔ)，以構(gòu)件危險(xiǎn)截面的某一點(diǎn)或某一局部的計(jì)算應(yīng)力小于或等于材料的容許應(yīng)力為準(zhǔn)則。在應(yīng)力分布不均勻的情況下，如受彎構(gòu)件、受扭構(gòu)件或靜不定結(jié)構(gòu)，用這種設(shè)計(jì)方法較安全。

本文結(jié)合容許應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合橋梁全壽命監(jiān)測，提出基于容許應(yīng)力的應(yīng)力包絡(luò)評(píng)估方法。該方法的原理是：用表貼傳感器安裝時(shí)的測點(diǎn)初始應(yīng)力(包括恒載+預(yù)應(yīng)力共同作用下)加上實(shí)測應(yīng)力和測點(diǎn)容許應(yīng)力值進(jìn)行包絡(luò)比較。容許應(yīng)力值盡量以竣工時(shí)或荷載試驗(yàn)實(shí)測材料強(qiáng)度為準(zhǔn)。

2.2　評(píng)估方法

(1) 預(yù)埋、表貼監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。①成橋初始階段應(yīng)力獲取。對(duì)建設(shè)期預(yù)埋傳感器應(yīng)變監(jiān)測信息進(jìn)行處理分析，獲取營運(yùn)期表貼傳感器安裝時(shí)預(yù)埋傳感器的應(yīng)力σ預(yù)埋，溫度t預(yù)埋；如預(yù)埋傳感器失效，則利用預(yù)埋-表貼監(jiān)測信息相關(guān)性原理，結(jié)合表貼數(shù)據(jù)進(jìn)行反推預(yù)埋應(yīng)力；②營運(yùn)期表貼應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。對(duì)應(yīng)預(yù)埋測點(diǎn)的表貼監(jiān)測點(diǎn)的初始應(yīng)變?yōu)棣疟沓?，溫度t表初。對(duì)所需評(píng)估時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取應(yīng)變最大值εmax，對(duì)應(yīng)溫度tmax。

因此，表貼實(shí)測應(yīng)力為

(3)

同理，可以計(jì)算其他時(shí)刻表貼應(yīng)力值。

(2) 基于容許應(yīng)力的應(yīng)力包絡(luò)評(píng)估分析。綜合預(yù)埋監(jiān)測應(yīng)力和表貼監(jiān)測應(yīng)力可得

(4)

而主梁的容許應(yīng)力為[11]

(5)

(6)

將計(jì)算所得的σ實(shí)測，[σ]壓，[σ]拉數(shù)據(jù)繪制出容許應(yīng)力包絡(luò)圖，參照包絡(luò)圖進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)實(shí)測應(yīng)力在容許壓應(yīng)力和容許拉應(yīng)力范圍內(nèi)時(shí)，處于安全營運(yùn)狀態(tài)；當(dāng)超出其范圍內(nèi)時(shí)，橋梁處于危險(xiǎn)工作狀態(tài)。

3工程概況

本次研究所依托的橋梁為重慶市豐石高速公路豐都龍河特大橋。龍河特大橋全橋共6聯(lián)：4×40m+3×40m+3×40m+127m+240m+127m+4×40m+3×40m，其中主橋?yàn)?27m+240m+127m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用雙肢變截面矩形空心墩。引橋左右兩岸分別為4×40m，3×40m，3×40m和4×40m，3×40m后張預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，先簡支后連續(xù)。下部采用雙柱式橋墩、空心墩，以及重力式U形橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋面寬24.0m。橋梁采用分幅設(shè)計(jì)。

3.1　測點(diǎn)布置

預(yù)埋和表貼應(yīng)變、溫度傳感器整體布置示意見圖1。

圖1　預(yù)埋與表貼應(yīng)變、溫度傳感器整體布置示意圖

3.2　容許應(yīng)力包絡(luò)法結(jié)果

3.2.1預(yù)埋、表貼監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理

(1) 成橋初始階段應(yīng)力獲取。對(duì)建設(shè)期預(yù)埋傳感器應(yīng)變監(jiān)測信息進(jìn)行處理分析后，得到右幅主跨跨中底板4號(hào)測點(diǎn)(S223786/T223786)安裝表貼傳感器時(shí)的應(yīng)力為σ預(yù)埋=-11.634MPa，溫度6.0 ℃。

(2) 營運(yùn)期表貼應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。對(duì)應(yīng)主跨跨中4號(hào)測點(diǎn)的表貼監(jiān)測點(diǎn)(S0304/T0308)的初始應(yīng)變?yōu)?207.991，溫度21.4 ℃。本文選取2014年3月1日至20日時(shí)間段監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(每天取00:30:00，09:30:00，18:30:00 3個(gè)時(shí)間點(diǎn))，實(shí)測應(yīng)變最大值-168.700，對(duì)應(yīng)溫度15.2 ℃。見圖2。

圖2　跨中4號(hào)測點(diǎn)溫度實(shí)測應(yīng)變值

因此，表貼應(yīng)力為

104/106≈1.395 MPa

同理，可以計(jì)算其他時(shí)刻表貼應(yīng)力值。

3.2.2基于容許應(yīng)力的應(yīng)力包絡(luò)評(píng)估分析

綜合預(yù)埋監(jiān)測應(yīng)力和表貼監(jiān)測應(yīng)力可得：

-11.634+1.395=-10.239 MPa

而主梁的容許應(yīng)力為

[σ]壓≤0.7fck′=0.7×35.5 MPa=24.85 MPa

[σ]拉≤0.4ftk′=0.4×2.74 MPa≈1.10 MPa

容許應(yīng)力包絡(luò)圖見圖3。

圖3　主跨跨中4號(hào)測點(diǎn)容許應(yīng)力包絡(luò)評(píng)估圖

由圖3可見，主跨跨中截面4號(hào)測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力在容許壓應(yīng)力和拉應(yīng)力范圍內(nèi)，處于安全營運(yùn)狀態(tài)。

3.3　荷載試驗(yàn)結(jié)果

(1) 荷載等級(jí)按照公路-I級(jí)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)內(nèi)容見表1。

表1　龍河特大橋(主橋)荷載試驗(yàn)內(nèi)容

(2) 應(yīng)變測試結(jié)果及分析。由于篇幅有限，僅列舉跨中截面最大正彎矩工況下測點(diǎn)應(yīng)變測試結(jié)果，見表2。

表2　跨中截面最大正彎矩工況下腹板與頂板應(yīng)變測點(diǎn)測試結(jié)果

注：1.應(yīng)變符號(hào)定義：正值(+)表示拉應(yīng)變，負(fù)值(-)表示壓應(yīng)變；實(shí)測值及理論值均為滿載工況下應(yīng)變值；2.C55混凝土的彈性模量取Ec=35.5 GPa。

4結(jié)論

荷載試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果及分析表明：

(1) 本橋荷載試驗(yàn)的靜力試驗(yàn)荷載效率在0.90～1.00范圍內(nèi)，其試驗(yàn)結(jié)果能夠反映結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的技術(shù)狀態(tài)。

(2) 在試驗(yàn)荷載作用下，測試截面主要測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變值均小于相應(yīng)的理論計(jì)算值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.64～0.84，相對(duì)殘余應(yīng)變小于《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》(鐵組YC4-4/1978)的規(guī)定限值，試驗(yàn)橋跨強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)活載要求。

綜上所述，對(duì)該橋梁工程的荷載試驗(yàn)結(jié)論意見如下：龍河特大橋承載能力滿足設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)(公路-I級(jí))要求。